Fontes alternativas de energia diag web by Ricardo

1ª edição

Fontes Alternativas de Energia

Fontes Alternativas de Energia Paulo César Oliveira Carvalho

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DIREÇÃO SUPERIOR Chanceler

Joaquim de Oliveira

Reitora

Marlene Salgado de Oliveira

Presidente da Mantenedora

Wellington Salgado de Oliveira

Pró-Reitor de Planejamento e Finanças

Wellington Salgado de Oliveira

Pró-Reitor de Organização e Desenvolvimento

Jefferson Salgado de Oliveira

Pró-Reitor Administrativo

Wallace Salgado de Oliveira

Pró-Reitora Acadêmica

Jaina dos Santos Mello Ferreira

Pró-Reitor de Extensão

Manuel de Souza Esteves

DEPARTAMENTO DE ENSINO A DISTÂNCIA Gerência Nacional do EAD Gestor Acadêmico

Bruno Mello Ferreira Diogo Pereira da Silva

FICHA TÉCNICA Texto: Paulo César Oliveira Carvalho Revisão Ortográfica: Rafael Dias de Carvalho Moraes Projeto Gráfico e Editoração, Antonia Machado, Eduardo Bordoni, Fabrício Ramos e Victor Narciso Supervisão de Materiais Instrucionais: Antonia Machado Ilustração: Eduardo Bordoni e Fabrício Ramos Capa: Eduardo Bordoni e Fabrício Ramos

COORDENAÇÃO GERAL: Departamento de Ensino a Distância Rua Marechal Deodoro 217, Centro, Niterói, RJ, CEP 24020-420

www.universo.edu.br

Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universo – Campus Niterói

Bibliotecária: ELIZABETH FRANCO MARTINS – CRB 7/4990 Informamos que é de única e exclusiva responsabilidade do autor a originalidade desta obra, não se responsabilizando a ASOEC pelo conteúdo do texto formulado. © Departamento de Ensi no a Dist ância - Universidade Salgado de Oliveira Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida, arquivada ou transmitida de nenhuma forma ou por nenhum meio sem permissão expressa e por escrito da Associação Salgado de Oliveira de Educação e Cultura, mantenedora da Universidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO).

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Palavra da Reitora

Acompanhando as necessidades de um mundo cada vez mais complexo exigente e necessitado de aprendizagem contínua, a Universidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO) apresenta a UNIVERSO Virtual, que reúne os diferentes segmentos do ensino a distância na universidade. Nosso programa foi desenvolvido segundo as diretrizes do MEC e baseado em experiências do gênero bem-sucedidas mundialmente. São inúmeras as vantagens de se estudar a distância e somente por meio dessa modalidade de ensino são sanadas as dificuldades de tempo e espaço presentes nos dias de hoje. O aluno tem a possibilidade de administrar seu próprio tempo e gerenciar seu estudo de acordo com sua disponibilidade, tornando-se responsável pela própria aprendizagem. O ensino a distância complementa os estudos presenciais à medida que permite que alunos e professores, fisicamente distanciados, possam estar a todo momento ligados por ferramentas de interação presentes na Internet através de nossa plataforma. Além disso, nosso material didático foi desenvolvido por professores especializados nessa modalidade de ensino, em que a clareza e objetividade são fundamentais para a perfeita compreensão dos conteúdos. A UNIVERSO tem uma história de sucesso no que diz respeito à educação a distância. Nossa experiência nos remete ao final da década de 80, com o bemsucedido projeto Novo Saber. Hoje, oferece uma estrutura em constante processo de atualização, ampliando as possibilidades de acesso a cursos de atualização, graduação ou pós-graduação. Reafirmando seu compromisso com a excelência no ensino e compartilhando as novas tendências em educação, a UNIVERSO convida seu alunado a conhecer o programa e usufruir das vantagens que o estudar a distância proporciona. Seja bem-vindo à UNIVERSO Virtual! Professora Marlene Salgado de Oliveira Reitora. 3

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Sumário

Apresentação da disciplina ................................................................................................ 7 Plano da disciplina .............................................................................................................. 9 Unidade 1 – Oferta de Energia no Brasil e no Mundo.................................................... 11 Unidade 2 – Formas de conversão de energia............................................................. 33 Unidade 3 – Tipos de combustíveis................................................................................ 56 Unidade 4 – Ciclos principais dos motores térmicos ................................................. 73 Unidade 5 – Energia Solar e Eólica (uma realidade). .................................................. 97 Unidade 6 – Energia nuclear e outras formas de Energia. ........................................ 123

Considerações finais ......................................................................................................... 143 Conhecendo o autor......................................................................................................... 145 Referências .......................................................................................................................... 147 Anexos.................................................................................................................................. 149

