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Pegue um elástico comum, encoste no lábio e estique rápido. Ele esquenta na hora, e ao voltar ao tamanho normal esfria abaixo da temperatura da pele. Agora pendure um peso na tira e aqueça com um secador: em vez de ceder e alongar, como faria qualquer barra de metal, ela encolhe e levanta a carga. A borracha não guarda energia esticando ligações químicas, ela paga a conta em desordem. As cadeias de polímero enroladas ao acaso são forçadas a se alinhar, a entropia despenca e o calor sobra. John Gough descreveu o efeito em 1805 usando o próprio lábio como termômetro, e James Joule pôs números na conta em 1859.
I
O Mecanismo
Estique um arame de aço e você está brigando com ligações químicas. Os átomos saem das posições de equilíbrio, a energia interna do metal sobe, e a força que puxa o arame de volta vem dessa energia armazenada. Aqueça o mesmo arame e ele dilata, porque átomo agitado ocupa mais espaço.
A borracha joga outro jogo. Um elástico é uma malha de moléculas gigantes, cadeias com milhares de unidades de carbono enfileiradas, costuradas umas às outras por pontes de enxofre que a vulcanização instalou. Em repouso, cada cadeia dessas é um novelo embaralhado ao acaso.
O número de maneiras de embaralhar um novelo é absurdo. Existem trilhões de trilhões de arranjos em que a cadeia fica torta e curta, e um punhado ridículo de arranjos em que ela aparece quase reta. Entropia é a contagem desses arranjos, e o novelo torto ganha de goleada.
Ao esticar, você obriga a malha a abandonar a nuvem de arranjos tortos e ocupar o punhado de arranjos alinhados. A entropia do material cai. A força que puxa o elástico de volta contra o seu dedo não é mola de ligação tensionada, é a tendência estatística de voltar para a bagunça.
A termodinâmica separa as duas contas. Parte da força de qualquer sólido vem de energia armazenada, parte vem de entropia perdida. Na borracha, a parcela de energia é quase zero e sobra a parcela entrópica, que é proporcional à temperatura absoluta. Quanto mais quente, mais forte o puxão.
Daí o comportamento que parece defeito de fábrica. Aqueça um elástico que segura um peso e a força de retração aumenta, o equilíbrio se desfaz e a tira encolhe até erguer a carga alguns milímetros. O metal dilata com calor, a borracha carregada faz o contrário.
O calor no lábio é a outra face da mesma conta. Se a entropia da malha despenca e o estiramento é rápido demais para trocar calor com o ambiente, a desordem que sumiu do arranjo das cadeias reaparece como agitação térmica. A tira aquece alguns graus, o suficiente para a pele mais sensível do corpo perceber.
Solte e o filme roda ao contrário. As cadeias voltam a embaralhar, a entropia sobe, o material puxa calor de onde conseguir e o elástico fica frio. Existe um detalhe fino: abaixo de mais ou menos dez por cento de estiramento o efeito se inverte, porque nessa faixa a dilatação térmica comum ainda manda mais que a entropia.
Num esticão grande entra um bônus. A borracha natural se organiza em cristais quando muito alongada, e a cristalização libera calor por conta própria, somando ao aquecimento entrópico. Um estiramento de quatro ou cinco vezes o comprimento original esquenta bem mais do que a conta das cadeias sozinha previa.
Quem descreveu o fenômeno primeiro foi John Gough, naturalista inglês cego desde a primeira infância, numa comunicação de 1805 à sociedade literária e filosófica de Manchester. Sem enxergar, ele usou o lábio como sensor e registrou as duas metades do efeito, o aquecimento ao esticar e a contração sob calor.
Meio século depois, James Prescott Joule refez a experiência com termopares e balança, mediu o calor liberado em tiras de borracha vulcanizada e mostrou que a força de retração cresce em proporção direta à temperatura absoluta. O par de nomes ficou colado ao efeito para sempre.
II
Por que Importa
A inversão do truque vira máquina de frio. Estique a borracha, espere ela despejar no ar o calor que gerou e então solte: ao voltar para a bagunça, a tira rouba calor de tudo que estiver encostado nela e fica mais fria que o ambiente. É um refrigerador sem gás e sem compressor.
O nome técnico é efeito elastocalórico, e o interesse não é acadêmico. Refrigeração e ar condicionado consomem perto de um décimo da eletricidade do planeta, e os fluidos que circulam nos compressores são gases de efeito estufa potentes que vazam de qualquer sistema com o tempo.
Um sólido que esfria ao relaxar dispensa o gás inteiro. Em 2019, um grupo liderado por Ray Baughman publicou na Science um esquema que torce e enrola as fibras em vez de apenas esticá-las, e mediu quedas de temperatura da ordem de dezesseis graus em fibras de borracha natural.
A liga de níquel e titânio joga no mesmo campeonato. Protótipos de bomba de calor elastocalórica com fios de nitinol já rodam em bancada na Alemanha, com eficiência teórica competitiva com a do compressor tradicional e sem uma gota de fluido refrigerante no circuito.
Falta o de sempre, durabilidade. Cada ciclo de estica e solta desperdiça energia em atrito interno, a borracha envelhece e racha, o nitinol é caro e exige tensões altas. Um aparelho que precisa repetir o ciclo milhões de vezes por ano ainda não sobrevive ao teste de bancada.
Na direção contrária dá para colher trabalho. Monte uma roda cujos raios sejam elásticos e aqueça só um lado dela. Os raios quentes encolhem, o centro de massa sai do eixo, e a roda gira sozinha enquanto a lâmpada estiver acesa. É um motor térmico movido a bagunça molecular.
A regra da força proporcional à temperatura também explica cacoete de gaveta. Elástico esquecido dentro de carro quente puxa mais forte que o elástico do armário, e borracha muito fria perde a elasticidade de vez, porque abaixo de certa temperatura as cadeias travam e o material vira vidro quebradiço.
A natureza usa a mesma mola há muito mais tempo. A elastina que dá recuo à aorta e a resilina das articulações de inseto são redes de cadeias embaralhadas que devolvem quase toda a energia recebida, e a pulga salta apostando na entropia de um bloco de proteína comprimido no quadril.
O fecho desmonta a intuição de mola. Um elástico e o ar comprimido dentro do pneu da bicicleta são a mesma máquina: em nenhum dos dois a força vem de ligação tensionada, ela vem da contagem de arranjos possíveis. Quem estica uma tira de borracha está apertando um gás feito de novelos.
III
A Fonte
Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, 1805. John Gough, em "A description of a property of caoutchouc, or Indian rubber", relatou que uma tira esticada encostada no lábio aquece de imediato e que a mesma tira, mantida sob peso constante, encolhe quando é aquecida.
Philosophical Transactions of the Royal Society, 1859. James Prescott Joule, em "On some thermo-dynamic properties of solids", mediu com termopares o calor liberado no estiramento da borracha vulcanizada e mostrou a proporção direta entre força de retração e temperatura absoluta, transformando a observação de Gough em lei.
The Physics of Rubber Elasticity, Oxford University Press, primeira edição de 1949. Leslie Treloar consolidou a teoria estatística construída por Werner Kuhn, Eugene Guth, Herman Mark e Paul Flory, na qual a elasticidade da borracha sai da contagem de conformações possíveis de cada cadeia.
Science, 2019. Run Wang, Shaoli Fang, Ray Baughman e colegas, em "Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers", demonstraram resfriamento por torção em fibras de borracha natural, nylon e nitinol, abrindo uma rota de refrigeração de estado sólido sem gás nenhum.
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