OS CONCEITOS DA FÍSICA BÁSICA ENVOLVIDOS NAS TÉCNICAS FOTOTÉRMICAS E SUAS APLICAÇÕES

## OS CONCEITOS DA FÍSICA BÁSICA ENVOLVIDOS NAS TÉCNICAS FOTOTÉRMICAS E SUAS APLICAÇÕES

Erick Bernabé Zanelato 1 , Maria Priscila Pessanha de Castro 1 , Helion Vargas 1

1 Laboratório de Ciências Físicas, Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro erick@uenf.br

## Resumo

A atual situação educacional da maioria das escolas públicas no Brasil é de extrema preocupação. Diversos estudos em ensino de Física têm demonstrado as mais variadas dificuldades que os p profissionais s da área enfrentam, além da complicada relação destes com seus alunos. Pode -s -se perceber, r, além disso, , que a forma de como mo são transmitidos s os conteúdos aos alunos está muito distante do que propõe os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN). Em virtude desta situação, esse trabalho tentará auxixiliar a visão dos alunos em relação à Física, apresentando a Física Básica (a que é transmitida nas salas de aula no Ensino Médio) envolvida em m técnicas experimentais s de laboratório - as técnicas fototérmicas. Isto propõe uma aproximação entre conceito, prárática e atualidade. Serãrão apresentados s também, aplicações das s técnicas e como elas s funcionam m hoje, além dos parâmetros térmicos obtidos com cada uma . A amostra que estudaremos será o biodiesel Este material é importante tanto do ponto de vista social e econonômico como ambiental. l. Uma coconseqüência da sua importância e aplicabilidade , é que o atual governo nacional possui programa de incentivo à produção e ao consumo do biodiesel. Programa este já em execução nos postos de combustíveis pelo país. Portanto, pretetendemos, através da relação entre uma técnica empregada em um laboratório de pesquisa de uma Instituição de Ensino Superior e a Física ensinada na escola, motivar os alunos ao ensino de Física e mostrar sua aplicabilidade nas mais diversas áreas. Como resultados preliminares, algumas análises serão apresentadas de amostras do biodiesel feitas por meio da técnica de lelente térmica (L(LT) T) após serem transmitidas as relações entre conceito e prática.

## Palavras -c -chave

Caracterização, biodiesel, técnicas fototérmicasas, ensino de Física.

## Introdução

Tendo como base os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), a Física no Ensino Médio tem como papel principal formar indivíduos que tenham capacidade de formar idéias e entender fatos, processos e fenômenos naturais. No entatanto, os estudantes que ingressam, e muitos ainda que concluem o Ensino Médio acham a Física o "monstro" das disciplinas. Isso se deve ao fato de que existem grandes dificuldades tanto pelos alunos como pelos professores, além da falta de infraestrutura das escolas. Há uma grande distância entre o que é ensinado e o que é vivido pelos alunos. Também há falta de interdisciplinaridade por parte dos profissionais. Tudo isso contribui para uma apresentação de conteúdo vazia, e ainda complexa, dos conceitos para os alunos. Uma conseqüência desse fato é uma imagem de rejeição e pessimista em relação à Física.

Muitos alunos que ainda não sabem que área seguir, ou aqueles que já se decidem pela área de Humanas ou Biológicas, possuem certo desinteresse pela disciplina e rejeição, uma vez que já existe certo preconceito em relação à Física. Este trabalho visa a relação entre os conceitos transmitidos aos alunos em sala de aula com experimentos realizados em laboratórios científicos. Por isso a Física Básica que muitos alunos julgam ser desnecessária tem seu lado de grande importância e de grande aplicabilidade .

Para motivação dos alunos, algumas técnicas as fototérmicas foram escolhidas para maior facilidade de comparação entre a técnica e os conceitos básicos, além de possuir vários instrumentos ópticos e ter sua teoria fundamentada na termologia.

Nas técnicas fototérmicas que serão citadas, alguns conceitos de óptica e termologia são essenciais, principalmente reflexão, refração, espelhos e lentes. Já em relação às técnicas, a Lente Térmica, a Fotopiroelétrica e a Fotoacústica serão mencionadas de forma sucinta e objetiva.

Para concretizar a aplicabilidade da Física Básica, serão apresentados alguns resultados obtidos por meio da t técnica de lente térmica (LT). Esta terá maior ênfase por ser eficaz, rápida e possui uma configuração relativamente simples. É uma técnica que possibilita qualificar, certificar ar r e padronizar, ou seja, , analisar o grau de pureza do produto.

