As pessoas estão literalmente morrendo porque está tão quente lá fora – e parece que as máquinas também não estão indo muito bem.

Pessoas morrendo devido ao calor intenso e problemas também com as máquinas.

Somos pesquisadores de engenharia que estudam como máquinas gerenciam o calor e maneiras de recuperar e reutilizar efetivamente o calor que é desperdiçado. Existem várias maneiras pelas quais o calor extremo afeta as máquinas.

Nenhuma máquina é perfeitamente eficiente – todas as máquinas enfrentam algum atrito interno durante a operação. Esse atrito faz com que as máquinas dissipem calor, portanto, quanto mais quente estiver do lado de fora, mais quente a máquina ficará.

Celulares e dispositivos similares com baterias de íon de lítio param de funcionar adequadamente quando operam em climas acima de 35 graus Celsius (95 graus Fahrenheit) – isso é para evitar o superaquecimento e aumentar o estresse nos componentes eletrônicos.

Projetos de resfriamento que usam fluidos inovadores que mudam de fase podem ajudar a manter as máquinas resfriadas, mas na maioria dos casos, o calor ainda é dissipado no ar. Portanto, quanto mais quente o ar, mais difícil é manter uma máquina suficientemente resfriada para funcionar de maneira eficiente.

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Além disso, quanto mais próximas as máquinas estiverem, mais calor dissipado haverá na área circundante.

Materiais deformados

Temperaturas mais altas, seja do clima ou do calor excessivo irradiado pelas máquinas, podem fazer com que os materiais nas máquinas se deformem. Para entender isso, considere o que a temperatura significa em nível molecular.

Em escala molecular, a temperatura é uma medida de quão vibrantes estão as moléculas. Portanto, quanto mais quente, mais as moléculas que compõem desde o ar até o solo e os materiais nas máquinas vibram. Quando o metal é aquecido, as moléculas nele vibram mais rápido e o espaço entre elas se afasta. Isso faz com que o metal se expanda.

À medida que a temperatura aumenta e as moléculas vibram mais, o espaço médio entre elas aumenta, fazendo com que a maioria dos materiais se expanda quando aquecidos. As estradas são um local onde isso pode ser observado – concreto quente se expande, contrai e eventualmente racha. Esse fenômeno também pode ocorrer nas máquinas e os estresses térmicos são apenas o começo do problema.

Atrasos de viagem e riscos à segurança

Altas temperaturas também podem alterar o comportamento dos óleos no motor do seu carro, levando a possíveis falhas do motor. Por exemplo, se uma onda de calor fizer com que a temperatura fique 16,7 graus Celsius (30 graus Fahrenheit) mais quente que o normal, a viscosidade – ou espessura – dos óleos típicos de motor de carro pode mudar em um fator de três.

Fluidos como óleos de motor ficam mais finos quando aquecidos, então, se ficar muito quente, o óleo pode não ser espesso o suficiente para lubrificar adequadamente e proteger as peças do motor do desgaste aumentado.

Além disso, um dia quente faz com que o ar dentro dos pneus se expanda e aumenta a pressão dos pneus, o que pode aumentar o desgaste e o risco de derrapagem.

Aviões também não são projetados para decolar em temperaturas extremas. À medida que fica mais quente do lado de fora, o ar começa a se expandir e ocupa mais espaço do que antes, tornando-o mais fino ou menos denso. Essa redução na densidade do ar diminui a quantidade de peso que o avião pode suportar durante o voo, o que pode causar atrasos significativos ou cancelamentos de voos.

Degradação da bateria

Em geral, os eletrônicos contidos em dispositivos como celulares, computadores pessoais e centros de dados consistem em muitos tipos diferentes de materiais que respondem de maneira diferente às mudanças de temperatura. Esses materiais estão todos localizados próximos uns dos outros em espaços apertados. Portanto, à medida que a temperatura aumenta, diferentes tipos de materiais se deformam de maneira diferente, o que pode levar a um desgaste prematuro e falha.

