Termóstato bimetálico

O termóstato bimetálico mantém uma temperatura com uma lâmina feita de dois metais unidos face contra face. Um dilata-se mais do que o outro quando aquece, a lâmina curva-se e o seu movimento abre ou fecha um registo, uma válvula ou um contacto elétrico. Jean Simon Bonnemain descreveu em 1782 um regulador de calor movido pela dilatação desigual do ferro e do latão; Andrew Ure chamou termóstato à lâmina rebitada por volta de 1830.

O que é

Um termóstato mantém uma temperatura perto de um valor escolhido deixando entrar mais ou menos calor. Num termóstato bimetálico, a parte que sente a temperatura é uma lâmina formada por dois metais que dilatam de maneira diferente, unidos em todo o comprimento. Não precisa de energia própria: o calor curva a lâmina, e essa curvatura faz o trabalho.

No tipo que Andrew Ure descreveu em 1839 no seu Dictionary of Arts, Manufactures, and Mines, uma barra direita de latão e aço rebitados face contra face está presa por uma ponta. A ponta livre puxa uma alavanca que faz rodar um registo num tubo que traz ar quente para uma sala. Quando a sala aquece, a barra curva-se e o registo fecha-se; quando arrefece, a barra endireita-se e o registo volta a abrir. Ure indicava usos em estufas, banhos-maria, alambiques, caldeiras e na ventilação de salas.

Como funciona

Ao aquecer, o latão cresce mais do que o aço e tem de ocupar o lado exterior, mais comprido, da curva.

Os sólidos alongam-se um pouco quando aquecem, e nem todos o mesmo: o latão mais do que o aço, o alumínio mais do que o papel. Se duas lâminas estiverem unidas com tanta firmeza que não possam deslizar uma sobre a outra, a que cresce mais tem de ocupar o lado de fora, o mais comprido, de uma curva. A lâmina curva-se, portanto, para o metal que dilata menos, e volta a endireitar-se ao arrefecer. Um termómetro aproveita a dilatação de um líquido para dar uma leitura; a lâmina transforma a dilatação num movimento capaz de empurrar uma alavanca.

Esse movimento é pequeno e depende da lâmina. Stephen Timoshenko, que elaborou a sua teoria em 1925, mostrou que a curvatura cresce com a diferença de dilatação entre os dois metais e com a variação de temperatura, e que uma lâmina mais fina se curva mais. Uma lâmina mais comprida desloca mais a sua ponta. Ure dispôs barras em espiral à volta de um registo rotativo, e Warren Johnson enrolou a sua lâmina em espiral; Ure também usava alavancas para ampliar o movimento antes de este chegar à válvula ou ao registo.

O que esse movimento comanda depende do aparelho. Nos reguladores de Bonnemain e de Ure, a barra roda pouco a pouco um registo ou uma torneira, de modo que a entrada de calor acompanha a temperatura. Num termóstato elétrico, a lâmina abre ou fecha um contacto que liga ou desliga um circuito. Em todos os casos é possível escolher a temperatura: com uma porca de regulação no tirante, com um parafuso que desloca a ponta fixa ou com um contacto que se aproxima ou afasta. Cada um muda o quanto a lâmina tem de se curvar antes de atuar.

Como fazer

Aquecida por baixo, a tira de papel e alumínio curva-se, afasta-se do contacto e apaga o LED.

Uma tira de folha de alumínio colada a papel curva-se como um bimetal, porque o alumínio dilata mais do que o papel; os centros de ciência usam-na para mostrar o efeito. Corte uma tira de papel de impressora e uma tira de folha de alumínio de cozinha, com cerca de 1 cm de largura e 20 cm de comprimento, e cole-as em todo o comprimento com um tubo de cola, alisando as bolhas. Faça uma segunda tira de papel colado a papel, como termo de comparação. Deixe as duas secar na horizontal durante a noite.

