Poluição térmica: características, consequências, exemplos - Ciência - 2023

Contente

o poluição térmica ocorre quando algum fator causa uma alteração indesejável ou prejudicial na temperatura ambiente. O meio ambiente mais afetado por essa contaminação é a água, mas também pode afetar o ar e o solo.

A temperatura média do meio ambiente pode ser alterada tanto por causas naturais quanto por ações humanas (antropogênicas). As causas naturais incluem incêndios florestais não provocados e erupções vulcânicas.

Entre as causas antrópicas estão a geração de energia elétrica, a produção de gases de efeito estufa e os processos industriais. Da mesma forma, os sistemas de refrigeração e ar condicionado contribuem.

O fenômeno de poluição térmica mais relevante é o aquecimento global, que implica um aumento da temperatura média planetária. Isso se deve ao chamado efeito estufa e às contribuições líquidas de calor residual dos humanos.

A atividade que mais gera poluição térmica é a produção de eletricidade a partir da queima de combustíveis fósseis. Ao queimar carvão ou derivados de petróleo, o calor é difundido e o CO2, o principal gás de efeito estufa, é produzido.

A poluição térmica provoca alterações físicas, químicas e biológicas que impactam negativamente a biodiversidade. A propriedade mais relevante das altas temperaturas é seu poder catalítico e inclui as reações metabólicas que ocorrem nos organismos vivos.

Os seres vivos requerem condições de certa amplitude de variação de temperatura para sobreviver. É por isso que qualquer alteração desta amplitude pode implicar na diminuição das populações, na sua migração ou na sua extinção.

Por outro lado, a poluição térmica afeta diretamente a saúde humana causando exaustão pelo calor, choque térmico e agrava as doenças cardiovasculares. Além disso, o aquecimento global faz com que as doenças tropicais expandam seu alcance geográfico de ação.

A prevenção da poluição térmica requer a modificação dos modos de desenvolvimento econômico e dos hábitos da sociedade moderna. Isso, por sua vez, implica a implementação de tecnologias que reduzam o impacto térmico no meio ambiente.

Alguns exemplos de poluição térmica são apresentados aqui, como a central nuclear de Santa María de Garoña (Burgos, Espanha) que operou entre 1970 e 2012. Esta central despejou água quente do seu sistema de refrigeração no rio Ebro, aumentando a sua temperatura natural até 10 ºC.

Outro caso característico de poluição térmica é proporcionado pelo uso de aparelhos de ar condicionado. A proliferação desses sistemas para reduzir a temperatura aumenta a temperatura de uma cidade como Madrid em até 2ºC.

Por fim, o caso positivo de uma empresa produtora de margarina no Peru que utiliza água para resfriar o sistema e a água quente resultante é devolvida ao mar. Assim, conseguiram economizar energia, água e reduzir a contribuição da água quente ao meio ambiente.

Caracteristicas

- Calor e poluição térmica

A poluição térmica é derivada da transformação de outras energias, uma vez que toda energia quando implantada gera calor. Consiste na aceleração do movimento das partículas do meio.

Portanto, o calor é uma transferência de energia entre dois sistemas que estão em temperaturas diferentes.

A temperatura

Temperatura é uma quantidade que mede a energia cinética de um sistema, ou seja, o movimento médio de suas moléculas. O referido movimento pode ser de translação como em um gás ou vibrações como em um sólido.

É medido por um termômetro, do qual existem vários tipos, sendo os mais comuns o de dilatação e o eletrônico.

O termômetro de expansão é baseado no coeficiente de expansão de certas substâncias. Essas substâncias, quando aquecidas, se alongam e sua ascensão marca uma escala graduada.

O termômetro eletrônico é baseado na transformação de energia térmica em energia elétrica traduzida em escala numérica.

A escala mais comum utilizada é a proposta por Anders Celsius (ºC, graus Celsius ou centígrados). Nele, 0 ºC corresponde ao ponto de congelamento da água e 100 ºC ao ponto de ebulição.

- Termodinâmica e poluição térmica

A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda as interações do calor com outras formas de energia. A termodinâmica contempla quatro princípios fundamentais:

- Dois objetos com temperaturas diferentes trocarão calor até atingirem o equilíbrio.

- A energia não é criada nem destruída, apenas transformada.

- Uma forma de energia não pode ser totalmente transformada em outra sem perda de calor. E o fluxo de calor será do meio mais quente para o menos quente, nunca o contrário.

- Não é possível atingir uma temperatura igual a zero absoluto.

