Poluição térmica: características, consequências, exemplos

A poluição térmica ocorre quando algum factor provoca a mudança indesejável ou prejudicial da temperatura ambiental. O meio mais afetado por essa poluição é a água, mas também pode afetar o ar e o solo.

A temperatura média do ambiente pode ser alterada por causas naturais e por ações humanas (antropogênicas). Entre as causas naturais estão incêndios florestais não provocados e erupções vulcânicas.

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Temperatura da superfície da Terra. Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SurfaceTemperature.jpg

Entre as causas antropogênicas 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, o que implica o aumento da temperatura global média. Isso se deve ao chamado efeito estufa e às contribuições líquidas de calor residual pelo ser humano.

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

A poluição térmica causa mudanças físicas, químicas e biológicas que produzem um impacto negativo na 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 amplitude de variação de temperatura determinadas para sobreviver. Por isso, qualquer alteração dessa amplitude pode implicar a diminuição das populações, sua migração ou 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 sua faixa geográfica de ação.

Prevenir a poluição térmica requer modificar os modos de desenvolvimento econômico e os hábitos da sociedade moderna. Por sua vez, isso implica na implementação de tecnologias que reduzem o impacto térmico no meio ambiente.

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

Outro caso característico de poluição térmica é fornecido pelo uso de condicionadores de ar. A proliferação desses sistemas para reduzir a temperatura aumenta a temperatura de uma cidade como Madri em até 2 ° C.

Finalmente, o caso positivo de uma empresa produtora de margarinas no Peru que usa água para resfriar o sistema e a água quente resultante foi devolvida ao mar. Assim, eles conseguiram economizar energia, água e reduzir as contribuições da água quente para o meio ambiente.

Caracteristicas

– Poluição térmica e térmica

A poluição térmica é derivada da transformação de outras energias, uma vez que toda a energia quando utilizada gera calor. Isso 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

A temperatura é uma magnitude 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 pelo termômetro, dos quais existem vários tipos, sendo os mais comuns a expansão e o eletrônico.

O termômetro de expansão é baseado no coeficiente de expansão de certas substâncias. Essas substâncias quando aquecidas são esticadas e sua ascensão está marcando uma escala graduada.

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

A escala mais comum utilizada é a proposta por Anders Celsius (ºC, graus Celsius ou Celsius). Nele, 0 ° C corresponde ao ponto de congelamento da água e 100 ° C 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 trocam calor até que o equilíbrio seja alcançado.

– A energia não é criada ou destruída, apenas se transforma.

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

– Não é possível atingir uma temperatura igual ao 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.

Considera-se que o aumento ou diminuição da temperatura é poluente quando sai dos parâmetros vitais.

– temperatura vital

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

Os organismos vivos podem existir em um estado latente a temperaturas de -200 ° C e 110 ° C, porém são casos raros.

Bactérias termofílicas

Certas bactérias chamadas termófilos podem existir a temperaturas de até 100 ° C, desde que haja água líquida. Esta condição ocorre a altas pressões no fundo do mar em áreas de chaminés hidrotérmicas.

Isso indica que a definição de poluição térmica em um meio é relativa e depende das características naturais do meio. Também está relacionado aos requisitos dos organismos que habitam uma determinada área.

Ser humano

Nos seres humanos, a temperatura corporal normal varia de 36,5 ° C a 37,2 ° C, e a capacidade homeostática (compensar variações externas) é limitada. Temperaturas abaixo de 0 ° C por períodos prolongados e sem proteção artificial causam a morte.

Da mesma forma, temperaturas acima de 50 ° C constantemente são muito difíceis de compensar a longo prazo.

– Poluição térmica e meio ambiente

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

Por outro lado, em pequenas áreas, 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. Nesses casos, as fontes do 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 desenvolvidas pelo ser humano. Nesse caso, o principal problema é a diminuição da taxa de dissipação de calor em direção à estratosfera.

Isso ocorre principalmente devido à emissão de gases de efeito estufa por atividade humana. Entre eles estão 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 incorpora calor adicional ao sistema.

– Centrais termoelétricas

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

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Usina Termelétrica Endesa As Pontes (Espanha). Fonte: Imagem fornecida pelo Poluição térmica: características, consequências, exemplos 3Banjo>

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Posteriormente, as bombas o forçam através de canos cercados por exaustão de vapor quente. O calor passa do vapor para a água de resfriamento e a água aquecida é devolvida à fonte, trazendo excesso de calor para o ambiente natural.