Para fazer dela um termóstato, cole uma mola de roupa de madeira sobre um taco e prenda nela uma ponta da tira de alumínio, com o alumínio para baixo, de modo que fique saliente na horizontal. Cole um pequeno quadrado de alumínio num segundo taco colocado debaixo da ponta livre, para que a ponta da tira assente nele. Ligue em circuito fechado um suporte de duas pilhas AA, um LED vermelho e uma resistência de cerca de 100 ohms, e interrompa o circuito na tira: um fio fica apertado contra o alumínio dentro da mola, o outro fica preso com fita-cola ao quadrado de alumínio. Ponha a perna mais comprida do LED do lado do polo positivo. Quando a tira assenta no contacto, o LED acende-se; aqui faz o papel do aquecimento.

Encha um frasco de vidro com água quente da torneira, enrosque bem a tampa para que não saia vapor, seque o exterior e ponha-o debaixo do meio da tira, uns centímetros abaixo. Ao aquecer, a tira curva-se para cima, a ponta deixa o contacto e o LED apaga-se: o aquecimento foi desligado. Retire o frasco: ao arrefecer, a tira volta a ficar plana, toca de novo no contacto e o LED volta a acender. Segure da mesma maneira a tira só de papel por cima do frasco: quase não se mexe, porque as suas duas camadas dilatam por igual. Subir ou descer o taco do contacto muda o calor a que a luz se apaga, como a porca de regulação do termóstato de Ure.

História e evolução

Os relojoeiros foram os primeiros a encontrar o problema, porque a haste de um pêndulo se alonga com o calor e o relógio atrasa. Entre 1725 e 1728, John Harrison concebeu um pêndulo de grelha com hastes alternadas de dois metais, dispostas de modo que a dilatação de um compensasse a do outro, e montou-o nos relógios de precisão que construiu com o irmão James. Para o seu terceiro relógio marítimo, H3, começado em 1740, fez uma lâmina de latão e aço unidos, que os Royal Museums Greenwich contam entre as invenções duradouras desse relógio. No H4, de 1759, a lâmina a que Harrison chamava o seu thermometer kirb leva na ponta livre os pinos que seguram a espiral do balanço, de modo que o comprimento útil da espiral muda com a temperatura. Estas lâminas corrigiam a marcha de um relógio e não regulavam calor nenhum.

O regulador de Bonnemain tal como foi publicado: o tubo de chumbo alonga-se mais do que a haste de ferro que contém e fecha a entrada de ar do fogo.

O regulador de calor datado mais antigo movido por dois metais é francês. A 14 de agosto de 1782, Jean Simon Bonnemain depositou na Academia das Ciências de Paris uma memória selada sobre o seu «régulateur du feu», com desenhos. A historiadora Emmanuelle Gallo, que a estudou, descreve uma haste dupla de ferro e latão cuja dilatação desigual movia uma alavanca; esta abria ou fechava uma porta que deixava entrar ar na fornalha, e regulava assim a força do fogo. Bonnemain usou-o nas chocadeiras da criação de frangos que tinha perto de Paris, e indicou entre os seus usos as estufas, os banhos e o aquecimento de carruagens. O historiador da técnica Otto Mayr data a sua patente de 1783. A versão que Bonnemain publicou em 1824, e que Andrew Ure descreveu em 1839, tinha uma haste de ferro dentro de um tubo de chumbo mergulhado na água da caldeira, e um mostrador para a regular entre calor forte e calor fraco.

Ure, químico escocês que conhecera Bonnemain em Paris por volta de 1815, patenteou um regulador formado por duas barras finas de metais diferentes, rebitadas ou soldadas face contra face. No seu Dictionary indica o ano de 1831; outras fontes dizem 1830. Chamou-lhe termóstato. Duas réguas compridas, uma de aço e outra de latão batido a martelo, moviam alavancas que acionavam válvulas, torneiras, registos de fogão e ventiladores, com o fim, escreveu, de regular a temperatura e não apenas de a indicar.

Em 1883, Warren S. Johnson, professor na State Normal School de Whitewater, no Wisconsin, patenteou um «teletermoscópio» elétrico. Uma espiral de latão e aço de mola inclinava um balanceiro cujas pontas mergulhavam em taças de mercúrio; o circuito assim fechado indicava se a sala estava fria ou quente demais e fazia tocar uma campainha para o encarregado. A empresa que fundou tornou-se a Johnson Controls. Os Royal Museums Greenwich notam que a lâmina bimetálica continua a ser usada em termóstatos de todos os tipos.