Esses princípios aplicados à poluição térmica determinam que todo processo físico gera transferência de calor e produz poluição térmica. Além disso, pode ser produzido aumentando ou diminuindo a temperatura do meio.

O aumento ou diminuição da temperatura é considerado poluente quando está fora dos parâmetros vitais.

- Temperatura vital

A temperatura é um dos aspectos fundamentais para a ocorrência da vida como a conhecemos. A faixa de variação de temperatura que permite a maior parte da vida ativa varia de -18ºC a 50ºC.

Os organismos vivos podem existir em estado latente nas temperaturas de -200 ºC e 110 ºC, porém são casos raros.

Bactéria termofílica

Certas bactérias chamadas termofílicas podem existir a temperaturas de até 100ºC, desde que haja água no estado líquido. Esta condição ocorre em altas pressões no fundo do mar em áreas de fontes hidrotermais.

Isso indica que a definição de poluição térmica em um meio é relativa e depende das características naturais do meio. Da mesma forma, está relacionado às necessidades dos organismos que habitam uma determinada área.

Ser humano

Em humanos, a temperatura corporal normal varia de 36,5ºC a 37,2ºC e a capacidade homeostática (para compensar as variações externas) é limitada. Temperaturas abaixo de 0 ºC por longos períodos e sem nenhuma proteção artificial causam a morte.

Da mesma forma, temperaturas acima de 50 ºC em uma base constante são muito difíceis de compensar a longo prazo.

- Poluição térmica e meio ambiente

Na água, a poluição térmica tem um efeito mais imediato, pois o calor se dissipa mais lentamente aqui. No ar e no solo, a poluição térmica tem efeitos menos violentos porque o calor se dissipa mais rapidamente.

Por outro lado, em áreas pequenas, a capacidade do ambiente de dissipar grandes quantidades de calor é muito limitada.

Efeito catalítico do calor

O calor tem um efeito catalítico nas reações químicas, ou seja, acelera essas reações. Esse efeito é o principal fator pelo qual a poluição térmica pode ter consequências negativas para o meio ambiente.

Assim, alguns graus de diferença de temperatura podem desencadear reações que de outra forma não ocorreriam.

Causas

- Aquecimento global

A Terra passou por ciclos de altas e baixas temperaturas médias ao longo de sua história geológica. Nestes casos, as fontes de aumento da temperatura do planeta eram de natureza natural, como o sol e a energia geotérmica.

Atualmente, o processo de aquecimento global está associado às atividades realizadas pelo ser humano. Neste caso, o principal problema é a diminuição da taxa de dissipação do referido calor para a estratosfera.

Isso ocorre principalmente devido à emissão de gases de efeito estufa pela atividade humana. Isso inclui a indústria, o tráfego de veículos e a queima de combustíveis fósseis.

O aquecimento global hoje representa o maior e mais perigoso processo de poluição térmica que existe. Além disso, a emissão de calor do uso global de combustíveis fósseis adiciona calor adicional ao sistema.

- Usinas termelétricas

Uma usina termelétrica é um complexo industrial projetado para produzir eletricidade a partir de combustível. O referido combustível pode ser fóssil (carvão, petróleo ou derivados) ou um material radioativo (urânio por exemplo).

Este sistema requer resfriamento das turbinas ou reatores e para isso é utilizada água. Na sequência de resfriamento, um grande volume de água é retirado de uma fonte fria e conveniente (um rio ou mar).

Posteriormente, as bombas o forçam através de tubos que são circundados pelo vapor quente de exaustão. O calor passa do vapor para a água de resfriamento e a água aquecida é devolvida à fonte, trazendo o excesso de calor para o ambiente natural.

- Incendios florestais

Os incêndios florestais são um fenômeno comum hoje, sendo em muitos casos causados direta ou indiretamente por seres humanos. A queima de grandes massas florestais transfere enormes quantidades de calor principalmente para o ar e para o solo.

- Dispositivos de ar condicionado e sistemas de refrigeração

Os dispositivos de ar condicionado não apenas alteram a temperatura da área interna, mas também causam desequilíbrios na área externa. Por exemplo, os aparelhos de ar condicionado dissipam para o exterior 30% mais do que o calor que extraem do interior.

De acordo com a Agência Internacional de Energia, existem cerca de 1.600 milhões de aparelhos de ar condicionado no mundo. Da mesma forma, geladeiras, geladeiras, adegas e qualquer equipamento projetado para baixar a temperatura em um recinto fechado geram poluição térmica.