– Incendios florestais

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

– Ar condicionado e sistemas de refrigeração

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

Segundo a Agência Internacional de Energia, existem cerca de 1,6 bilhão de aparelhos de ar condicionado no mundo. Da mesma forma, geladeiras, geladeiras, adegas e qualquer equipamento destinado a baixar a temperatura em uma área fechada gera poluição térmica.

– Processos industriais

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

Shake de gás

As indústrias de regaseificação e liquefação de vários gases para uso industrial e médico requerem processos de refrigeração. Esses processos são endotérmicos, ou seja, absorvem o calor esfriando o ambiente circundante.

Para isso, utiliza-se água que é devolvida ao ambiente a uma temperatura mais baixa que a inicial.

Metalúrgico

Os altos-fornos emitem calor para o meio ambiente, pois atingem temperaturas acima de 1.500 ° C. Por outro lado, os processos de resfriamento dos materiais usam água que entra novamente na sala com uma temperatura mais alta.

Produção de vidro

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

– sistemas de iluminação

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

– Motores de combustão interna

Motores de combustão interna, como carros, podem gerar cerca de 2.500 ° C. Este calor é dissipado para o meio ambiente através do sistema de refrigeração, especificamente através do radiador.

Tendo em conta que centenas de milhares de veículos circulam diariamente em uma cidade, é possível inferir a quantidade de calor transferido.

– Os centros urbanos

Na prática, uma cidade é uma fonte de poluição térmica devido à existência de muitos dos fatores já mencionados. No entanto, uma cidade é um sistema cujo efeito térmico se torna uma ilha de calor dentro da estrutura de seu entorno.

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Ilhas de calor na Espanha. Fonte: Galjundi7 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Efeito Albedo

Albedo refere-se à capacidade de um objeto refletir a radiação solar. Além da contribuição calórica que cada elemento atual pode dar (carros, residências, indústrias), 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, juntamente com o calor emitido pela atividade na cidade, aumenta a poluição térmica.

Contribuições líquidas de calor urbano

Várias investigações mostraram que a geração de calor por 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 ° C. Em Estocolmo, a contribuição líquida é estimada em 70 W / m2, equivalente a um aumento de temperatura de 1,5 ºC.

Consequências

– Alterações nas propriedades físicas da água

O aumento da temperatura da água devido à poluição térmica causa mudanças físicas nela. Por exemplo, diminui o oxigênio dissolvido e aumenta a concentração de sais que afetam os ecossistemas aquáticos.

Nos corpos de água sujeitos a mudanças sazonais (congelamento no inverno), a adição de água quente altera a taxa natural de congelamento. Por sua vez, isso afeta seres vivos que se adaptaram a essa sazonalidade.

– Impacto na biodiversidade

Vida aquática

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

Muitos organismos aquáticos, especialmente os peixes, são muito sensíveis à temperatura da água. Nas mesmas espécies, a faixa ideal de temperatura varia de acordo com a temperatura de aclimatação de cada população específica.

Devido a isso, as variações de temperatura causam desaparecimento ou migração de populações inteiras. Assim, a água de descarga de uma usina 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 as populações de sobrevivência. Entre outros efeitos, o aquecimento da água diminui o oxigênio dissolvido na água, causando problemas de hipóxia.

Eutrofização

Esse fenômeno afeta severamente os ecossistemas aquáticos, causando até o desaparecimento da vida neles. Começa com a proliferação de algas, bactérias e plantas aquáticas, produto de contribuições artificiais de nutrientes para a água.

Ao aumentar as populações desses organismos, 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, diminuindo o oxigênio dissolvido e concentrando os 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 a 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 extensão geográfica, enquanto outras o vêem restrito.

– saúde humana

Insolação

Temperaturas extraordinariamente altas afetam a saúde humana, podendo ocorrer o chamado choque térmico ou insolação. Isso consiste em desidratação aguda que pode causar paralisia de vários órgãos vitais e até causar morte.

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

Doenças cardiovasculares

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

Mudanças bruscas 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 na saúde ocupacional em algumas indústrias, por exemplo metalúrgica e de vidro. Aqui, os trabalhadores são submetidos a calor radiante que pode causar sérios problemas de saúde.

Embora obviamente sejam tomadas medidas de segurança, a poluição térmica é significativa. Entre as condições estão exaustão de calor, choque térmico, queimaduras de calor radiadas extremas e problemas de fertilidade.

Doenças tropicais

O aumento da temperatura global faz com que as doenças até agora restritas a certas áreas tropicais aumentem seu alcance de ação.

