Ciência no Camping - Gerador de Água Portátil

Quem já teve que subir um pico carregando garrafas de água sabe que apenas 2kg fazem uma boa diferença. Exisitiriam alternativas?

Alguem já ouviu a piada da água em pó? Basta misturar com um pouco de água e está pronta. Em pó talves não, mas quem sabe um gás? A água é feita hidrogênio e Oxigênio, se carregássemos apenas o H2 e o misturássemos com o O2 na hora de beber?

O peso molecular da agua é 18g/mol, sendo 16g/mol do O2 e apenas 2g/mol do H2! Ou seja, em principio, carregar apenas o H2 seria mais leve que levar todo o H2O, uma vez que temos todo o O2 necessário na atmosfera. Vamos então estudar a viabilidade disso, uma vez que carregar apenas o H2 não é tão simples como parece.

Para gerar a água é muito simples:

H2 + 1/2 O2 -> H2O + Energia.

A reação é de síntese, por isso é exotermica. O que temos que fazer é queimar o H2 e resfriar o vapor.

Vamos estabelecer alguns parâmetros:

• Volume do cilindro para carregar o H2: 1L . No máximo 2L( volume razoável para suprimento de água)
• Pressão máxima suportada pelo cilindro: 250atm ( pressão de um cilindro de GNV e cilindros de H2 comerciais)
• Temperatura ambiente: Entre 0 oC e 27 oC ( 273K a 300K)
• Peso estimado do cilindro de H2: 870g. Um cilindro de GNV de 9,5m^3 de gás, tem 33kg e 38 litros de volume interno. Basta fazer uma regra de 3.

Com isso, para ser vantajoso do ponto de vista do peso, todo o H2 do cilindro deve produzir mais de 870g de água, ou 0,87 L. Note que este é o pior caso.

Para achar o quanto de H2O podemos produzir, vamos calcular quantos moles de H2 cabem no cilindro, nas condições acima com a equação:

PV=nRT

P - Pressão do gás
V - Volume ocupado
n - Número de moles
T - Temperatura em Kelvin
R - Constante dos gáses: 8,315 J/gmol.K

n= PV/(RT) = (2,5E7 x 1,0E-3)/(8,315 x 300) =10 moles de H2

Para termos um mol de H2O precisamos de 1 mol de H2, por isso, conseguiremos 10 moles de H2O.

Assim:

• 1 mol de água pesa 18g
• 10 moles apenas 180g :-(
• 10 moles de H2(g) pesam 20g
• O peso do cilindro é 870g
• Uma garrafa PET pesa uns 50g

Ou seja, carregaríamos um peso de 890g para ter apenas 180g de água ... É mais vantajoso carregar aguá líquida, mesmo levando-se em conta o peso da PET.

Note no entanto, que isso se deve ao fato de o cilindro pesar muito, pois precisa ser resistente para aguentar a pressão necessária. Também consideramos que é possível coletar toda a água produzida. Não levamos em conta todo o equipamento necessário para reduzir a pressão, válvulas, ambiente para queima do H2 e coleta da água.

Uma vantagem seria que produzimos calor, que poderia ter outras aplicações. Teríamos aproximadamente 286kJ.

A água produzida certamente seria amarga, parecida com agua destilada, porque não tem todos os sais que a água mineral contém. Seria necessário misturar sais escolhidos, em pequeníssimas quantidades, para dar sabor à água. Felizmente, eles não agregaria muito no peso total.


Conclusões:
Com a tecnoligia de armazenamento do H2 atual não é vantajogo utilizar o gerador de água portátil. No futuro, com a utilização de Hidretos, ou cilindros super leves para altíssimas pressões, o gerador de água pode ser viável. Por exemplo, se conseguíssemos uma pressão 10 vezes maior, poderíamos gerar 1,8L de água com apenas 1L de volume e 910g!

Possívelmente com cilindros mais leves e resistentes, trabalhando mais no limite de pressão, com ligas metálicas especiais, possamos conseguir algo viável.

Bug na gravidade

Recebi um email outro dia com a foto abaixo.


Quando afirmei que nao era montagem, ficaram de cara. Entao, providenciei um martelo e provei que era possivel. Vejam o video.




Tente fazer em casa, mas tire o pé de baixo.
O segredo é conseguir uma regua rigida e ajustar as posicoes ate chegar no equilibrio. Um calculo vetorial qualitativo rapidamente pode dizer que a parte pesada do martelo deve ficar abaixo da mesa.