- Processos industriais

Na verdade, todos os processos de transformação industrial envolvem a transferência de calor para o meio ambiente. Algumas indústrias fazem isso a taxas particularmente altas, como liquefação de gás, metalurgia e produção de vidro.

Gases liquefeitos

As indústrias de regaseificação e liquefação de vários gases industriais e médicos requerem processos de refrigeração. Esses processos são endotérmicos, ou seja, absorvem calor por meio do resfriamento do meio ambiente.

Para isso, utiliza-se água que retorna ao meio ambiente com temperatura inferior à inicial.

Metalúrgico

Os altos-fornos de fundição emitem calor para o meio ambiente, pois atingem temperaturas acima de 1.500 ºC. Por outro lado, os processos de resfriamento dos materiais utilizam água que reingressa no ambiente a uma temperatura mais elevada.

Produção de vidro

Nos processos de fusão e moldagem do material, são atingidas temperaturas de até 1.600 ºC. Nesse sentido, a poluição térmica gerada por esta indústria é considerável, principalmente no ambiente de trabalho.

- Sistemas de iluminação

Lâmpadas incandescentes ou holofotes e lâmpadas fluorescentes dissipam energia na forma de calor para o ambiente. Devido à alta concentração de fontes de iluminação nas áreas urbanas, esta se torna uma fonte de poluição térmica significativa.

- Motores de combustão interna

Os motores de combustão interna, como os dos automóveis, podem gerar cerca de 2.500ºC. Esse calor é dissipado para o meio ambiente por meio do sistema de resfriamento, especificamente pelo radiador.

Levando em consideração que centenas de milhares de veículos circulam diariamente em uma cidade, é possível inferir a quantidade de calor transferida.

- centros urbanos

Na prática, uma cidade é uma fonte de poluição térmica devido à existência nela de muitos dos fatores já mencionados. No entanto, uma cidade é um sistema cujo efeito térmico forma uma ilha de calor no seu entorno.

Efeito albedo

Albedo se refere à capacidade de um objeto de refletir a radiação solar. Além da contribuição calórica que cada elemento presente (automóveis, residências, indústrias) pode dar, a estrutura urbana exerce uma sinergia significativa.

Por exemplo, materiais em centros urbanos (principalmente concreto e asfalto) têm um baixo albedo. Isso faz com que fiquem muito quentes, o que junto com o calor emitido pela atividade na cidade aumenta a poluição térmica.

Contribuições líquidas do calor urbano

Várias investigações mostraram que a geração de calor pelas atividades humanas durante um dia quente em uma cidade pode ser muito alta.

Por exemplo, em Tóquio, há uma entrada líquida de calor de 140 W / m2, equivalente a um aumento de temperatura de aproximadamente 3 ºC. Em Estocolmo, a contribuição líquida é estimada em 70 W / m2, equivalente a um aumento de 1,5 ºC na temperatura.

Consequências

- Mudanças nas propriedades físicas da água

O aumento da temperatura da água como resultado da poluição térmica provoca mudanças físicas na mesma. Por exemplo, reduz o oxigênio dissolvido e aumenta a concentração de sais, afetando os ecossistemas aquáticos.

Em corpos d'água sujeitos a mudanças sazonais (congelamento no inverno), a adição de água quente altera a taxa de congelamento natural. Isso, por sua vez, afeta os seres vivos que se adaptaram a essa sazonalidade.

- Impacto na biodiversidade

Vida aquática

Nos sistemas de resfriamento de termelétricas, a exposição a altas temperaturas produz um choque fisiológico para determinados organismos. Nesse caso, são afetados fitoplâncton, zooplâncton, ovos e larvas do plâncton, peixes e invertebrados.

Muitos organismos aquáticos, especialmente peixes, são muito sensíveis à temperatura da água. Na mesma espécie, a faixa de temperatura ideal varia dependendo da temperatura de aclimatação de cada população específica.

Devido a isso, as variações de temperatura causam o desaparecimento ou migração de populações inteiras. Assim, a descarga de água de uma termelétrica pode aumentar a temperatura em 7,5-11 ºC (água doce) e 12-16 ºC (água salgada).

Esse choque térmico pode levar à morte rápida ou induzir efeitos colaterais que afetam a sobrevivência das populações. Entre outros efeitos, o aquecimento da água diminui o oxigênio dissolvido na água, causando problemas de hipóxia.

Eutrofização

Esse fenômeno afeta gravemente os ecossistemas aquáticos, causando até o desaparecimento de vida nos mesmos. Começa com a proliferação de algas, bactérias e plantas aquáticas como resultado de contribuições artificiais de nutrientes para a água.