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Apresentação da Disciplina

Caros alunos, O Brasil é hoje o país que mais se destaca quando se trata de fontes de energia renováveis, devido a alta capacidade de transformar energia limpa através de fontes alternativas. Podemos dizer que as Fontes de Energia renováveis no Brasil representam aproximadamente quase 90% de toda energia

produzida

internamente, de acordo com o Balanço Energético Nacional, realizado pela EPE (Empresa de Pesquisa Energética), divulgado no ano de 2009. Esta temática se tornou preponderante após a década de 70, quando o mercado do Petróleo teve um considerável aumento. A partir deste fato, o Brasil iniciou um projeto de pesquisa e desenvolvimento de fontes alternativas para a geração de energia. Pela vegetação nativa típica e em abundância ser principalmente a cana-de-açúcar, o Etanol foi uma das primeiras fontes a serem exploradas. No ano de 2009, foi realizado o Primeiro Leilão de Energia Eólica, com a intenção de diversificar a captação deste tipo de energia e no mesmo ano, aconteceu uma enorme crise no segmento de Energia no país, pois após um grande período de seca, os níveis de rios ficaram baixos e o volume de água era insuficiente para abastecer as Barragens Hidroelétricas, por este motivo, o nosso governo incentivou ainda mais a pesquisa em fontes de energia renováveis. A Associação Brasileira de Energia Eólica considera que o potencial de geração para energia eólica do país é de 143 Giga watts. Outras fontes de energia renováveis no Brasil são: a Energia Solar, cuja primeira Usina foi construída em 2011, no sertão do Ceará, na cidade de Tauá, construída para gerar energia para abastecimento comercial no Brasil. A capacidade inicial é de 1 Megawatt.

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E outra muito importante, é a Biomassa, recém-descoberta, e que é uma fonte de energia limpa, pois polui pouco e ainda utiliza o lixo orgânico, resíduos agrícolas e óleo vegetal para a produção de energia, além de bagaço de cana. A energia de Biomassa já representa 27% de toda energia produzida do Brasil. O grande diferencial desta fonte de energia é o baixo custo de implantação, como também seu potencial de benefício tanto para o desenvolvimento quanto para o meioambiente. A matriz energética brasileira continua sendo abastecida principalmente por usinas hidrelétricas, também consideradas uma fonte de energia renovável, mas que nesta década apresenta uma crise devido ao baixo índice pluviométrico em várias regiões brasileiras. O foco principal desta disciplina é dotar os alunos de conhecimentos de todas as fontes alternativas de energia que já existem ou que estão em processo de pesquisa e implantação.

Bons estudos!

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Plano da Disciplina

Uma nova etapa se inicia e com ela novas conquistas e novos horizontes. Nesta disciplina você terá a oportunidade de conhecer um pouco mais sobre a oferta e o consumo de energia por fonte no Brasil e no mundo. Mais adiante são discutidas as opções energéticas e os impactos delas nas mudanças climáticas e no aquecimento global, provocados pela queima de combustíveis fósseis. Por fim, é examinada a importância para o planeta das chamadas fontes alternativas e renováveis de energia. O conteúdo será abordado na seguinte ordem: Unidade 1: Oferta de Energia no Brasil e no Mundo Os alunos aprenderão, a partir de gráficos, textos e tabelas, a examinar a oferta, a distribuição e o consumo de energia no Brasil e no mundo, obtendo um panorama do assunto, que pode ser analisado posteriormente para criar propostas voltadas para a solução de problemas, como a crise energética no setor hidrelétrico. Objetivo da Unidade: Examinar e comparar Tabelas e Gráficos, com atenção para a natureza das fontes de Energia (renováveis e não renováveis) e sua importância para a engenharia da produção e a sociedade consumidora.

Unidade 2: Formas de conversão de energia Sistema de Conversão de Energia, como por exemplo, o Termomecânico com base no ciclo Stirling está a cada dia mais utilizados para aproveitamento de energias limpas/renováveis. Objetivo da Unidade: Compreender as Formas de conversão de energia. Termomecânico, eletromecânico. Termoelétrico, Fotovoltaico, Eletroquímico. Viabilizar uma nova concepção técnica do dispositivo procurando-se o aumento da eficiência do sistema quanto à relação volume do equipamento por produção de potência. 9

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Unidade 4: Ciclos principais dos motores térmicos. Principios e funcionamento dos motores térmicos e suas eficiências e rendimentos. Objetivo da Unidade: Capacitar o aluno a analisar os principais ciclos termodinâmicos e equipamentos térmicos utilizados nos sistemas produtivos.

Unidade 5: Energia Solar e Eólica (uma realidade). A Energia nossa de cada dia, dependente apenas da nossa generosa Geografia. Sempre abundante. Objetivos da unidade: No fim desta unidade, os estudantes devem ser capazes de: Aplicar os conhecimentos adquiridos no concernente à tecnologia de conversão de energia térmica em mecânica; Compreender o fenômeno de transformação de energia cinética de um gás em energia mecânica em um dispositivo de êmbolo alternativo; Entender o funcionamento de Motores de Combustão Externa e Interna; Propor melhorias com a finalidade de elevar a eficácia na conversão de energia.