As baterias de íon de lítio em carros e eletrônicos em geral se degradam mais rapidamente em temperaturas de operação mais altas. Isso ocorre porque temperaturas mais altas aumentam a taxa de reações dentro da bateria, incluindo reações de corrosão que esgotam o lítio na bateria. Esse processo reduz sua capacidade de armazenamento. Pesquisas recentes mostram que veículos elétricos podem perder cerca de 20% de sua autonomia quando expostos a temperaturas de 90 graus Fahrenheit (32 graus Celsius) por um longo período.

Centros de dados, que são prédios cheios de servidores que armazenam dados, dissipam quantidades significativas de calor para manter seus componentes resfriados. Em dias muito quentes, os ventiladores precisam trabalhar mais para garantir que os chips não superaqueçam. Em alguns casos, ventiladores potentes não são suficientes para resfriar os eletrônicos.

Para manter os centros resfriados, o ar seco que entra do lado de fora geralmente é primeiro enviado através de uma almofada úmida. A água da almofada evapora no ar e absorve calor, resfriando o ar. Essa técnica, chamada de resfriamento evaporativo, geralmente é uma maneira econômica e eficaz de manter os chips em uma temperatura de operação razoável.

No entanto, o resfriamento evaporativo pode exigir uma quantidade significativa de água. Esse problema é problemático em regiões onde a água é escassa. O uso de água para resfriamento pode aumentar ainda mais a intensidade dos recursos associados aos centros de dados.

Ar-condicionado com dificuldades

Os condicionadores de ar têm dificuldade em funcionar de forma eficaz à medida que fica mais quente lá fora – justamente quando eles são mais necessários. Em dias quentes, os compressores dos condicionadores de ar têm que trabalhar mais para enviar o calor das casas para o exterior, o que, por sua vez, aumenta desproporcionalmente o consumo de eletricidade e a demanda geral de eletricidade.

Por exemplo, no Texas, cada aumento de 1,8 graus F (1 grau C) provoca um aumento de cerca de 4% na demanda de eletricidade.

O calor leva a um aumento impressionante de 50% na demanda de eletricidade durante o verão em países mais quentes, representando sérias ameaças de escassez ou blecautes de eletricidade, juntamente com maiores emissões de gases de efeito estufa.

Como prevenir danos causados pelo calor

Ondas de calor e temperaturas cada vez mais altas ao redor do mundo representam problemas significativos de curto e longo prazo para pessoas e máquinas. Felizmente, existem coisas que você pode fazer para minimizar os danos.

Primeiro, certifique-se de que suas máquinas são mantidas em um espaço com ar condicionado, bem isolado ou longe da luz solar direta.

Em segundo lugar, considere o uso de dispositivos de alto consumo de energia, como condicionadores de ar, ou carregue seu veículo elétrico durante horários de menor demanda, quando menos pessoas estão usando eletricidade. Isso pode ajudar a evitar escassez local de eletricidade.

Reutilizando o calor

Cientistas e engenheiros estão desenvolvendo maneiras de usar e reciclar as grandes quantidades de calor dissipadas pelas máquinas. Um exemplo simples é usar o calor residual dos centros de dados para aquecer água.

O calor residual também poderia alimentar outros tipos de sistemas de ar condicionado, como resfriadores de absorção, que podem realmente usar o calor como energia para suportar resfriadores por meio de uma série de processos químicos e de transferência de calor.

Em ambos os casos, a energia necessária para aquecer ou resfriar algo vem do calor que seria desperdiçado. Na verdade, o calor residual das usinas de energia poderia hipoteticamente suprir 27% das necessidades residenciais de ar condicionado, o que reduziria o consumo geral de energia e as emissões de carbono.

O calor extremo pode afetar todos os aspectos da vida moderna, e as ondas de calor não vão desaparecer nos próximos anos. No entanto, existem oportunidades para aproveitar o calor extremo e fazê-lo funcionar a nosso favor.

Srinivas Garimella, Professor de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia da Geórgia e Matthew T. Hughes, Pesquisador Pós-Doutoral, Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT)

Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.