Obviamente, muito mais importante que a economia e a política, o que se passa na Bolívia e a pandemia, é o que se passa com a nossa água quente no momento em que queremos tomar banho. Hoje em dia, fruto de muito "progresso", muitas pessoas têm sistemas de água quente infindável (bombas de calor, gás canalizado, etc.), ou de água aquecida em painéis solares, ou outros métodos alternativos ao velhinho esquentador alimentado por uma botija de gás. Mas eu ainda vivo nessa era, e às vezes, a meio do banho, tenho de gramar a gradual transição de água quente para água morna para água fria.
Em termos físicos, há muito aqui para explorar, e há muito campo para mal entendidos. Vamos lá explorá-los!
Se abanarmos uma garrafa de gás iremos ouvir e sentir um líquido a agitar-se lá dentro. Mas se é líquido, porque é que dizemos que é uma garrafa de gás, e não uma garrafa de líquido?...
Quando retiramos o líquido de dentro da garrafa, em condições normais, ele imediatamente transforma-se em gás, e é esse gás que nós utilizamos, quase sempre numa combustão.
Mas gases há muitos, e muitos não são combustíveis.
Portanto, talvez devêssemos chamar as coisas pelos nomes, e em vez de dizer "garrafa de gás" ou botija, devêssemos dizer "garrafa de butano" ou "garrafa de propano", que são os dois gases mais comuns que encontramos engarrafados.
Então porque é que o gás é afinal um líquido dentro da garrafa?
O estado das substâncias, líquido, sólido ou gasoso, depende de vários factores, entre os quais a temperatura e a pressão. Todos sabemos que se arrefecermos a água até temperaturas negativas ela tenderá a tornar-se sólida, e se a aquecermos a temperaturas acima dos 100ºC ela tenderá a tornar-se gasosa. Mas isso é se a pressão for de aproximadamente uma atmosfera. Se a pressão for diferente, as temperaturas dos pontos de fusão e de ebulição serão diferentes.
Por exemplo: uma vez tentei cozinhar arroz no alto de uma montanha muito alta. Aí a pressão é inferior à pressão atmosférica junto ao mar. E com pressão menor, o ponto de ebulição da água é inferior. Isso significa que a água ferve a uma temperatura menor. Podemos pensar que isso torna a tarefa de cozinhar arroz mais fácil, uma vez que não é precisa tanta energia para fazer ferver a água. O problema é que não é a fervura em si mesma que coze o arroz, mas sim a alta temperatura. E se a água ferve a uma temperatura menor, por exemplo 90ºC, então ela nunca irá atingir uma temperatura superior a isso, e o arroz terá de cozer o tempo todo a 90ºC. Conclusão: gastei o gás todo que tinha e o arroz ficou cru!
Mas não abandonemos já este exemplo. Se no alto dessa montanha a água a 95ºC já estará no estado gasoso, a água lá em baixo, ao nível do mar, à mesma temperatura de 95ºC estará no estado líquido. Assim, uma forma de transformar um gás num líquido é aumentando a pressão.
As garrafas de gás são construídas em metal ou em polímeros reforçados com fibras de carbono ou outros materiais muito resistentes, pois precisam de suportar a elevada pressão que existe no seu interior. É essa elevada pressão que mantém o gás, seja ele butano ou propano, no estado líquido.
Não sei se têm muita experiência a cozinhar com panelas de pressão, mas tentem acompanhar este meu exemplo. Se encherem uma panela de pressão com água até à sua carga máxima, fecharem a tampa e colocarem a panela no fogão até atingir a sua temperatura máxima, a água dentro da panela ficará sujeita a uma pressão superior à pressão atmosférica inicial, e isso permitirá que ela só ferva a uma temperatura de, por exemplo, 120ºC.
Se, a meio da cozedura, quisermos acrescentar um ingrediente e precisarmos de abrir a panela, teremos primeiro de reduzir a pressão interior antes de tentar abrir a tampa. Para isso usamos a válvula e deixamos sair algum vapor de água.