Como amostra de estudo, nada mais coerente que destacar um assunto em voga como o biodiesel. Uma área de estudos ainda não explorada e promissorora é a caracterização deste a partir da obtenção das propriedades térmicas. Com a possibilidade da escassez de combustíveis fósseis e também devido aos danos causados ao meio ambiente e à saúde, intensificou-se a pesquisa na busca de combustíveis alternativos. Uma alternativa atraente e bem visada é o biodiesel, um biocombustível que pode ter origem tanto animal como vegetal. São várias suas vantagens: é um combustível es tável, funciona bem em motores a diesel, tem baixa emissão de poluentes, pode ser misturado ao diesel, possui fácil produção , é seguro e pode ser utilizado para geração de energia.

## As As técnicas fototérmicas

As técnicas fototérmicas reúnem um grupo numeros o de métodos experimentais baseados na conversão de energia luminosa em calor. Nestas técnicas a energia luminosa incide de forma transiente ou periódica sobre o material investigado (que pode ser sólido, líquido ou gás) sendo parte desta energia absorvida a e parcialmente transformada em calor como resultado de processos de desexcitação dos níveis de energia atômicos e moleculares. A temperatura do material varia com a mesma periodicidade que a radiação incidente, induzindo variações em parâmetros da amostra como o índice de refração, a condutividade térmica, a difusividade térmica, entre outros.

A forma de detecção destas variações define as diferentes técnicas fototérmicas. A seguir, serão apresentados de forma sucinta os princípios das técnicas de lente térmica, fotoacústica e fotopiroelétrica. Diferentes modos de detecção que se enquadram na técnica fototérmica.

## Princípios da técnica de lente térmica a (LT)

A LT consiste na absorção da energia do feixe laser produzindo um aquecimento na região iluminada, e como a intensidade é maior em seu centro, uma distribuição radial da temperatura é criada, ocasionando uma variação no índice de refração em função do aquecimento, e conseqüentemente variando o caminho ótico percorrido pelo laser, como pode ser verificado na figura a seguir. Isto faz com que a região iluminada se comporte como uma lente que poderá mudar a intensidade do centro do feixe laser. Esta mudança depende das propriedades ópticas e térmicas do material analisado, tais como o coeficiente de absorção óptica (A), variação do índice de refração com a temperatura (dn/dT) e a difusividade térmica (D).

Figura 01: Formação da lente térmica na amostra

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Na montagem do experimento de lente tétérmica de feixe duplo utilizam - se duas configurações: modo casado e e modo descasado. No modo casado os dois feixes, o feixe de excitação e de prova, apresentam a mesma cintura do feixe na amostra, porém, devido ao diâmetro do laser de prova ser pequeno na posição da amostra, este modelo torna-se menos sensível por não conseguir captar uma quantidade considerável de dados. No caso do modo descasado, o feixe de excitação tem sua cintura na amostra e o feixe de prova tem a amostra na posição confocal, ou seja, fora da amostra como mostra a figura seguinte. Desta forma o diâmetrtro do feixe de excitação será menor que o feixe de prova aumentando a sensibilidade da técnica, podendo obter o maior número de informação. . Esse modelo do modo descasado que foi utilizado no Laboratório de Ciências Físicas (LCFIS), da UENF.

Figura 02: Lente térmica no modo descasado

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A figura abaixo apresenta o aparato experimental utilizado no LCFIS.

Figura 03: Aparato experimental de LT no LCFIS - - UENF

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## Princípios da técnica fotoacústica (PAS)

O sinal fotoacústico é gerado por vibrações mecânicas e, devivido à expansão e contração da própria amostra, gera ondas acústicas que são detectadas por um microfone que está acoplado a célula. As moléculas excitadas do gás colidem com as moléculas vizinhas retornando ao seu estado fundamental após perder alguma energrgia. A fonte de calor periódica, assim gerada, causa a expansão do gás que pode ser detectado como uma onda de pressão. Pode-se dizer que fotoacústica é um processo de transformar luz em som. Uma célula fotoacústica pode ser representada como a figura a segeguir.

Figura 04: Célula fotoacústica convencional

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A espectroscopia fotoacústica é um método que permite a obtenção de espectros de absorção ótica de sólidos, semi sólidos, líquidos e gases. É uma técnica versátil, que permite a análise de amostras tanto ópticamente opacas quanto transparentes. Ademais, luz espalhadas pela amostra, que constitui um sério problema nas demais técnicas de espectroscopia ótica, não provoca nenhum problema relevante para a fotoacústica, uma vez que apenas luz absorvida pela amostra é convertida no sinal desejado. Por outro lado, esta técnica, na maioria dos casos, não exige uma preparação rigorosa da amostra. Mais ainda: por ser uma técnica não destrutiva, permite o acompanhamento da mesma amostra quando submetida à diversos tratamentos químicos, térmicos, físicos, etc. Os espectros de absorção fotoacústica fornecem elementos importantes no estudo das bandas de energia de um dado elemento, uma vez que permite a atribuição das transições óticas envolvidas.

