Na Fronteira da Termodinâmica: Os Materiais Multicalóricos e o Controle do Calor

Gabriel Strasser Alves
Orientador: Ivair Aparecido dos Santos

Nas últimas décadas, o avanço tecnológico trouxe consigo um aumento expressivo do consumo de energia no mundo todo. Grande parte dessa energia é utilizada em sistemas de refrigeração, climatização e controle térmico, presentes desde geladeiras domésticas até centros de processamento de dados e equipamentos hospitalares. Em um contexto de transição energética (mudança do uso de fontes de energia mais poluentes, como petróleo, carvão e gás natural, para fontes mais limpas e renováveis, como energia solar, eólica e hidrelétrica) e crescente preocupação com as mudanças climáticas, torna-se essencial desenvolver tecnologias capazes de reduzir o impacto ambiental desses sistemas.

Atualmente, os métodos tradicionais de refrigeração dependem majoritariamente da compressão e expansão de gases usados para refrigeração (gases refrigerantes). Embora eficientes, esses sistemas apresentam limitações importantes: consumo elevado de energia, desgaste mecânico constante e utilização de fluidos potencialmente nocivos ao meio ambiente. Dentro desse cenário, a refrigeração baseada em materiais multicalóricos surge como uma alternativa tecnológica mais eficiente e ecológica (STERN-TAULATS et al., 2018).

Entenda! 📝

Multicalóricos: Imagine que alguns materiais especiais mudam de temperatura quando você mexe neles de formas diferentes. Se você aproxima um ímã, o material esquenta ou esfria (efeito magnetocalórico); se aplica uma voltagem elétrica, o mesmo acontece (efeito eletrocalórico) (RIES et al., 2010); e se você apenas o aperta ou estica o material, a temperatura também muda (mecanocalórico). Quando um único material consegue fazer várias dessas coisas ao mesmo tempo, nós o chamamos de multicalórico.

De fato, mais do que uma simples melhoria tecnológica, os materiais multicalóricos representam uma nova forma de manipular o calor. Em vez de depender da circulação de gases, esses materiais utilizam transformações internas da própria matéria para absorver, transferir ou liberar energia térmica de maneira controlada. Essas características abrem caminho para sistemas de refrigeração silenciosos, compactos e potencialmente muito mais eficientes.

O que são materiais multicalóricos?

Para compreender os materiais multicalóricos, é necessário primeiro entender os chamados efeitos calóricos. Em física, um material calórico é aquele capaz de sofrer alterações de temperatura ou de entropia quando submetido a um estímulo externo. Dependendo do tipo de estímulo aplicado, diferentes efeitos podem ocorrer, como por exemplo:

* Campo magnético – efeito magnetocalórico;

* Campo elétrico – efeito eletrocalórico (RIES et al., 2010);

* Pressão mecânica efeito barocalórico (IMAMURA, 2020);

Deformação mecânica (estiramento) – efeito elastocalórico.

Conforme, podemos observar nas imagens ilustrativas abaixo.

Entenda! 📝

Entropia: Na física, a entropia é frequentemente associada à “organização” de um sistema. Exemplo: Pense em um quarto cheio de blocos de montar:

Baixa Entropia: Todos os blocos estão organizados por cor e guardados em caixas (sistema ordenado).

Alta Entropia: Os blocos estão espalhados pelo chão de forma caótica (sistema desordenado).

Os materiais multicalóricos funcionam organizando e desorganizando suas partículas internas para absorver ou liberar calor.

Esses fenômenos ocorrem porque a aplicação de um campo externo reorganiza a estrutura interna do material. Essa reorganização modifica a quantidade de estados microscópicos disponíveis para os átomos, elétrons e spins magnéticos, alterando diretamente a entropia do sistema.

Os materiais multicalóricos representam uma evolução e uma consolidação desse conceito na engenharia moderna (AMIROV; TISHIN; PAKHOMOV, 2022). Eles pertencem, em muitos casos, à classe dos materiais multiferroicos, capazes de apresentar simultaneamente mais de uma propriedade física, como magnetismo ou elasticidade (PLANES; CASTÁN; SAXENA, 2016).

Essa coexistência permite que o material responda a diferentes estímulos ao mesmo tempo, produzindo efeitos térmicos combinados muito mais intensos do que aqueles obtidos por um único campo isolado. Em outras palavras, o comportamento térmico não depende mais de um único fator externo, mas da ação conjunta de diferentes fenômenos físicos.