Ora, durante o processo de despressurização da panela, temos de libertar muito mais vapor de água do que aquele que estaria dentro da panela. De onde é que vem esse vapor de água adicional?...
O que acontece é que à medida que abrimos a válvula, a pressão no interior da panela diminui. Com a diminuição da pressão, a água que estaria inicialmente a uma temperatura de 120ºC entra imediatamente e integralmente em ebulição, gerando-se então muito mais vapor de água. E este processo só acaba quando a pressão no interior da panela ficar igual à pressão exterior, momento em que a água também terá arrefecido dos 120ºC iniciais para os 100ºC, que é a temperatura a que a água ferve à pressão normal.
O mesmo processo ocorre nas botijas de gás butano ou propano. Assim que abrimos a sua válvula, algum gás sai da garrafa, precisamente o que estava sobre o líquido (e por isso é que é suposto as garrafas estarem na vertical, com a válvula na parte de cima), e isso faz a pressão interior diminuir só um bocadito. Apesar de ser só um bocadito, essa diminuição de pressão é suficiente para que algum do líquido no interior da garrafa entre em ebulição, passando ao estado gasoso, e assim substituindo o gás que entretanto já tinha saído da garrafa.
Se voltarmos a fechar a válvula, o líquido continuará a vaporizar-se até que todo gás que saiu da garrafa seja reposto, e a pressão volta à pressão inicial. Numa botija de gás em repouso e sujeita a uma determinada temperatura exterior, a pressão interior é a mesma quer ela esteja cheia, quer contenha apenas uma nesga de butano ou propano em estado líquido.
No entanto, se mantivermos a válvula aberta durante bastante tempo, algo interessante acontece.
Tal como na panela de pressão, na qual a libertação da pressão fez a temperatura da água baixar de 120ºC para 100ºC, a diminuição da pressão interior de uma botija de gás também faz a temperatura do líquido baixar.
A diminuição da temperatura do butano ou propano líquido no interior da botija transmite-se às paredes das botijas, e esta transmissão é muito rápida se a botija for metálica.
Consoante as condições atmosféricas que envolvem a botija, esse arrefecimento do líquido no seu interior pode tornar-se visível do exterior, através da condensação da humidade do ar. Em casos extremos, quando está bastante frio, e quando o líquido contém mais propano que butano, a humidade condensada pode até chegar a congelar, formando-se um anel de gelo branco em torno da parte inferior da botija, precisamente até ao nível do líquido do seu interior.
Podemos explicar o arrefecimento da botija através do conceito de calor latente. Entende-se por calor latente a energia térmica que é necessário transmitir a uma substância para que ela passe de um estado sólido a um estado líquido, ou para que passe de um estado líquido a um estado gasoso.
De facto, para vaporizar água não basta apenas aquecê-la até 100ºC. Se o fizermos, ela permanecerá a 100ºC, mas sempre no estado líquido. Para vaporizarmos a água temos de fornecer à água que já está a 100ºC mais algum calor. Só então ela passará do estado líquido ao estado gasoso. E esse calor extra que temos de fornecer é o calor latente. Consequentemente, água gasosa a 100ºC tem mais energia térmica que água líquida a 100ºC, embora estejam ambas à mesma temperatura!
(podem procurar na Internet diversas demonstrações e explicações sobre o calor latente)
Voltemos à botija de gás. No momento em que abrimos a válvula, algum do líquido no seu interior transforma-se em gás. Mas, conforme acabámos de ver, a transformação do estado líquido para o estado gasoso requer energia térmica. Então, o líquido que se transforma em vapor vai "chupar" a energia térmica ao seu redor, ao líquido que não se transforma. Ao fazê-lo, faz com que todo o líquido arrefeça.
Portanto, temos um ponto assente: assim que usamos o gás da botija, a sua temperatura diminui.
Mas isso pode causar problemas à utilização do gás...