DC-DC para Amplificador AB

No ultimo post concluimos que a melhor escolha para obtermos boa potência com qualidade seria a utilização de um conversor DC-DC, que converteria a tensão de 12V da bateria para +40V -40V, isto é, tensão simétrica de 40V. Assim poderiamos utilizar um amplificador AB de alta qualidade no carro.

Podemos construir esse conversor de varias maneiras, mas em geral utilizamos um transformador (pederia ser apenas um indutor).
Usando um transformador de 12+12V de secundário de 120/220V, ou 120+120V (quando em 220V os dois ficam em série),de primario podemos utiliza-lo invertido, colocando 10Vpp (2V de queda no Vce ) em cada enrolamento de 12V. Como o transformador tem uma relacao de aproximadamente 10/1 teremos 40Vpp em cada enrolamento de 110V.
Os transformadores nao aumentam ou abaixam tensoes continuas (DC) pois como ele trabalha com indução eletromagnetica é preciso haver variacao de campo magnetico. Basta criarmos um oscilador de 60Hz e um amplificador B ou AB, que nao precisa ser de alta qualidade, para alimentar o transformador.

Na saida do transformador retificamos e filtramos os 40V como usual e temos uma fonte de 40+40V para nosso AB!
O "caminho" da eneriga fica assim:

DC12V -> AC4V -> AC 40V -> DC40V
Ou seja DC-AC-AC-DC ou simplesmente DC-DC

Amplificador de Áudio para Carro

Os sons comuns de carro, isto é, sem módulos, trabalham com os 12V da bateria. Na melhor das hipóteses isso da 6V de pico a pico (6Vpp). Cada transistor de saida tem mais ou menos 2v de queda pelo VCE, e sobra somente 4Vpp. Para achar o valor eficaz temos que dividir por raiz de 2. 4/1.41 = 2.83Vrms. Calculando a potência RMS temos:
Prms = V^2/R = 2.83^2/8 = 1Wrms para alto falante de 8Ohms
Prms = V^2/R = 2.83^2/4 = 4Wrms para alto falante de 4Ohms

Se for uma configuração em bridge, com muita boa vontade, teriamos:
4Wrms em 8Ohms
16Wrms em 4Ohms
E com 4 canais (2 na frente e 2 atrás) Temos 4x16 = 64Wrms ao todo

Se voce nao entedeu nada aprenda pelo menos isso:
Nehum som de carro comum, de 4 canais, tem mais de 64W ao todo! Essa de 100W pmpo é pura enganacao!

Como conseguir mais pontencia?
Temos 4 possibilidades:
1) Usar alto-falantes com impedancias baixas ou associacoes em paralelo.
2) Usar um casador de impendancias (transformador nesse caso)
3) Aumentar a tensao de alimentacao do amplificador com um conversor DC-DC.
4) Usar um amplifcador com tecnologia alternativa, como classe D

Se a intensão for qualidade pode-se descartar as possibilidades 1,2 e 4 porque:
1) Alto falantes com as menores impedancias sao de 2Ohms, o que nao da um ganho muito grande potencia e ainda sao difícieis de achar (ainda mais para carro). Associacoes seria uma boa, mas muitos alto falantes dentro do carro pode nao ser o desjado, e, baixas impedancias sao mais dificeis de serem lidadas pelo amplificadores AB, e em geral vai ser mais dificil de contruir e vai distorcer mais.

2) Usando um casador na saida do amplificador poder funcinar bem, e funciona como em alguns módulos Low-End. O problema é o seguinte: Por mais perfeito que o transformador seja ele nao sera 100% eficiente, ou seja cerca de 15% vira calor. O problema de nao linearidade em funcao da frenquencia tambem acarretaria um som de péssimo equilíbrio tonal, principalmente em altas frequencias, que ficariam muito atenuadas. Poderia se utilizar um transformador especial ultra-linear, como nos amplificadores a vávula, mas o custo seria proibitivo para tal aplicacao.

4) Poderiamos utilizar um Amplificador classe D de tal forma que a impedância de saida permitisse altas potencias. Isso só seria possivel porque devido ao filtro LC na saida fazer com que houvesse mais de 12V. O problema é que Amplificadores Classe D são muito mais complicados, indutores especiais e o som ainda não muito bom em altas frequencias (acima de 10kHz). A distorção tambem é bem alta, como pude comprovar experimentalmente.

A opção 3, parece ser a melhor porque além ser a mais prática de ser implementada permite que sejam utilizados os já projetados e testados amplificares AB de alta qualidade que exigem acima de 25V simétricos.

O projeto do DC-DC fica pro próximo post ;-)