A reinvenção da geladeira Efeito MagnetoCalórico EMC

Refrigerador Pioneiro: General Electric “Monitor-Top" - 1927. Compressor no topo + 1,000,000 unidades produzidas. dióxido de enxofre – corrosivo aos olhos – perda da visão – queimaduras doloridas na pele Methyl formate – altamente inflamável – corrosivo aos olhos – tóxico se inalado ou ingerido Muitas destas unidades ainda funcionam até hoje, mas não podem ser legalmente recarregadas.

Refrigerador de absorção: Utiliza uma fonte de calor (solar, querosene, gás, etc). Útil para onde não há energia elétrica. Usa amônia em vez de HCFC Princípio: - Utiliza um refrigerante com baixo (sub-zero) ponto de ebulição. Quando o refrigerante evapora ou ferve ele leva junto o calor (o mesmo princípio que os refrigeradores a compressor). - Faz o refrigerante voltar a ser líquido usando um método que necessita somente uma fonte de calor e não possui partes móveis.

Refrigeração termo-elétrica (efeito Peltier) 5–10% da eficiência do refrigerador ideal (ciclo de Carnot), comparado com 40–60% alcançado pelo sistema convencional dos sistemas a compressores. Usado em - acampamentos, satélites, secadores de ar - detetores de fotons CCDs em telescópios astronômicos ou câmaras digitais especiais, - “coolers” para componentes de computadores (“overclocking”) Coleman", 12V-4.5A (55W).

Refrigeradores comerciais a compressor ( os mais comuns) indústrias, residências e casas comerciais Princípio: compressão e descompressão de um gás. Fonte de energia: rede elétrica Consumo: rendimento 40% (relativo ao rendimento de Carnot) O gás usado geralmente é um freon: compostos de cloro, flúor e carbono (os chamados CFCs) ou de hidrogênio, cloro, flúor e carbono (os HCFCs). Tais gases, são apontados como os principais responsáveis pela destruição da camada de ozônio existente na atmosfera, que protege todos os seres vivos da radiação ultravioleta produzida pelo Sol.

ozone depletion potentials (ODP), global warming potentials (GWP), http://www.epa.gov/Ozone/science/ods/index.html

1,1,1,2-Tetrafluoroethane Genetron 134a HFA-134a HFC-134a R-134a Suva 134a Norflurane Insignificante ODP (camada de ozônio), Significante GWP = 1300 (aquecimento global) (GWP do dióxido de carbono é definido como = 1.0) - Insignificante potencial de acidificação (chuva ácida)

Imagem do maior buraco de Ozônio Ozônio está na estratosfera (10-50 Km), filtra UV de baixo comprimento de onda (<320 nm), e representa apenas 0.00006% da atmosfera. O2 + photon (< 240 nm) → 2 O O + O2 → O3 O3 é destruído por reação com oxigênio atômico: O3 + O → 2 O2 Reação esta que é catalisada na presença de certos radicais livres, hydroxilas (OH), óxido nítrico (NO) e cloro (Cl) e bromo (Br) atômicos. CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O3 → Cl + 2 O2 Um único átomo Cl pode ficar destruindo O3 por até dois anos ! Um único átomo Cl é capaz de reagir com 100,000 O3. Imagem do maior buraco de Ozônio (Setembro 2006).

1805 - Oliver Evans, inventor americano - evaporação de éter 1834 - Jacob Perkins, americano - compressão de vapor, utilizando éter sulfúrico, técnica utilizada até hoje. Substâncias refrigerantes - alta toxicidade ou inflamabilidade. 1928 - Thomas Midgley, engenheiro americano - desenvolveu os CFC, compostos com cloro, flúor e carbono – não-tóxicos, não-inflamáveis, não-corrosivos e sem odor. Essas substâncias foram usadas sem restrição até que, 1974 - Sherwood Rowland, americano e Mario Molina, mexicano, descobriram que poderiam destruir a camada de ozônio na alta atmosfera, fato confirmado, em 1985 - pela British Antarctic Survey. 1995 - A descoberta de Molina e Rowland garantiu-lhes o Prêmio Nobel de Química. 1987 - Protocolo de Montreal 1998 - Protocolo de Kyoto As fábricas de refrigeradores passaram a trocar então os CFCs pelo hidrofluorcarbono (HFC), também prejudicial à camada de ozônio em alguma medida e fortemente contribuintes ao aquecimento global. No contexto atual, a busca por novas tecnologias de refrigeração tem sido uma constante.

Refrigerador por Desmagnetização Adiabática (RDA) ou Novo princípio: Refrigerador por Desmagnetização Adiabática (RDA) ou Adiabatic Demagnetization Refrigerator (ADR)

Bússolas: navegação chineses 1115 d.c. Magnetismo – anterior a 1700 d.c. Magnetita – Fe3O4 Ferrimagnético – Tc = 858 K Bússolas: navegação chineses 1115 d.c. Diziam que Arquimedes utilizou um imã para arrancar os pregos de um navio inimigo e o afundou!

1800 – A descoberta do eletromagnetismo 1820  -  Hans Christian Oersted mostrou que a corrente elétrica em um fio orienta uma bússola perpendicularmente. 1820  -  Andre Marie Ampere, mostrou a força entre dois fios com corrente. 1831  -  Michael Faraday mostra que correntes dependentes do tempo em um circuito induz correntes em circuitos vizinhos.

Porque os magnetos se parecem com solenóides? Magnetismo na matéria Porque os magnetos se parecem com solenóides? Solenóide Magneto A linhas de campo do solenóide “imitam” as do magneto!