Já vimos antes que quando a pressão a que um líquido está sujeito diminui, a temperatura a que ele passa para o estado gasoso também diminui. Existe uma relação entre estes dois valores - pressão e temperatura de ebulição - e quando um diminui, o outro também diminui.
Portanto, quando a temperatura do líquido no interior da botija diminui, também a pressão diminui.
Uma maneira de visualizar este fenómeno é imaginar que a temperatura é uma medida do grau de agitação dos átomos e moléculas de uma substância. Assim, à medida que a temperatura de um líquido diminui, as suas moléculas e átomos ficam mais sossegados, e a sua tendência para se soltarem do restante líquido e passarem a vaguear livres como um gás diminui.
Recapitulemos: ao abrir a garrafa de gás, a pressão interior diminui um bocadinho, isso faz o líquido entrar em ebulição e uma parte do líquido transformar-se em gás, para repor a pressão. Mas nesse processo o líquido arrefece, e portanto a sua tendência para se tornar gasoso diminui. Portanto, se continuarmos a extrair gás de dentro da garrafa, a pressão interior da garrafa irá diminuir.
O resto é fácil de entender: se a pressão da garrafa diminui, o caudal de gás que pode ser extraído de dentro dela também diminui. Se estivermos a usar o gás num esquentador para aquecer água, a potência do esquentador irá diminuir, e a água deixará de estar tão aquecida.
Portanto, estamos a meio do nosso duche quente e a água quente começa a ficar morna e depois fria. O que é que podemos fazer?
A coisa mais simples que podemos fazer é simplesmente esperar. Porquê?
Enquanto esperamos, damos tempo para que a botija que arrefeceu volte a ficar à temperatura ambiente. Conforme já vimos, se a botija regressar à temperatura ambiente, e enquanto dentro dela existir nem que seja apenas um fundinho de gás, a sua pressão interior regressará ao valor inicial.
O tempo de espera permite-nos tentar responder a outra questão: mas então porque é que a água quente tende a ficar fria quando a garrafa está mais vazia?
À partida, a pergunta pode parecer parva. Afinal, se a garrafa está mais vazia, é porque tem menos gás, logo o esquentador não aquece tanto, e já está!
Mas se pensarmos mais um pouco podemos ver que a resposta não é assim tão simples.
De facto, conforme vimos, a pressão interior da botija é a mesma, quer a garrafa esteja cheia ou quase vazia.
Por outro lado, para um caudal constante de gás a ser retirado da garrafa, o calor latente que tem de ser fornecido ao líquido em cada segundo para ele se vaporizar também é constante.
Assim, se não temos problemas a usar uma garrafa cheia, é porque esse calor consegue fluir do meio ambiente para a garrafa, coisa que aparentemente não acontece quando a garrafa está quase vazia. Porquê?...
Por dois motivos. Primeiro, porque quando a garrafa está cheia, o calor que é retirado ao líquido para que algum dele se vaporize diminui pouco a temperatura do líquido. Ao contrário, quando a garrafa está quase vazia, o calor necessário para vaporizar o líquido arrefece muito o líquido que ainda resta, pelo simples facto de ele ser em pouca quantidade.
Segundo, porque a área de contacto entre o líquido e a parede da botija, através da qual se transfere o calor, é menor quanto menos líquido existir na garrafa.
Pronto, já esperamos suficiente. Estamos com o champô a cair para os olhos. Voltamos a abrir a torneira de água quente, esperamos um pouco e... sucesso! conseguimos que a água voltasse a sair quente!... Mas... infelizmente ela volta a ficar fria num instante!...
De facto, e pelos dois motivos que acabámos de referir, quanto mais vazia a garrafa está, mais rapidamente este fenómeno do arrefecimento se irá processar e mais vezes teremos de parar e esperar antes de recomeçar!!... Que seca!!... Ou melhor: que banho de água fria!...
Não há mesmo outra maneira?...
Há outras coisas que podemos fazer para tentar minorar este problema, embora de uma forma ou de outra, ele irá estar sempre lá: as relações físicas não se vão embora!