A Física do Efeito Multicalórico: Entropia e Organização da Matéria

Entenda! 📝

Spin Magnético: Para entender o que é spin magnético, pense em uma enorme plateia em um show:

Alta Entropia (Bagunça): Quando as luzes estão acesas antes do show, as pessoas (os spins magnéticos!) estão conversando e olhando para direções completamente diferentes.

Em um material magnético (a plateia!), os “mini-ímãs” (spins) estão desalinhados e o material está em seu estado “não magnetizado”.

Aplicação de um Campo (Ordem): Quando a banda entra no palco, instantaneamente todo mundo se vira para a mesma direção. Todos “magnetizados” pela arte!

É exatamente isso que que acontece quando um ímã é aproximado de material magnético. Esse campo magnético força todos os spins a se alinharem, apontando na direção do campo magnético. O material fica, então, magnetizado.

A base física dos efeitos multicalóricos está diretamente relacionada à termodinâmica e, principalmente, ao conceito de entropia. Como vimos, a entropia pode ser interpretada como uma medida da desordem microscópica de um sistema.

Em um material sólido, os átomos vibramconstantemente, enquanto spins magnéticos e dipolos elétricos assumem diferentes orientações. Quanto maior a liberdade dessas configurações internas, maior será a entropia do material.

Quando um campo externo é aplicado, ocorre um processo de ordenamento interno. No caso de um campo magnético, por exemplo, os spins tendem a se alinhar na direção do campo aplicado. Esse alinhamento reduz a desordem natural do material. Como consequência, parte da energia associada a essa reorganização é liberada na forma de calor para o ambiente.

O processo pode ser resumido em duas etapas fundamentais:

Entenda! 📝

Spin (A Causa): É uma propriedade natural e interna de alguns tipos de partículas (como o elétron, por exemplo). Pense no spin como algo que confere a “identidade magnética” da partícula, que dá a ela a capacidade de ser magnética.

Dipolo (O Efeito): É o resultado prático. Como a partícula tem essa identidade (spin), ela passa a se comportar como um ímã em miniatura, com um polo norte e um polo sul. Esse par de polos é o dipolo magnético.

1. Aplicação do campo externo: O material se torna mais organizado internamente, reduzindo sua entropia e liberando calor para o ambiente.

2. Remoção do campo externo: O sistema retorna ao estado desordenado original, absorvendo calor do ambiente e produzindo o resfriamento das vizinhanças.

Esse comportamento é particularmente intenso próximo das chamadas transições de fase abruptas (conhecidas na física como de “primeira ordem”) (PLANES; CASTÁN; SAXENA, 2016). Nessas regiões, pequenas variações de campo externo podem provocar grandes reorganizações estruturais dentro do material.

É justamente essa capacidade de reorganização intensa que permite aos materiais multicalóricos produzirem grandes variações térmicas utilizando estímulos relativamente pequenos.

Entenda! 📝

Transição de Fase Microscópica: Você já conhece as transições de fase clássicas do dia a dia: o gelo virando água líquida, ou a água virando vapor. Durante a solidificação do gelo, ocorre uma reorganização abrupta das moléculas, acompanhada por uma troca significativa de energia térmica. Nos materiais multicalóricos, acontece algo análogo, mas em nível microscópico, envolvendo spins magnéticos, polarizações elétricas (como nos dielétricos de alto efeito eletrocalórico) e deformações da rede atômica (RIES et al., 2010). É essa mudança brusca que gera os grandes efeitos de resfriamento ou aquecimento.

Por que o efeito “multi” é tão importante?

Os efeitos calóricos convencionais utilizam apenas um estímulo externo. Entretanto, materiais reais frequentemente apresentam perdas energéticas associadas à histerese. A histerese pode ser entendida como uma espécie de “memória” do material. Após sofrer uma transformação, ele não retorna imediatamente ao estado inicial quando o campo é removido. Parte da energia aplicada acaba sendo dissipada internamente (gerando calor indesejado), o que reduz a eficiência do sistema.

Nos materiais multicalóricos, diferentes campos e forças mecânicas podem atuar em conjunto precisamente para minimizar ou eliminar esse atraso (STERN-TAULATS et al., 2018; AMIROV; TISHIN; PAKHOMOV, 2022). Quando dois estímulos são aplicados simultaneamente, por exemplo, pressão mecânica e campo magnético, ocorre uma união perfeita entre a estrutura atômica e o magnetismo do material. Isso permite

Entenda! 📝

Histerese: Para entender o que é histerese, pense em uma mola de caderno ou em um elástico de cabelo velho:

O que deveria acontecer: Quando você estica o elástico e o solta, ele deveria voltar ´´instantaneamente“ para o tamanho original exato.

