Da manivela à injeção – A termodinâmica dos carros clássicos

Quando um carro antigo arranca com aquele som rouco e grave, está a acontecer algo fascinante lá dentro. É a química e a física em ação — ciências que, há mais de cem anos, transformaram completamente a forma como os seres humanos se movem pelo mundo. Vale a pena perceber o que acontece dentro de um motor e como tudo evoluiu desde os primeiros automóveis até aos carros silenciosos e elétricos de hoje.
Tudo começa com a combustão.
A gasolina é feita de moléculas chamadas hidrocarbonetos, compostos formados por átomos de carbono e hidrogénio ligados entre si como pequenas cadeias microscópicas. Quando esses combustíveis reagem com o oxigénio do ar dentro do motor, produzem dióxido de carbono, vapor de água e, mais importante, libertam uma enorme quantidade de energia sob a forma de calor e pressão.
É essa combustão extremamente rápida e controlada, dentro de um espaço minúsculo chamado câmara de combustão, que empurra um êmbolo metálico — o pistão — para baixo com grande força, transformando energia térmica em trabalho mecânico. Esse movimento faz girar o virabrequim, um eixo que converte o vai-vem do pistão em rotação contínua, transmite rotação às rodas e põe o carro em marcha.
A este processo chamamos Ciclo de Otto, em homenagem a Nikolaus Otto, cujo motor de quatro tempos, desenvolvido em 1876, revolucionou a engenharia automóvel.
O motor funciona em quatro etapas: primeiro o pistão desce e aspira a mistura de ar e combustível (admissão); depois sobe e comprime tudo num espaço muito pequeno (compressão); nesse instante, uma faísca elétrica inflama a mistura e o pistão é impulsionado para baixo pela elevada pressão dos gases; por fim, sobe novamente para expulsar os gases queimados (escape). Este ciclo repete-se milhares de vezes por minuto.
Mas existe um limite fundamental: nenhum motor térmico consegue transformar todo o calor em movimento. Parte da energia perde-se inevitavelmente sob a forma de calor dissipado pelo escape e pelo sistema de refrigeração, uma consequência direta da Segunda Lei da Termodinâmica, o princípio científico que explica por que nenhuma máquina consegue aproveitar toda a energia que consome. Mesmo os motores modernos a gasolina, raramente ultrapassam 35 a 40% de eficiência energética.
Nos carros antigos, todo o processo era controlado mecanicamente, com peças físicas que abriam e fechavam válvulas no momento exato. Hoje, sensores e computadores ajustam continuamente a injeção de combustível, o momento da ignição e a entrada de ar, tornando os motores muito mais eficientes, económicos e menos poluentes.
Mas a gasolina nunca foi o único caminho possível.
O motor a gasóleo, inventado por Rudolf Diesel em 1897, funciona de forma diferente. Em vez de usar uma faísca elétrica, o motor comprime o ar dentro do cilindro de forma tão intensa que a temperatura sobe ao ponto de o combustível se inflamar sozinho quando é injetado — um fenómeno chamado autoignição.
O gasóleo contém mais energia por litro do que a gasolina e os motores a gasóleo são geralmente mais eficientes. Por isso dominaram durante décadas os camiões, os autocarros e muitos automóveis de utilização intensiva. A desvantagem é que produzem partículas finas e óxidos de azoto prejudiciais para a saúde, sobretudo em ambientes urbanos. Os motores a gasóleo modernos utilizam filtros e catalisadores sofisticados para reduzir essas emissões, mas a pressão ambiental levou vários países europeus a anunciar o fim gradual da venda de veículos com este tipo de motor.
Nos automóveis das décadas de 1950 e 1960, os motores a gasolina utilizavam ainda um ingrediente extremamente problemático nos seus combustíveis: o chumbo tetraetilo. Este composto era adicionado à gasolina para evitar a detonação prematura, fenómeno em que o combustível entra em combustão antes do momento ideal, danificando o interior do motor.