Imaginemos que queremos transportar uma coisa quente connosco e não queremos que ela arrefeça. Pode ocorrer-nos embrulhar essa coisa num cobertor. E essa é uma estratégia que resulta: ao criar uma barreira à volta do objecto que dificulta a transferência de calor do objecto para o meio envolvente.
Curiosamente, se quisermos transportar uma coisa fria e não quisermos que ela aqueça, nem todos se lembrarão de usar a mesma estratégia, isto é, de embrulhar a coisa num cobertor, apesar dessa estratégia funcionar bem, e pelos mesmos motivos: por criar uma barreira à volta do objecto que dificulta a transferência de calor do meio envolvente para o objecto.
No caso da botija, se ela arrefece e isso é que faz com que a sua pressão diminua, e se nós queremos que ela não arrefeça, pode ocorrer-nos tentar embrulhar a garrafa num cobertor. Porém, nesse caso o cobertor só iria dificultar!
O que a garrafa precisa para não arrefecer é de absorver calor do meio envolvente. Assim, a garrafa precisa do contrário de um cobertor: algo que permita que a transferência de calor entre a garrafa e o ar seja feita mais rapidamente!
Uma maneira de o fazer seria, por exemplo, construir uma estrutura de alumínio (ou outro metal que conduza bem o calor) com alhetas e colocar lá dentro a garrafa. Deste modo, aumentaríamos a superfície de contacto entre o metal e o ar. Seria como aumentar o tamanho de uma rede de pesca, neste caso para ir à pesca de calor.
Podemos também esperar por um dia mais quente... Ou colocar a botija dentro de casa, se o interior da casa for mais quente que o exterior... embora colocar botijas de gás dentro de casa seja geralmente uma má ideia. Uma maneira mais prática seria colocar a garrafa ao sol. Ou, se ela estiver dentro de um compartimento isolado, abrir as portas e permitir a circulação de ar para esse compartimento.
Mas todas estas formas de contornar o problema são pouco eficazes.
Uma forma muito mais eficaz de ultrapassar este problema é fornecer calor de uma fonte mais quente que o ar ambiente, directamente ao líquido que se vai transformar em gás.
Para o conseguir, o que se retira da botija não é o gás, mas sim o próprio líquido. Esse líquido é então transportado por um pequeno tubo e, imediatamente antes da válvula redutora que o irá fazer passar de líquido a gás, instalamos a nossa fonte de calor.
Isso é feito, por exemplo, nos fogões de campismo que estão especialmente preparados para ambientes muito frios. Nesses fogões, o tubo de líquido que sai da botija passa primeiro na própria chama do fogão, onde aquece, antes de ser convertido em vapor. Para esse efeito, o tubo é geralmente metálico. Assim, o calor latente necessário é extraído da própria chama, e a temperatura do líquido no interior da botija permanece inalterado, à temperatura ambiente.
Outro exemplo deste mecanismo é a utilização de gás de petróleo liquefeito (GPL, que não é mais que uma mistura de butano e propano) nos automóveis. O GPL pode ser aspirado juntamente com o ar que vai para dentro dos cilindros do motor, ou pode ser injectado directamente lá para dentro. Em qualquer caso, antes de isso acontecer, o GPL é aquecido com o calor do próprio motor, e portanto a temperatura do líquido no depósito permanece inalterada.
Mas... estes exemplos são muito bonitos... mas pouco práticos para quem está a meio de um duche que alterna entre o quente e o frio.
Bom... podemos sempre comprar uma botija cheia!
Mas, se comprarmos uma botija nova, teremos de devolver a que estávamos a usar, que nunca chega a estar completamente vazia. De facto, de cada vez que devolvemos uma botija de gás, devolvemos também um pouco de líquido. Tenho ideia que a Entidade Reguladora do Sector Energético (ERSE) decidiu em tempos que esse líquido remanescente tinha de ser pago à pessoa que devolve a garrafa, como é completamente justo, mas não consigo encontrar nada na Internet, o que não é surpreendente...