Mecânica Quântica Correntes atômicas? Será que podemos entender o magneto em termos de correntes permanentes que circulam nas órbitas atômicas dos átomos de ferro? Além do movimento orbital, o elétron também gira (spin) em torno do seu próprio eixo (como a Terra). A corrente associada a este movimento intrínseco dá origem ao campo magnético do Ferro. Em algumas substâncias os elétron giram em diferentes eixos e o magnetismo se cancela. Correntes atômicas? No caso do Ferro, por razões “misteriosas”, muitos elétrons giram com os seus eixos alinhados e por este motivo o Ferro é magnético. A discussão completa deste assunto é uma questão profunda da mecânica quântica.

Alguns tipos de magnetismo M : momento magnético / unidade de volume B : intensidade do campo macroscópico aplicado  : susceptibilidade por unidade de volume M =  B Diamagnetismo Diamagnetismo é comum a quase todos os materiais mas é normalmente pequeno comparado com outros tipos de magnetismo. Sua origem é orbital (blindagem). É caracterizado por uma susceptibilidade magnética negativa e independente da temperatura.

Alguns tipos de magnetismo Paramagnetismo Em um paramagneto ideal não há acoplamento entre os momentos magnéticos intrínsecos (spin) de diferentes átomos. A orientação de cada momento é perturbada pelo efeito térmico. Alinhamento parcial é induzido pelo campo aplicado. Paramagnetismo ideal é caracterizado por uma susceptibilidade de Curie.

Alguns tipos de magnetismo Ferromagnetismo Antiferromagnetismo

Ferromagnetismo Modelo simples no qual um pequeno campo aplicado pode orientar os momentos magnéticos, resultando em uma multiplicação do campo aplicado. Em vez de reorientação, o que mais ocorre é o crescimento de domínios paralelos ao campo, às custas da diminuição dos outros. Este é o caso ao lado, que representa uma imagem do que é realmente observado em cristais de Níquel.

temperatura de Curie (K) alguns materiais ferromagnéticos Material temperatura de Curie (K) Fe 1043 Co 1388 Ni 627 Gd 293 Dy 85 CrBr3 37 Au2MnAl 200 Cu2MnAl 630 Cu2MnIn 500 EuO 77 EuS 16.5 MnAs 318 MnBi 670 GdCl3 2.2 Fe2B 1015 MnB 578 Temperaturas de Curie de alguns materiais ferromagnéticos Os efeitos magnetocalóricos nos compostos ferromagnéticos são maiores em torno da temperatura de Curie (diferente para cada material).

Ferrofluido sobre um vidro Misturas coloidais compostas de nanopartículas ferro ou ferrimagnéticas, suspensas em um fluido, usualmente solvente orgânico ou água. Zoom Ferrofluido sobre um vidro com um magneto abaixo Paramagnetismo e super-paramagnetismo Sêlos de rotores em HD Condução de calor e redução de ressonâncias em alto-falantes Suspensão de automóveis controladas por computador máquinas de academias de ginástica

Refrigeração Magnética Efeito Magnetocalórico Temperatura de Curie 293 K (200C) Gadolínio Refrigeração Magnética Efeito Magnetocalórico

1881 – descoberta do efeito magnetoclórico. 1926 – ADR por inclusão de sais paramagnéticos (1-100 mK): 3He/4He – 0.3 K 1932 – prêmio Nobel de Física ao trabalho que levou à construção do primeiro ADR. Até 1997, o efeito magneto-calórico era restrito apenas nos materiais que apresentavam transição magnética de 2a segunda ordem: gadolínio, ferro e níquel. Em 1997, descobriram materiais que registravam transição de 1a ordem: Gd5Ge2Si2. O efeito associado, bem maior, foi então denominado magnetocalórico gigante. Unicamp + UERJ :: manganês + arsênio + alta pressão  efeito 20 vezes maior que o do Gd. MnAs (arsenieto de manganês) e derivados dele. Efeito foi denominado de magnetocalórico colossal, porque ultrapassa em muito o efeito gigante e também o limite magnético esperado para esses materiais. Variação das diferenças de entropia verificada nos materiais utilizados ao longo do tempo, desde a descoberta do efeito: Convencional: 10 joule/kg.K Gigante: 40/50 joule/kg.K na pressão ambiente Colossal: 300 joule/kg.K na pressão de 2300 atm 300 joule/kg.K também se observa na recente descoberta em que se utilizou dopagem do arsenieto de manganês com ferro e pressão ambiente. Neste caso, os átomos de ferro determinaram a diminuição do volume do retículo cristalino, como se ele estivesse submetido a pressão externa.

Ao se aplicar 2 tesla de campo magnético ao Gd consegue-se uma alteração na temperatura de 5.6oC, em um processo adiabático. Em um processo isotérmico, pode-se fazer com que 1 Kg do material troque com o reservatório térmico cerca de 360 calorias. Um quilo do metal 99,9% puro pode custar US$ 6.500. O preço, porém, não é o único obstáculo. Metais lantanídeos oxidam com facilidade, alterando seu potencial magnetocalórico. lantanídeos com semimetais ou metais de transição, como gadolínio-silício-germânio, lantânio- ferro-cobaltosilício, lantânio-ferro-silício-hidrogênio, semimetais e metais de transição sem lantanídeos, como níquel-manganêsgálio, manganitas, ou óxidos de manganês.

O refrigerador magnético As amplitudes da entropia magnética e da mudança adiabática da temperatura dependem do processo que produz a ordem magnética: a amplitude é geralmente pequena em antiferromagnetos, ferrimagnetos e em vidros de spin; pode ser grande em ferromagnetos com transição magnética de 2a ordem; e bem maior em ferromagnetos com transição magnética de 1a ordem.

Referências 1 - Mário Reis, Scientific American Brasil, março 2005 2 – wikipedia 3 – Artigos da UNICAMP