Depois de queimado, o chumbo era libertado pelo escape sob a forma de partículas microscópicas que se acumulavam no ar, no solo e na água, afetando gravemente o sistema nervoso de crianças e adultos. O combustível com chumbo acabou por ser progressivamente proibido em praticamente todo o mundo, incluindo Portugal durante a década de 1990.
Foi também nos anos 70 que muitos países perceberam os riscos de depender excessivamente do petróleo e começaram a procurar alternativas. O Brasil foi pioneiro nessa transformação.
Quando a crise petrolífera de 1973 fez disparar os preços dos combustíveis, o governo brasileiro lançou, em 1975, o Programa Nacional do Álcool, conhecido como Proálcool. A ideia era simples e engenhosa: usar a cana-de-açúcar, abundante no país, para produzir etanol, um álcool capaz de substituir a gasolina nos motores.
O processo funciona através da fermentação dos açúcares da cana por leveduras — microrganismos semelhantes aos utilizados na produção do pão e da cerveja — que transformam esses açúcares em etanol e dióxido de carbono. O etanol é depois purificado e utilizado como combustível.
Em 1985, mais de 90% dos carros vendidos no Brasil funcionavam exclusivamente a álcool, uma revolução energética sem paralelo no mundo.
Mais tarde surgiu uma solução ainda mais versátil: o motor flex fuel, desenvolvido por engenheiros brasileiros com apoio da empresa alemã Bosch e lançado comercialmente em 2003.
Um motor flex consegue funcionar com gasolina, etanol ou qualquer mistura dos dois, porque sensores identificam automaticamente o combustível e o computador ajusta o funcionamento do motor em tempo real. Hoje, a esmagadora maioria dos automóveis vendidos no Brasil utiliza esta tecnologia, reduzindo significativamente a dependência de combustíveis fósseis.
Na Europa, o caminho foi diferente, mas igualmente interessante.
Aqui apostou-se sobretudo no biodiesel, um combustível produzido a partir de óleos vegetais, como colza e girassol, ou até a partir de óleos alimentares usados recolhidos em restaurantes e habitações. O processo químico transforma esses óleos num combustível compatível com motores a gasóleo convencionais.
Em Lisboa, a empresa pública Carris já realizou testes com autocarros movidos a biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados, um exemplo concreto de economia circular em que resíduos da cozinha se transformam em combustível para transporte público. Portugal produz biodiesel principalmente a partir de óleos alimentares usados e de culturas agrícolas como colza e girassol, sendo já obrigatória a incorporação de biocombustíveis nos combustíveis rodoviários vendidos nas bombas.
E então começou outra revolução.
Depois de mais de um século dominado pelos motores de combustão, o automóvel entrou na sua maior transformação: os carros elétricos.
Em vez de queimarem combustível, estes veículos armazenam energia em baterias — conjuntos de células eletroquímicas, pequenos dispositivos químicos capazes de armazenar e libertar eletricidade através de reações químicas, geralmente à base de iões de lítio — e utilizam essa energia para alimentar motores elétricos que convertem eletricidade em movimento de forma extremamente eficiente. Não existe combustão nem produção direta de gases de escape, e as perdas energéticas sob a forma de calor são muito inferiores às de um motor de combustão interna. A eficiência de um motor elétrico pode ser duas a três vezes superior à de um motor a gasolina equivalente.
O grande desafio continua a ser a bateria: armazenar energia suficiente para garantir longas autonomias — isto é, permitir que o automóvel percorra grandes distâncias sem necessidade de recarregar —, permitir carregamentos rápidos e manter o desempenho durante muitos anos sem degradação significativa. É aqui que a química, a eletroquímica e a ciência dos materiais assumem um papel decisivo e onde se concentra uma parte enorme da investigação científica atual.
O motor de combustão demorou mais de um século a atingir a maturidade tecnológica. O motor elétrico poderá estar apenas no início da sua revolução.
A história do automóvel foi sempre, no fundo, a história da forma como os seres humanos aprenderam a transformar energia em movimento.