Em abril de 2019, o 29º Congresso Europeu de Microbiologia Clínica e Doenças Infecciosas foi realizado em Amsterdã. Nesse 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 evitá-lo

Trata-se de reduzir as contribuições líquidas de calor para o meio ambiente e impedir que o calor produzido fique preso na atmosfera.

– Uso de fontes e tecnologias de energia mais eficientes para geração de eletricidade

Fontes de energia

As usinas termelétricas causam a maior contribuição da poluição térmica em termos de transferência de calor líquido para a atmosfera. Nesse sentido, para reduzir a poluição térmica, é essencial substituir a energia fóssil por energia limpa.

Os processos de produção de energia solar, eólica (eólica) e hidrelétrica (água) produzem insumos de calor residual muito baixos. O mesmo acontece com outras alternativas, como energia das ondas (ondas) e energia geotérmica (calor da terra),

Tecnologias

As usinas termelétricas e as indústrias cujos processos requerem sistemas de refrigeração podem usar sistemas de circuito fechado. Também podem ser incorporados sistemas mecânicos de difusão de calor que ajudam a reduzir a temperatura da água.

– Cogeração

A cogeração consiste em produzir simultaneamente energia elétrica e energia térmica útil, como vapor de água ou água quente. Para isso, foram desenvolvidas tecnologias que permitem a recuperação e utilização do calor residual gerado em 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 o calor residual de baixa temperatura (70 a 110 ° C) e devolvê-lo a uma temperatura mais alta (120-150 ° C).

Outras dimensões da geração de energia

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

Entre estes, temos o desencadeamento que consiste na incorporação de processos de refrigeração, além da geração de eletricidade e calor. Além disso, se energia mecânica adicional é gerada, falamos sobre tetrageneração.

Alguns sistemas são armadilhas de CO2, além de produzir eletricidade, energia térmica e mecânica. Nesse caso, falamos em quadrigeneração. Todos esses sistemas contribuem adicionalmente para reduzir as emissões de CO2.

– Reduzir a emissão de gases de efeito estufa

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

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

– Período de resfriamento da água de resfriamento

Uma alternativa usada por algumas usinas termelétricas é a construção de lagoas de resfriamento. Sua função é descansar e resfriar as águas derivadas do sistema de resfriamento antes de devolvê-las à sua fonte natural.

Exemplos de poluição térmica

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Usina Termelétrica de Brayton (Estados Unidos). Fonte: Wikimaster97commons [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Usina Nuclear de Santa Maria de Garoña

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

A usina nuclear de Santa María de Garoña (Espanha) era do tipo BWR (reator de água fervente ou reator de água fervente) que foi inaugurada em 1970. Seu sistema de refrigeração usava 24 metros cúbicos de água por segundo a partir do rio Ebro.

De acordo com o projeto original, as águas residuais retornadas ao rio não excederiam 3 ºC em relação à temperatura do rio. Em 2011, um relatório do Greenpeace, corroborado por uma empresa ambiental independente, determinou aumentos de temperatura muito mais altos.

A água na área da descarga atingiu 24 ºC (de 6,6 a 7 ºC da água natural do rio). Então, quatro quilômetros abaixo da zona de descarga, ultrapassou 21 ° C. A planta parou de operar 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 espalhando-o para fora.

Como geralmente não são de alta eficiência, difundem ainda mais calor do lado de fora do que extraem do lado de dentro. Esses sistemas são, portanto, uma fonte relevante de poluição térmica.

Em Madri, o conjunto de aparelhos de ar condicionado presentes na cidade eleva a temperatura ambiente até 1,5 ou 2 ° C.

Um exemplo positivo: planta de produção de margarinas no Peru

A margarina é um substituto da manteiga obtido por hidrogenação de óleos vegetais. A hidrogenação requer a saturação do óleo vegetal com hidrogênio a altas temperaturas e pressões.

Esse processo requer um sistema de refrigeração à base de água para capturar o calor residual gerado. A água absorve o calor e eleva a temperatura, retornando ao ambiente.

Em uma empresa peruana de produção de margarina, um fluxo de água quente (35 ºC) causou poluição térmica no mar. Para combater esse efeito, a empresa implementou um sistema de cogeração baseado em um circuito fechado de resfriamento.

Através deste sistema, foi possível reutilizar a água quente para pré-aquecer a água que entra na caldeira. Dessa maneira, a água economiza energia e o fluxo de água quente para o mar é reduzido.

Referências

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