Unidade 6: ENERGIA NUCLEAR e outras formas de Energia. A Energia oriunda do átomo. Uma forma de energia compacta e abundante que quando liberada pode ser uma bênção ou se tornar maldição. Outras formas de Energias Renováveis que se pode conseguir em abundância, mas que ainda são pesquisas recentes.

Objetivo da Unidade: Compreender os mecanismos e importância energética do átomo e os tipos de reações e seus impactos no meio ambiente. Conhecer novos tipos de Energia com menor prejuízo ambiental e econômico. Bons estudos!

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Oferta de Energia no Brasil e no Mundo

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Nesta unidade, os alunos aprenderão, a partir de gráficos, textos e tabelas, a examinar a oferta, a distribuição e o consumo de energia no Brasil e no mundo, obtendo um panorama do assunto, que pode ser analisado posteriormente para criar propostas voltadas para a solução de problemas, como a crise energética no setor hidrelétrico.

Objetivo da unidade: Examinar e comparar Tabelas e Gráficos, com atenção para a natureza das fontes de Energia (renováveis e não renováveis) e sua importância para a engenharia da produção e a sociedade consumidora.

Plano da unidade: 

Exemplos de fontes alternativas de energia:



Importância do uso de fontes alternativas de energia



Fontes alternativas de energia no Brasil



A Crise de Energia no Brasil



Soluções para a crise atual existem.



Vantagens e desvantagens da produção de energia em hidrelétricas

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As alternativas Energéticas precisam ser viáveis

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Matriz Energética no Brasil e no Mundo

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Oferta Interna de Energia – Brasil 2007 (%)



Oferta Interna de Energia Elétrica, por Fonte (%).

Bons estudos!

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As Energias Alternativas são aquelas surgidas como soluções para diminuir o impacto ambiental e para contornar o uso de matéria-prima que normalmente é não renovável no caso da energia convencional, como o carvão e petróleo, por exemplo. Existem algumas delas que já alcançaram grandes avanços e estão bastante difundidas. A Energia Solar e a Energia Eólica vêm tomando lugar antes ocupado pela energia elétrica convencional com custo menor, e como a vantagens de ser grátis, precisando apenas de um investimento inicial.

Exemplos de fontes alternativas de energia: - Energia eólica - gerada a partir do vento. - Energia solar (fotovoltaica) - gerada a partir dos raios solares. - Energia geotérmica – obtida a partir do calor contida nas camadas mais profundas da terra. - Energia mare motriz (das mares) – gerada a partir da energia contida nas ondas do mar. - Biomassa – obtida a partir de matéria orgânica, principalmente de origem vegetal como, por exemplo, cana-de-açúcar. - Nuclear - gerada através do processo de fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido - Biogás – obtido dos gases provenientes da decomposição de resíduos orgânicos.

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Importância do uso de fontes alternativas de energia - Grande parte destas fontes é renovável. Essa é uma grande vantagem, pois, como sabemos o petróleo um dia vai acabar e o país que ficar dependente desta fonte de energia poderá enfrentar sérios problemas energéticos. - Apresentam baixo ou nenhum índice de geração de poluição ambiental. - Embora sejam mais caras para implantar o sistema de geração de energia, em longo prazo, são capazes de gerar economia. - Unidades geradoras podem ser instaladas em áreas de difícil acesso para a chegada de fontes tradicionais de energia. - Diversificação de fontes de energia alternativa tira do país a dependência das fontes tradicionais, que muitas vezes podem ser controladas por empresas estrangeiras ou outros países.

Fontes alternativas de energia no Brasil Infelizmente o Brasil ainda usa pouco as fontes alternativas de energia. Grande parte da energia elétrica gerada no Brasil tem como origem as usinas hidrelétricas. Esse é um grande problema, pois em casos de crise hídrica (ocasionada por falta de chuvas, como ocorreu no início de 2014) pode ocasionar necessidade de racionamento de energia, além do aumento do preço.

A Crise de Energia no Brasil “Apagão” a crise de energia elétrica no Brasil. No Brasil, mais de 90% da energia é produzida nas hidrelétricas, que dependem de água em níveis adequados em seus reservatórios para gerar energia. A instalação de barragens para a construção de usinas iniciou-se no Brasil a partir do final do século XIX, mas foi após a Segunda Grande Guerra Mundial (1939-1945) que a adoção de hidrelétricas passou a ser relevante na produção de energia brasileira.