Um espectrômetro fotoacústico é composto basicamente de uma fonte de radiação, uma célula ou câmara de amostra e um detector. Um moderno espectrômetro usa como fonte de luz um lâmpada de alta potência luminosa ou um laser, um modulador mecânico ou eletro-ótico (chopper), um microfone sensível e um amplificador lock-k-in. Há dois tipos de câmara fotoacústica: a ressonante, quando a freqüência de modulação corresponde àquela de sua ressonância, a câmara atua como um amplificador de alto fator Q, e a não ressonante, a qual é pequena e de baixo fator Q. A figura a seguir apresenta uma possível configuração para montagem da técnica fotoacústica.

Figura 05: Aparato experimental para técnica fotoacústica

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## Princípios da técnica fotopiroelétrica (PPE)

Esta técnica recebe esse nome porque e o sensor utilizado para detecção do sinal utilizado possui a característica piroelétrica. Materiais piroelétricos podem gerar cargas elétricas devido ao aquecimento não uniforme, o que é atribuído à mudança na magnitude dos dipolos elétricos com a variação de temperatura. Os detectores piroelétricos são extremamente utilizados como sensores de temperatura devido a sua extrema sensibilidade.

Há duas configurações: standard, ou SPPE (para medidas de difusividade térmica) e inversa, ou IPPE (para medidas de efusividade térmica). A figura abaixo representa a célula PPE para ambas as configurações.

Figura 06:Célula PPE nas configurações standard e inversa

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Para aquisição dos dados, uma organização deve ser definida em relação à célula PPE, computador, lock-k-in, modulador, controlador de temperatura e o laser. A

figura a seguir representa como são feitas as interfaces e como pode ser organizado o experimento.

Figura 07: Montagem experimental da técnica fotopiroelétrica

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Para todas as técnicas, é muito interessante realizar medidas com variação de temperatura, uma vez que seu acompanhamento com o tempo, em temperatura fixa, permite estudar o grau de maturação, o envelhecimento, efeitos da armazenagem, entre outros aspectos, para cada tipo de amostra.

## Relação da Física Básica com as s técnicas citadas

As técnicas relacionadas fazem uso tanto dos conceitos básicos da termologia como da óptica. Referindo-nos aos conceitos básicos aplicados à nossa montagem, temos os seguintes pontos:

- -O estudo da irradiação térmica expxplica como a amostra se aquece com radiação laser, ou como a radiação laser se propaga até seu alvo;
- -A condutividade térmica explica como o calor se espalha pela amostra;
- -Diferenciar os conceitos de temperatura e calor são princípios básicos;
- -Sem o uso de espelhos e os conceitos de reflexão, o alinhamento dos lasers seria complexo;
- -O uso de lentes no caminho do feixe de laser ajuda na focalização do feixe sobre o o alvo;
- -O conceito de refração é meramente importante na técnica de LT, uma vez que o sinal obtido tem origem na mudança do índice de refração da amostra, entre outros mínimos detalhes.

## Biodiesel

Biodiesel é o nome de um combustível produzido através de recursos renováveis e possui combustão mais limpa se comparado à dos combustíveis fósseis. O biodiesel está isento da utilização do petróleo (recurso esgotável e de queima nociva ao ambiente), mas como forma de amenizar as conseqüências da queima do diesel puro, o biodiesel pode ser adicionado a ele formando uma mistura. A utilização deste biocombustível pode ser feita sem qualquer modificação em motores a diesel. Além disso, não é tóxico, é biodegradável e é simples de ser usado. (PARENTE, 2003).

Algumas vantagens deste biocombustível são:

- -Baixo risco de explosão por precisar de uma fonte de calor acima de 148°C para queimar (ou seja, fácil de transportar e armazenar);
- -Ótima lubrificação e maximização da vida útil do motor;
- -A princípio, não é necessário realizar mudanças nos motores, tanto de caminhões ou tratores, ou qualquer outra máquina movida a diesel.
- -Melhora na saúde pública e qualidade de vida devido à menor emissão de gases poluentes, como CO2 ou enxofre.

