Como as ondas de calor danificam máquinas, de computadores a carros

Jul 18, 2023

Não são apenas as pessoas que precisam de se refrescar, especialmente num verão de ondas de calor recorde. Muitas máquinas, incluindo telemóveis, centros de dados, carros e aviões, tornam-se menos eficientes e degradam-se mais rapidamente em condições de calor extremo. As máquinas também geram seu próprio calor, o que pode tornar as temperaturas ao seu redor ainda mais altas.

Somos pesquisadores de engenharia que estudam como as máquinas gerenciam o calor e maneiras de recuperar e reutilizar efetivamente o calor que de outra forma seria 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 parte do calor; portanto, quanto mais quente estiver lá fora, mais quente ficará a máquina.

Os telemóveis e dispositivos semelhantes com baterias de iões de lítio também deixam de funcionar quando funcionam em climas acima dos 35 graus Celsius (95 graus Fahrenheit) – isto para evitar o sobreaquecimento e o aumento do stress nos componentes eletrónicos.

Projetos de resfriamento que utilizam fluidos inovadores de mudança 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 fria para funcionar de forma eficiente.

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

Temperaturas mais altas, seja devido ao clima ou ao excesso de calor irradiado das máquinas, podem causar a deformação dos materiais nas máquinas. Para entender isso, considere o que significa temperatura no nível molecular.

Na escala molecular, a temperatura é uma medida de quanto as moléculas estão vibrando. Portanto, quanto mais quente está, mais vibram as moléculas que compõem tudo, desde o ar até o solo e os materiais nas máquinas. Quando o metal é aquecido, as moléculas nele contidas 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 à medida que aquecem. As estradas são um lugar para ver isso – o concreto quente se expande, fica contraído e eventualmente racha. Este fenômeno também pode acontecer com máquinas, e as tensões térmicas são apenas o começo do problema.

As altas temperaturas também podem alterar o comportamento dos óleos do motor do seu carro, levando a possíveis falhas no motor. Por exemplo, se uma onda de calor o tornar 30 graus F (16,7 graus C) mais quente do que o normal, a viscosidade – ou espessura – dos óleos típicos de motores de automóveis pode mudar por um fator de três.

Fluidos como óleos de motor tornam-se mais finos à medida que aquecem; portanto, se ficar muito quente, o óleo pode não ser espesso o suficiente para lubrificar adequadamente e proteger as peças do motor contra maior desgaste.

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

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

Em geral, a electrónica contida em dispositivos como telemóveis, computadores pessoais e centros de dados consiste em muitos tipos de materiais que respondem de forma diferente às mudanças de temperatura. Esses materiais estão todos localizados próximos uns dos outros em espaços apertados. Assim, à medida que a temperatura aumenta, diferentes tipos de materiais deformam-se de maneira diferente, levando potencialmente ao desgaste prematuro e à falha.

As baterias de íon de lítio em carros e eletrônicos em geral degradam-se mais rapidamente em temperaturas operacionais mais altas. Isso ocorre porque temperaturas mais altas aumentam a taxa de reações dentro da bateria, incluindo reações de corrosão que esgotam o lítio da bateria. Este processo desgasta sua capacidade de armazenamento. Uma pesquisa recente mostra que os veículos eléctricos podem perder cerca de 20% da sua autonomia quando expostos a condições meteorológicas sustentadas de 90 graus Fahrenheit.