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Apesar de o país apresentar o terceiro maior potencial hidráulico do mundo (atrás apenas de Rússia e China), o Brasil importa parte da energia hidrelétrica que consome. Isso porque a maior hidrelétrica das Américas e segunda maior do mundo, a Usina de Itaipu, não é totalmente brasileira. Por se encontrar na divisa do país com o Paraguai, 50% da produção da usina pertence ao país vizinho que, na incapacidade de consumir esse montante, vende o excedente para os brasileiros. Além do mais, o Brasil também compra energia produzida pelas hidrelétricas argentinas de Garabi e Yaceritá. Muitos analistas destacam a desnecessidade da importação de energia elétrica para completar o abastecimento do país e culpam a falta de investimento, uma vez que o país só aproveita 25% do potencial hidráulico existente. Por outro lado, a construção de usinas esbarra em questões burocráticas, como o orçamento e planejamento administrativo e em questões ambientais, pois a construção de barragens para a produção de energia pode causar danos ao meio ambiente. A produção de energia elétrica no Brasil é realizada através de dois grandes sistemas estruturais integrados: o sistema Sul-Sudeste-Centro-Oeste e o sistema Norte-Nordeste, que correspondem, respectivamente, por 70% e 25% da produção de energia hidrelétrica no Brasil. A partir de 1990, houve uma redução no investimento em construções de hidrelétricas no país. Com isso, em 1995, ocorreu um amplo processo de privatização do setor elétrico, com a perspectiva de que tal medida proporcionasse ampliação de investimentos nesse setor. Entretanto, tais expectativas não foram atendidas e as consequências foram os sucessivos apagões e o estabelecimento de uma crise energética no Brasil, que culminou no racionamento de energia realizado em 2001. As causas da crise de eletricidade que enfrentamos têm sido amplamente discutidas na imprensa e parecem ser bem compreendidas: a expansão do sistema de hidrelétricas – a principal fonte de energia elétrica no Brasil – tem sido feita nas últimas décadas em usinas a fio d’água. Isto é, sem reservatórios de água que mantenham as usinas em funcionamento mesmo quando não chove durante longos períodos de tempo.

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Prevista e anunciada por diversos organismos da sociedade (institutos de análise econômico-social, especialistas, partidos políticos, parlamentares), especialmente nos últimos dois anos, a eminente crise energética, oficialmente, sempre foi negada pelo Governo. “Em 99, o Ministério das Minas e Energia (MME) e da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) elaboraram um Plano Emergencial de Energia Elétrica, para enfrentar a prevista crise de 2001. Já constava naquele documento oficial a inevitável ameaça de racionamento para este ano”, disse o especialista em energia Adilson de Oliveira, do Instituto de Economia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). A crise não surgiu por acaso e nem a causa pode ser resumida a um só item. Esse processo tem como referência histórica a redução de investimentos na transmissão, distribuição e conservação de energia elétrica; a dependência do país com relação às usinas hidrelétricas, responsáveis pela produção de quase a totalidade (mais de 90%) da energia consumida no território nacional; as transformações ambientais, incluindo os baixos índices pluviométricos, que produziram impactos negativos na matriz energética brasileira; aumento da demanda em razão do desenvolvimento de novos empreendimentos nos diferentes setores da economia (agricultura, indústria e serviços) associado a um aumento de consumo residencial de energia elétrica.

Riscos de déficit de energia maiores do que 5% no antigo sistema. Fonte: Plano Decenal de Expansão (2000-2009).

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Atualmente, os reservatórios das hidrelétricas estão praticamente no mesmo nível de 2001 e certamente teríamos um racionamento se não tivessem sido instaladas usinas termoelétricas, que usam gás, óleo combustível e até carvão. Sua construção foi iniciada no fim do governo Fernando Henrique e o governo Lula/Dilma Rousseff deu-lhes andamento. Mas energia gerada por elas é muito mais cara do que a das hidrelétricas. Mesmo assim, o risco de racionamento não foi afastado, porque todas as termoelétricas disponíveis já foram acionadas e se a seca continuar faltará energia. A razão para tal é simples: as alternativas de geração de eletricidade disponíveis – que são as usinas eólicas (movidas pela força do vento) e as termoelétricas queimando bagaço – não foram estimuladas pelo governo, no fundo, por motivos ideológicos.

Soluções para a crise atual existem.

No curto prazo, é preciso remover os obstáculos para que a eletricidade do bagaço de cana-de-açúcar possa competir nos leilões da EPE e tomar providências para completar a ligação de centrais eólicas ao sistema de transmissão. No longo prazo, é preciso reanalisar o planejamento de novas hidrelétricas – incluindo reservatórios adequados de água – e acelerar medidas de racionalização do uso de eletricidade, que até agora são voluntárias. Não basta, por exemplo, etiquetar geladeiras alertando os compradores sobre quais são os modelos mais eficientes, é necessário proibir a comercialização das geladeiras com alto consumo de energia, como fazem muitos países.