Ele pode ser produzido adicionando álcool ao óleo. Esta mistura passa por um processo de transesterificação na qual se utiliza um catalisador e deste processo origina-s-se o éster. Neste processo, quando for utilizado o metanol como álcool, o resultado será um éster metílico. Ou então, quando o etanol (oriundo da cana de açúcar) for utilizado, o que se formará será um éster etílic o. Em ambos os processos se têm a produção da glicerina como subproduto, fato que pode aumentar a competitividade do biodiesel, pois esta substância pode ser utilizada como matériaprima na produção de tintas, adesivos, produtos farmacêuticos ou têxteis, etc.

Figura 08: Processo químico para produção do biodiesel

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O Brasil, com todo seu território, tem um grande potencial para a produção do referido biocombustível. Para favorecer esse avanço, o governo brasileiro implantou uma lei de adição de biodiesel ao diesel comum nos postos de gasolina, o que ajudará não só ao meio ambiente, mas também à economia nacional com a redução de importação de derivados do petróleo. Além das plantas oleaginosas, este combustível pode ser fabricado usando gordura animal, como sebo de boi porco e até gordura de peixe.

## Resultados

## Resultados da difusividade térmica do biodiesel utilizando a LT

Uma vez já apresentada a aplicação da Física Básica em experimentos, nada mais coerente do que mostrar agora, a aplicação desses experimentos. Aqui serão apresentadas algumas medidas do biodiesel utilizando a técnica de LT. A motivação para o estudo desses componentes do biodiesel segue à frente no texto.

Além disso, os resultados obtidos para estas amostras possuem explicação na Química Básica, também ensinada na escola de Ensino Médio, como peso molecular e número de ligações duplas.

As amostras que foram analisadas para este trabalho foram produzidas pelo Laboratório de Ciências Químicas LCQUI da UENF. Estatas amostras são compostos do biodiesel, ou seja, componentes que formarão o biodiesel como produto final.

Para essas medidas usamos a configuração experimental mais sensível para técnica de LT: duplo feixe no modo descasado, como já foi mencionado. Para o feixe de excitação usamos um laser r de argônio (Ar+) com comprimento de onda 488nm, com foco exatamente sobre a amostra para maior excitação. Para o feixe de prova foi utilizado um laser de He-Ne com comprimento de onda 632,8nm. Além disso, a amostra foi colocada numa cubeta de quartzo de 2mm.

Os componentes que analisamos foram linoleato de etila, linolenato de etila, estearato de etila, miristato de etila, ethyl erucate, ricinoleato, palmitato C, oleato de etila e as misturas de estearato de etila com palmitato de etila 1:1 e 4:3. O estudo desses compostos é importante para certificação do produto final. Cada biodiesel de diferente origem de oleaginosa possui diferentes concentrações desses compostos. Essa concentração também varia de região para região, mesmo que para mesma matéria -prima. A principal diferença entre esses compostos está no peso molecular e no número de ligações simples e duplas entre os átomos. A figura a seguir apresenta a estrutura química de cada um deles. A figura posterior mostra uma curva típica do sinal de LT para uma amostra divergente.

Figura 0 09: Estrutura química de alguns compostos do biodiesel

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Figura 10: Sinal de LT para o Linolenato de Etila

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A tabela a seguir mostra a difusividade térmica encontrada para cada componente do biodiesel.

Tabela 1: Tabela com valores de difusividade para alguns componentes do biodiesel

Os ésteres com maiores pesos moleculares foram os que apresentaram maior difusividade térmica, ou seja, há uma tendência no aumento da difusividade com o aumento do número de carbonos para os ésteres etílicos graxos. Para ésteres com mesmo número de carbonos, mas com diferentes números de ligações duplas entre carbonos (grau de insaturação), nota-se uma tendência do aumento do valor da difusividade térmica com a diminuição do grau de insaturação, exceto para o linoleato de etila, sendo justamente esta a medida com maior erro.

## Conclusões preliminares

Este trabalho foi realizado com o intuito de ser um importante meio de divulgação científica, e desta forma, pode ser utilizado tanto no meio educacional como no meio social. Por meio das comparações feitas entre o que se estuda no Ensino Médio com os métodos utilizados no laboratório, algumas perguntas do tipo

"para que isso serve?", freqüentemente feitas pelos alunos, poderia ser além de respondida, exemplificada e mostrada de maneira simples e clara.

Em relação aos resultados obtidos e sabendo que a difusividade é relacionada ao tamanho das moléculas, os resultados presentes neste trabalho indicam que a aplicação das técnicas fototérmicas pode ser utilizada para avaliar as propriedades térmicas do biodiesel, sugerindo que os métodos podem ser adotados como um caminho alternativo para certificação do biodiesel. Além de certificar, essa técnica, por sua sensibilidade, pode qualificar e padronizar o biodiesel como produto final.

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