À medida que as populações desses organismos aumentam, eles consomem o oxigênio dissolvido na água, causando a morte de peixes e outras espécies. O aumento da temperatura da água contribui para a eutrofização, reduzindo o oxigênio dissolvido e concentrando sais, favorecendo o crescimento de algas e bactérias.

Vida terrestre

No caso do ar, as variações de temperatura afetam os processos fisiológicos e o comportamento das espécies. Muitos insetos diminuem sua fertilidade em temperaturas acima de certos níveis.

Da mesma forma, as plantas são sensíveis à temperatura para a floração. O aquecimento global está fazendo com que algumas espécies expandam sua distribuição geográfica, enquanto outras o vêem restrito.

- Saúde humana

Insolação

Temperaturas excepcionalmente altas afetam a saúde humana, e o chamado choque térmico ou insolação pode ocorrer. Consiste em desidratação aguda que pode causar paralisia de vários órgãos vitais e até levar à morte.

Ondas de calor podem causar centenas e até milhares de pessoas como em Chicago (EUA), onde em 1995 morreram aproximadamente 700 pessoas. Enquanto isso, as ondas de calor na Europa entre 2003 e 2010 causaram a morte de milhares de pessoas.

Doenças cardiovasculares

Por outro lado, as altas temperaturas afetam negativamente a saúde das pessoas com doenças cardiovasculares. Esta situação é especialmente grave em casos de hipertensão.

Mudanças repentinas de temperatura

Variações repentinas de temperatura podem enfraquecer o sistema imunológico e tornar o corpo mais suscetível a doenças respiratórias.

Higiene e ambiente de trabalho

A poluição térmica é um fator de saúde ocupacional em algumas indústrias, por exemplo, metalurgia e vidro. Aqui, os trabalhadores são submetidos a um calor radiante que pode causar sérios problemas de saúde.

Embora medidas de segurança sejam obviamente tomadas, a poluição térmica é significativa. As condições incluem exaustão por calor, choque térmico, queimaduras extremas de calor irradiado e problemas de fertilidade.

Doenças tropicais

O aumento da temperatura global faz com que doenças até então restritas a determinadas áreas tropicais ampliem seu raio de ação.

Em abril de 2019, o 29º Congresso Europeu de Microbiologia Clínica e Doenças Infecciosas foi realizado em Amsterdã. Neste evento, foi apontado que doenças como chikungunya, dengue ou leishmaniose podem se espalhar para a Europa.

Da mesma forma, a encefalite transmitida por carrapatos pode ser afetada pelo mesmo fenômeno.

Como prevenir

O objetivo é reduzir as contribuições líquidas de calor para o meio ambiente e evitar que o calor produzido fique preso na atmosfera.

- Utilização de fontes de energia e tecnologias mais eficientes para a geração de eletricidade

Fontes de energia

As usinas termelétricas causam a maior contribuição da poluição térmica em termos de transferência líquida de calor para a atmosfera. Nesse sentido, para reduzir a poluição térmica é fundamental substituir os combustíveis fósseis por energias limpas.

Os processos de produção de energia solar, eólica (eólica) e hidroelétrica (água) geram entradas de calor residual muito baixas. O mesmo ocorre com outras alternativas, como energia das ondas (ondas) e geotérmica (calor da terra),

Tecnologias

Usinas termelétricas e indústrias cujos processos requerem sistemas de refrigeração podem usar sistemas de malha fechada. Sistemas mecânicos de difusão de calor também podem ser incorporados para ajudar a reduzir a temperatura da água.

- Cogeração

A cogeração consiste em produzir simultaneamente energia elétrica e energia térmica útil, como vapor ou água quente. Para isso, foram desenvolvidas tecnologias que permitem recuperar e aproveitar o calor residual gerado nos processos industriais.

Por exemplo, o projeto INDUS3ES financiado pela Comissão Europeia está desenvolvendo um sistema baseado em um “transformador de calor”. Este sistema é capaz de absorver calor residual de baixa temperatura (70 a 110 ºC) e devolvê-lo a uma temperatura mais elevada (120-150 ºC).

Outras dimensões da geração de energia

Sistemas mais complexos podem incluir outras dimensões de produção ou transformação de energia.

Dentre elas está a trigeração, que consiste em incorporar processos de resfriamento além da geração de eletricidade e calor.Além disso, se a energia mecânica é gerada adicionalmente, falamos de tetrageneração.