Vantagens e desvantagens da produção de energia em hidrelétricas Existe uma série de vantagens e desvantagens na construção de barragens para a geração de energia a partir das hidrelétricas. Dessa forma, cabe ao governo e à população do país pesar os pontos positivos e negativos para avaliar a necessidade da expansão desse tipo de política energética.

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Entre as vantagens, podemos citar, primeiramente, que a água é um recurso renovável (desde que seja garantida a preservação das nascentes dos rios). Em segundo lugar está o fato de que o seu custo é bem inferior ao de outros tipos de usinas, como as termelétricas, as eólicas e as nucleares. Além disso, as hidrelétricas não acarretam para a geração de poluentes na atmosfera, a exemplo das termelétricas. Entre as desvantagens, assinala-se o espaço ocupado pelo represamento de rios para a construção das barragens (observe a figura a seguir).

Barragem em rio para geração de Energia Hidrelétrica.

Esse espaço pode se dar em áreas de reservas florestais, ricas em fauna e flora, que contribuem para a manutenção da vida em determinadas áreas. Além disso, a área ocupada pode ser habitat de comunidades indígenas e populações tradicionais, que veem nesse espaço não somente um local de moradia, mas também um espaço afetivo, longe do qual dificilmente irão se adaptar.

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As alternativas Energéticas precisam ser viáveis

Como em toda crise, autoridades, especialistas e até a sociedade discutem as possíveis soluções para o setor de energia elétrica no Brasil. São muitas as alternativas. Busca-se, no entanto, critérios de viabilidade. Ao contrário do que dizem alguns especialistas do setor, há quem considere a dependência hidrológica do setor de energia elétrica do Brasil uma vantagem. Além do custo de geração mais baixo, o sistema hídrico proporciona suprimento de energia mesmo quando não há investimento no setor. As usinas termoelétricas, por exemplo, não possuem a maleabilidade das hídricas, o que permitiu inclusive “esconder da sociedade a real situação de deterioração das reservas e da confiabilidade do sistema”.

Matriz Energética no Brasil e no Mundo

No mundo a matriz energética é composta de petróleo (34,4%), carvão (26,0%), gás natural (20,5%), biomassa (2,2%), urânio (6,2%) e renováveis (2,2%). No entanto o panorama no Brasil apresenta uma parcela maior para a utilização de seus recursos hídricos, embora a sua fonte principal ainda seja o petróleo e seus derivados. A dependência desta fonte energética é explicada pelo rodoviarismo implantado como meio de escoamento dos produtos aqui produzidos em direção ao resto do país e aos portos rumo às exportações. A falta de investimentos por parte do governo federal na infraestrutura citada acaba por atrapalhar diretamente o crescimento do PIB brasileiro, que foi divulgado esta semana (2,9% em 2006). O agro business precisa de formas eficientes de transporte de seus produtos e infelizmente, grandes parte dessa produção se perde no meio do caminho. Está mais do que provado que o agro business é um negócio que a curto-médio prazo atrairia muito capital para o Brasil sem a necessidade de grandes investimentos como na indústria, é uma atividade que ainda pode crescer muito. As estradas

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estão abandonadas, os portos sempre necessitam de trabalhos de dragagem (US$7,00/m3 de terra retirada do leito do porto) e o transporte fluvial é quase inexistente. O governo atua como subsidiador do Diesel, mas não basta para se manter essa estrutura.

O gráfico abaixo mostra os percentuais de participação de energia renovável no mundo.

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Oferta Interna de Energia – Brasil 2007 (%) A Oferta Interna de Energia (OIE) – energia necessária para mover a economia cresceu 3% até setembro de 2014 na comparação com o mesmo período do ano anterior. O dado consta no Boletim Mensal de Energia (setembro de 2014), publicação da Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético do Ministério de Minas e Energia (MME). Ao final daquele ano, a taxa de crescimento da OIE foi de 2,8%, fundamentada em altos desempenhos do uso de energia no transporte de veículos leves, do consumo residencial e comercial de energia elétrica e da produção de celulose; e em baixos desempenhos da geração hidráulica, do setor sucroalcooleiro e das commodities de exportação. O consumo de energia elétrica residencial apresenta taxa de crescimento de 5,9% no acumulado de 2014, e o consumo comercial de 7,8%. Já o consumo industrial acumula taxa negativa de 3%, esta influenciada por forte retração na produção de alumínio. O consumo total de energia elétrica apresentou crescimento de 2,5% em setembro. As taxas de crescimento da produção de petróleo e de gás natural reduziram a dependência externa de energia de 14% em 2013 para um pouco menos de 13% em 2014. Nos veículos leves do Ciclo Otto, movidos por gasolina, etanol e gás natural, a demanda de combustíveis apresenta aumento de 6,6% até setembro, superior ao aumento verificado em todo o ano de 2013, de 6,1%, mas inferior ao indicador de 2012, de 8,7%. O ano de 2015 iniciou com a expectativa de que a demanda total de energia do Brasil pudesse ter uma expansão próxima de 2% ao longo dos seus doze meses. Atualmente, as expectativas já são bem diferentes, indicando que poderá haver recuo de mais de 1% na demanda de energia no ano. Os vetores de inversão dos rumos são as altas contínuas dos juros, da inflação, do desemprego e dos preços administrados. Os indicadores econômicos e energéticos, até o mês de agosto, mostram que a Oferta Interna de Energia (OIE) recuou 0,5%. A Oferta Interna de Energia (OIE) ou Demanda brasileira de energia, representa a energia necessária para movimentar a economia – inclui o consumo final de energia nos setores econômicos e residenciais, as perdas no transporte e distribuição de energia e as perdas nos processos de transformação de energia.