De qualquer modo, se vamos comprar outra botija, podemos optar por comprar uma botija de propano, em vez de uma botija de butano. Afinal, qual é a diferença destes gases?
O butano é um gás à temperatura e pressão normais, cujas moléculas possuem oito átomos de carbono e dez átomos de hidrogénio. Assim, a sua fórmula química pode escrever-se como C4H10. Uma forma simples de imaginar estes hidrocarbonetos, isto é, os compostos químicos cujas moléculas apenas contêm carbono e hidrogénio, é pensar que cada átomo de carbono gosta de estabelecer quatro ligações com os vizinhos. Assim, se colocarmos todos os átomos de carbono em linha, unidos uns aos outros, cada átomo do meio utiliza duas das suas ligações, enquanto os átomos das pontas utilizam apenas uma cada um. Assim, para preencherem as quatro ligações de cada um, cada átomo do meio irá unir-se a dois átomos de hidrogénio, e cada átomo das extremidades irá unir-se a três átomos de hidrogénio. Se fizerem as contas, verão que para 4 átomos de carbono, tem de haver 10 átomos de hidrogénio.
O propano é como o butano, mas só tem três átomos de carbono em cada molécula. Assim, se fizerem as contas, verão que só necessita de oito átomos de hidrogénio. A sua fórmula é assim C3H8.
Porque é que a fórmula química é importante? Bom, as moléculas de butano e propano são muito semelhantes, portanto hão-de ter características semelhantes. No entanto, as moléculas de butano são mais longas, e logo mais pesadas que as de propano. Consequentemente, o butano será mais denso que o propano, e a sua propensão a tornar-se em gás será menor que o propano. Finalmente, se queimarmos o butano, iremos extrair de cada molécula mais energia que do propano.
Quantificando, as características das duas substâncias são:
Vamos então fazer umas contas, para ver qual dos dois, butano ou propano, é mais barato para tomar um duche. Imaginemos que o caudal no duche é de 10L por minuto de água quente, que o duche é de 5 minutos, que a temperatura ambiente é de 20ºC e que a temperatura da água quente é de 50ºC.
Assim, iremos precisar de 50L de água quente. Como 1L de água pesa aproximadamente 1kg, iremos precisar de 50kg de água quente. Como cada mole de moléculas de água pesa cerca de 18g, 50kg equivale a cerca de 2778 moles. E como queremos aquecer isso de 20ºC para 50ºC, isto é 30 graus, iremos precisar de aproximadamente 6,283 MJ de energia.
Se usarmos butano, iremos necessitar de queimar 2,18 moles de moléculas de butano, o que equivale a cerca de 126,5g de butano. Se usarmos propano, só necessitaremos de 124,8g.
Assumindo que as botijas de butano e de propano custam o mesmo, por exemplo 25€, então o custo do duche usando butano será de 24,3 cêntimos, e usando propano será de 28,3 cêntimos.
Mas se o propano é mais caro que o butano, porque é que alguém haveria de o comprar?...
Precisamente porque o ponto de ebulição do propano é muito mais baixo que o do butano. Imaginemos que precisamos de usar botijas de gás que ficam no exterior da casa e que a temperatura do exterior baixa até 0ºC, ou que até fica negativa. Nessa circunstância, a botija de butano será completamente inútil, pois o ponto de ebulição do butano é superior a essa temperatura, e o líquido simplesmente irá querer continuar no seu estado líquido, mesmo que libertemos toda a pressão acumulada no interior da botija. Pelo contrário, uma botija de propano irá continuar a debitar gás, mesmo a essas temperaturas muito baixas.
No entanto, quando a botija de propano ficar quase vazia... iremos voltar ao problema do costume.
De qualquer modo, e a bem da saúde do planeta, o que todos devíamos fazer era reduzir o uso de água quente, e preferencialmente aquecer a água com painéis solares, ou com bombas de calor alimentadas por fontes de electricidade mais limpas.
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