Alguns sistemas são armadilhas de CO2, além de produzirem energia elétrica, térmica e mecânica, caso em que falamos de quatro gerações. Todos esses sistemas contribuem ainda mais para a redução das emissões de CO2.

- Reduzir a emissão de gases de efeito estufa

Como o aquecimento global é o fenômeno da poluição térmica de maior impacto no planeta, sua mitigação é necessária. Para isso, o principal é reduzir as emissões de gases de efeito estufa, inclusive CO2.

A redução das emissões exige uma mudança no padrão de desenvolvimento econômico, substituindo fontes de energia fóssil por energia limpa. Na verdade, isso reduz a emissão de gases de efeito estufa e a produção de calor residual.

- Período de resfriamento de água de resfriamento

Uma alternativa utilizada por algumas termelétricas é a construção de lagoas de resfriamento. Sua função é descansar e resfriar as águas provenientes do sistema de resfriamento antes de devolvê-las ao seu manancial natural.

Exemplos de poluição térmica

Usina Nuclear Santa María de Garoña

As usinas nucleares produzem energia elétrica a partir da decomposição de material radioativo. Isso gera muito calor, exigindo um sistema de refrigeração.

A central nuclear de Santa María de Garoña (Espanha) era do tipo BWR (reator de água fervente), inaugurada em 1970. Seu sistema de resfriamento consumia 24 metros cúbicos de água por segundo do rio Ebro.

De acordo com o projeto original, o esgoto devolvido ao rio não ultrapassaria 3 ºC em relação à temperatura do rio. Em 2011, um relatório do Greenpeace, corroborado por uma empresa ambiental independente, encontrou aumentos de temperatura muito maiores.

A água na área do derramamento atingiu 24ºC (6,6 a 7ºC de água natural do rio). Então, quatro quilômetros a jusante da área do derramamento, ultrapassou 21ºC. A planta encerrou suas operações em 16 de dezembro de 2012.

Ar condicionado em Madrid (Espanha)

Nas cidades existem cada vez mais sistemas de ar condicionado para reduzir a temperatura ambiente na estação quente. Esses dispositivos funcionam extraindo o ar quente de dentro e difundindo-o para fora.

Eles geralmente não são altamente eficientes, então eles difundem ainda mais calor para fora do que extraem de dentro. Esses sistemas são, portanto, uma fonte relevante de poluição térmica.

Em Madrid, o conjunto de aparelhos de ar condicionado presentes na cidade eleva a temperatura ambiente em até 1,5 ou 2 ºC.

Um exemplo positivo: fábrica de margarina no Peru

A margarina é um substituto da manteiga obtida pela hidrogenação de óleos vegetais. A hidrogenação requer a saturação de óleo vegetal com hidrogênio em altas temperaturas e pressões.

Este processo requer um sistema de resfriamento à base de água para capturar o calor residual gerado. A água absorve o calor e eleva sua temperatura, sendo então devolvida ao meio ambiente.

Em uma empresa peruana produtora de margarina, um fluxo de água quente (35ºC) causava poluição térmica no mar. Para contrariar este efeito, a empresa implementou um sistema de cogeração baseado em circuito fechado de refrigeração.

Por meio desse sistema foi possível reaproveitar a água quente para pré-aquecer a água que entra na caldeira. Dessa forma, economizou-se água e energia e reduziu-se o fluxo de água quente para o mar.

Referências

Burkart K, Schneider A, Breitner S, Khan MH, Krämer A e Endlicher W (2011). O efeito das condições térmicas atmosféricas e poluição térmica urbana em todas as causas e mortalidade cardiovascular em Bangladesh. Poluição Ambiental 159: 2035–2043.
Coutant CC e Brook AJ (1970). Aspectos biológicos da poluição térmica I. Efeitos do canal de retenção e descarga ∗. C R C Revisões críticas em controle ambiental 1: 341–381.
Davidson B e Bradshaw RW (1967). Poluição Térmica de Sistemas de Água. Environmental Science & Technology 1: 618–630.
Dingman SL, Weeks WF e Yen YC (1968). Os efeitos da poluição térmica nas condições do gelo do rio. Water Resources Research 4: 349–362.
Galindo RJG (1988). Poluição em ecossistemas costeiros, uma abordagem ecológica. Universidade Autônoma de Sinaloa, México. 58 p.
Projeto Indus3Es. (Visto em 12 de agosto de 2019). indus3es.eu
Nordell B (2003). A poluição térmica causa o aquecimento global. Global and Planetary Change 38: 305–12.