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A Oferta Interna de Energia Elétrica (OIEE) foi estimada em 617 TWh para 2015, com recuo de 1,2% sobre 2014. Até 27/10 a carga do Sistema Interligado Nacional estava 1,1% negativa.

Oferta Interna de Energia Elétrica, por Fonte (%).

Fonte: adaptado pelo autor.

E assim terminamos nossa primeira unidade, onde você estudou a oferta energética no Brasil e no Mundo e a Crise provocada pela falta de planejamento e problemas ambientais. Na unidade seguinte você irá estudar e compreender as Formas de conversão de energia.

É hora de se avaliar Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem.

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Exercícios – Unidade 1

1.Para a produção de energia elétrica faz-se necessário represar um rio, construindo uma barragem, que irá formar um reservatório (lago). A água represada moverá as turbinas, que produzirão a energia. Entre os impactos ambientais causados por esta construção, podem-se destacar: a) aumento da temperatura local e chuva ácida. b) alagamentos e desequilíbrio da fauna e da flora. c) alagamento de grandes áreas e aumento do nível dos oceanos. d) alteração do curso natural do rio e poluição atmosférica. e) alagamentos e poluição atmosférica.

2.O uso de combustíveis está diretamente relacionado a sua origem, se renovável ou não. No caso dos derivados do petróleo e do álcool de cana-deaçúcar, essa diferenciação se caracteriza: a) Pelo tempo de reciclagem do combustível utilizado. Neste caso, o tempo maior seria para o álcool. b) Pela diferença na escala de tempo de formação das fontes: período geológico para o petróleo e ciclo anual para a cana. c) Pelo tempo gasto no processo de refinamento do petróleo. d) Pelo tempo de combustão para uma mesma quantidade de combustível. Neste caso, o tempo maior seria para os derivados do petróleo. e) Pela quantidade de partículas lançadas no ar. Os derivados do petróleo lançam bem mais partículas.

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3.Assinale a alternativa correta com relação aos recursos energéticos. a) São chamadas de combustíveis fósseis as fontes energéticas geradas pela fossilização de material orgânico. Os mais importantes combustíveis fósseis são o carvão, o petróleo e os derivados do álcool. b) Os combustíveis fósseis, recursos finitos e não renováveis, têm os custos econômicos de sua exploração encarecidos quando a sua localização ocorre em consideráveis profundidades. c) A queima de combustíveis fósseis provoca a liberação de gás carbônico na atmosfera, o que ocasiona o resfriamento das temperaturas globais. d) Os maiores responsáveis pela poluição atmosférica causada pela queima dos combustíveis fósseis são os países periféricos, uma vez que as indústrias dos países tecnologicamente mais avançados já operam, em sua maioria, com a chamada "tecnologia limpa". e) A Organização dos Países Exportadores de Petróleo (OPEP) congrega exclusivamente países árabes, constituindo-se numa organização essencialmente política, baseada no poder econômico possibilitado pelo domínio da exploração do mais importante dos combustíveis.

4.Gerar energia é, atualmente, uma das necessidades fundamentais do mundo contemporâneo. Observe o gráfico a seguir.

(http://sciences blogs.liberation.fr)

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Considerando-se o atual contexto econômico mundial e a leitura do gráfico é correto afirmar que o consumo de energia: a) da China apresentou forte crescimento, pois, apesar de baseado no carvão mineral, tem sido impulsionado pela expansão da indústria e diversificação das fontes de energia utilizadas. b) dos Estados Unidos tem apresentado ligeiro declínio devido ao compromisso do governo estadunidense em cumprir as metas do Protocolo de Quioto de redução da poluição. c) da União Europeia manteve-se estável no período porque vários membros do bloco têm encontrado dificuldades de importar o gás natural da Rússia. d) dos Estados Unidos e da União Europeia tem se mantido em queda devido às constantes crises geopolíticas que ocorrem no Oriente Médio, principal fornecedor de petróleo. e) do Japão está em declínio desde o início do século XXI porque o país tem fechado sistematicamente as usinas nucleares, optando pelas termelétricas.