O que acontece na histerese: O material demonstra uma espécie de “atraso” ou “memória”. Ele não volta ao estado inicial imediatamente; ele fica um pouco “preguiçoso” e demora para se recuperar.

Ampliar a faixa de temperaturas de operação;
Reduzir perdas por histerese;
Obter maiores variações térmicas com campos externos menores;
Aumentar a eficiência energética do ciclo térmico;
Controlar as transições de fase de maneira mais precisa.

Esse comportamento cooperativo é uma das principais razões pelas quais os materiais multicalóricos despertam tanto interesse científico atualmente. Em muitos casos, um segundo campo externo pode literalmente “destravar” a transição induzida pelo primeiro, tornando o ciclo termodinâmico mais reversível e energeticamente mais eficiente.

Refrigeração em Estado Sólido: Uma Nova Geração de Sistemas Térmicos

A principal aplicação tecnológica dos materiais multicalóricos está no desenvolvimento da chamada refrigeração em estado sólido. Diferentemente das geladeiras convencionais, esses sistemas não necessitam de gases comprimidos ou compressores mecânicos complexos. O próprio material sólido atua como agente refrigerante.

Durante o ciclo térmico, o material passa pelas etapas ilustradas no infográfico abaixo:

Esse processo pode ser repetido continuamente, produzindo refrigeração sem fluidos voláteis e com menor impacto ambiental. Além da sustentabilidade, os sistemas de refrigeração sólida apresentam outras vantagens potenciais:

Menor ruído;
Redução de vibrações mecânicas;
Maior compactação;
Menor necessidade de manutenção;
Possibilidade de miniaturização para aplicações em eletrônica avançada (ou micro-resfriadores) (AMIROV; TISHIN; PAKHOMOV, 2022; RIES et al., 2010).

Por esse motivo, os materiais multicalóricos vêm sendo estudados para aplicações em refrigeração doméstica, climatização industrial, resfriamento eletrônico, dispositivos médicos, sistemas aeroespaciais e computação de alto desempenho.

Ciência, Sustentabilidade e Futuro

O estudo dos materiais multicalóricos representa um excelente exemplo de como avanços fundamentais em física e ciência dos materiais podem gerar impacto direto na sociedade. Ao compreender como a estrutura microscópica da matéria responde a estímulos externos, torna-se possível desenvolver tecnologias energeticamente mais eficientes e ambientalmente mais sustentáveis.

Embora muitos desafios ainda existam como custo de produção, estabilidade estrutural e escalabilidade industrial, os resultados obtidos na pesquisa contemporânea indicam que a refrigeração em estado sólido desempenhará um papel fundamental nas próximas décadas (STERN-TAULATS et al., 2018). Mais do que substituir geladeiras convencionais, os materiais multicalóricos representam uma nova maneira de pensar o controle térmico: uma abordagem baseada não em fluidos e motores, mas na própria termodinâmica da matéria.

Referências

AMIROV, A. A.; TISHIN, A. M.; PAKHOMOV, O. V. Multicalorics (Review): new materials for energy and straintronics. Physics of the Solid State, v. 64, n. 4, p. 395-407, 2022. DOI: https://doi.org/10.21883/PSS.2022.04.53494.34s.

IMAMURA, William. Efeito barocalórico em compósitos de polidimetilsiloxano com grafite natural. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, 2020.

PLANES, Antoni; CASTÁN, Teresa; SAXENA, Avadh. Thermodynamics of multicaloric effects in multiferroic materials: application to metamagnetic shape-memory alloys and ferrotoroidics. Philosophical Transactions of the Royal Society A, v. 374, n. 2074, 2016. DOI: https://doi.org/10.1098/rsta.2015.0304.

RIES, A.; PORTO, G. A.; FOOK, M. V. L.; FIDÉLES, T. B. Materiais com o elevado efeito eletrocalórico para aplicações em sistemas alternativas de refrigeração. REMAP: Revista Eletrônica de Materiais e Processos, Campina Grande, v. 5, n. 1, p. 36-42, 2010.

STERN-TAULATS, Enric et al. Multicaloric materials and effects. MRS Bulletin, v. 43, n. 4, p. 295-298, 2018. DOI: https://doi.org/10.1557/mrs.2018.72.

Autores:

Gabriel Strasser Alves, aluno de Engenharia Mecânica na UEM e bolsista de Iniciação Científica da Fundação Araucária. Desenvolve o projeto “Determinação do efeito barocalórico direto em materiais multiferroicos”, sob a orientação do Prof. Dr. Ivair Aparecido dos Santos.