5.A apropriação antrópica dos recursos naturais renováveis e não renováveis como fontes energéticas tem aumentado consideravelmente nas últimas décadas, trazendo consequências socioambientais desastrosas para grande parte das populações da Terra. Neste contexto, é correto afirmar que (o) (a)(s): a) biocombustíveis obtidos do aproveitamento de matérias-primas diversas têm sido a esperança de uma obtenção mais limpa de energia oriunda de recursos naturais renováveis. O Brasil é um dos países que tem investido na tecnologia de sua fabricação com aproveitamento de vegetais como a cana-de-açúcar para fabricação do etanol e da mamona e outros para o biodiesel. b) hidroeletricidade constitui a matriz energética da maioria dos países desenvolvidos industrializados, sendo considerada uma forma de energia não poluente, de baixo custo de aquisição e renovável, por estes motivos é largamente utilizada.

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c) carvão mineral é um dos combustíveis fósseis de recente utilização pelo setor fabril com um aproveitamento energético expressivo, em razão das insignificantes consequências ambientais que sua exploração acarreta, quase sempre pouco danosas no que diz respeito ao meio ambiente. d) petróleo é a principal fonte energética do planeta, sendo matéria prima fundamental para vários tipos de indústrias, é um combustível bastante nocivo para a saúde humana. Nos últimos anos, sua utilização tem diminuído de forma significativa em função do aumento do uso dos biocombustíveis. e) gás natural é pouco utilizado como fonte energética devido aos elevados custos de exploração e comercialização, pois seu transporte é extremamente difícil e dispendioso, além de apresentar uma forma de aproveitamento bastante poluente se comparada à de outros recursos energéticos como o petróleo e o carvão.

6.“O pré-sal dos ventos. Foi assim que o brasileiro Bento Koike, 51 anos, proprietário da Tecsis, o segundo maior fabricante mundial de pás para aerogeradores eólicos, com sede em Sorocaba-SP, definiu o primeiro leilão brasileiro de energia eólica, realizado pelo Ministério de Minas e Energia em meados de dezembro de 2009.” (CHAVES, Débora. O vento tem a resposta. Revista Veja, São Paulo, 2.145 ed., a. 42, n. 52, p. 240-44, 2010.)

Sobre o assunto discutido no texto, analise as afirmações abaixo: I. Por serem uma fonte de energia limpa e inesgotável, as usinas eólicas constituem a modalidade de energia renovável que mais cresce no mundo, cerca de 25%. II. Na região Nordeste estão localizadas as maiores jazidas de ventos do país. III. Nem tudo, porém, gira a favor do vento. As usinas eólicas demoram muito para serem construídas. Além disso, em território brasileiro, a irregularidade dos ventos elevaria muito a chamada “eficiência energética” (oferta e barateamento do preço final para o consumidor).

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IV. A energia eólica, apesar de ser não-renovável, é ambientalmente limpa e apresenta, pelo menos, quatro fatores simultâneos que justificam uma atenção especial visando efetivá-la, como: fonte complementar à geração hídrica no parque gerador brasileiro; o vasto potencial eólico do país; sua distribuição geográfica que se estende também pelo interior do país, em áreas socialmente carentes; importância de o Brasil acompanhar o desenvolvimento que vem ocorrendo, em nível internacional, dessa tecnologia de geração. Assinale: a) se apenas I e III estiverem corretas. b) se apenas II e III estiverem corretas. c) se apenas III e IV estiverem corretas. d) se apenas I e II estiverem corretas. e) se apenas I e IV estiverem corretas.

7.O Carvão mineral e o petróleo continuam a serem as duas principais matrizes elétrica e energética mundiais, porém a crise ambiental (com destaque para o aquecimento global) e a problemática do abastecimento de petróleo fazem com que os combustíveis renováveis e, sobretudo “limpos”, ganhem evidência. Sobre a questão é correto afirmar que:

I. os combustíveis fósseis, embora não poluentes, necessitam ter seu consumo reduzido pelo simples fato de não serem renováveis e, portanto, sujeitos ao esgotamento em um futuro próximo; II. a água, embora seja uma fonte de energia limpa e renovável, gera polêmicas pelos impactos sociais e ecológicos causados com as construções de grandes hidrelétricas, que destroem ecossistemas e expulsam populações ribeirinhas; III. a energia solar, apesar de abundante e não poluente, ainda é pouco utilizada, o que certamente se explica muito mais pelas políticas energéticas e interesses de grupos, do que pelo elevado custo dos painéis de captação de energia;

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IV. o Biodiesel, destaque brasileiro em tecnologia alternativa de combustível por ser menos poluente que os hidrocarbonetos e por criar empregos no campo, nem por isso está imune de gerar problemas ambientais, sobretudo, se vier a ser um investimento muito lucrativo, pois fatalmente avançará e destruirá áreas ainda preservadas e de fronteiras, como já ocorre com a soja.

Estão corretas apenas as alternativas: a) II, III e IV b) I, II e III c)

I e IV

d) II e III e) I, II e IV

8.“A Idade da Pedra chegou ao fim, não porque faltassem pedras, a era do Petróleo chegará igualmente ao fim, mas não por falta de petróleo”. (O Estado de São Paulo, 2002.) Com base em seus conhecimentos sobre o assunto, o fragmento do texto nos mostra que o fim da era do petróleo estaria relacionado: I. à redução e esgotamento das reservas de petróleo e à diminuição das ações humanas sobre o meio ambiente; II. ao desenvolvimento tecnológico e à utilização de novas fontes de energia; III. ao desenvolvimento dos transportes e ao conseqüente aumento do consumo de energia. Está(ão) correta(s) APENAS a(s) proposição(ões) a) I b) II c) III d) I e II e) II e III

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9.“Todas as atividades humanas, desde o surgimento da humanidade na Terra, implicam no chamado ‘consumo’ de energia”. Isto porque para produzir bens necessários à vida, produzir alimentos, prazer e bem-estar, não há como não consumir energia, ou melhor, não converter energia. Vida “humana e conversão de energia são sinônimas e não existe qualquer possibilidade de separar um do outro.” (WALDMAN, Maurício. Para onde vamos? S.d., p. 10. Disponível em:http://www.mw.pro.br/mw/eco_para_onde_vamos.pdf>)

Apesar de toda importância do consumo de energia para a vida moderna, podemos afirmar que sua forma de utilização no mundo contemporâneo continua a ser insustentável porque:

a) o consumo de energia é desigual entre ricos e pobres, sendo que os pobres continuam a utilizar fontes arcaicas que são muito mais danosas ao meio. b) as chamadas fontes alternativas que são não poluentes são de custos elevadíssimos e só podem ser produzidas em pequena escala para consumo muito reduzido. c) a energia hidroelétrica que assumiu a liderança no consumo mundial necessita da construção de grandes represas que causam grandes impactos ambientais. d) as principais matrizes energéticas do mundo continuam a ser o petróleo e o carvão, que são fontes não renováveis e muito poluentes. e) a energia nuclear, que é a solução mais viável para a questão energética do mundo, depende do enriquecimento do urânio, cuja tecnologia é controlada por poucos países e inacessível para a grande maioria.

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10 .“Projeto Etanol”

O aumento do consumo energético no mundo vem causando problemas socioespaciais expressivos que afetam a qualidade de vida em diversos países. A charge selecionada trata de importantes questões da geopolítica internacional que merecem crescente atenção para que problemas estruturais não sejam ampliados, notadamente nos “Países do Sul”. a) Interprete a charge à luz da importância do projeto mostrado para os “Países do Norte”.

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b) Identifique e explique o problema estrutural da agricultura dos “Países do Sul” ao qual a charge se refere. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

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Formas de ConversĂŁo de Energia

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Caro aluno, Sistema de Conversão de Energia, como por exemplo, o Termomecânico com base no ciclo Stirling está a cada dia mais utilizados para aproveitamento de energias limpas/renováveis.

Objetivos da Unidade: Compreender as Formas de conversão de energia. Termomecânico, eletromecânico. Termoelétrico, Fotovoltaico, Eletroquímico. Viabilizar uma nova concepção técnica do dispositivo procurando-se o aumento da eficiência do sistema quanto à relação volume do equipamento por produção de potência.

Plano da Unidade:  Pioneirismo, desde a REVOLUÇÃO INDUSTRIAL.  Conversão Eletromecânica de Energia.  Valor da Força Elétrica desenvolvida em função da Energia Magnética armazenada.  Sistemas de Conservação de Energia.

Bons estudos!

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Nesta unidade, estudaremos os princípios de conversão de energia das principais Fontes Renováveis de Energia: Termomecânico, eletromecânico, Termoelétrico, Fotovoltaico, Eletroquímico. O objetivo aqui será o de compreender como funciona a transformação de fontes de energia, renováveis ou não, para otimizar a produção e o consumo de uma energia mais limpa e viável para as indústrias, comércio, transportes e lares do nosso País.

Pioneirismo, desde a Revolução Industrial

Vamos iniciar o nosso estudo, relembrando a Revolução Industrial e a maravilhosa Máquina a Vapor e o seu princípio de funcionamento que alavanca o mundo moderno. O motor a vapor, que é chamado de máquina a vapor costumeiramente refere-se também a turbina a vapor outro tipo de máquina térmica que exploram a pressão do vapor. Todas as máquinas térmicas funcionam baseadas no princípio de que o calor é uma forma de energia, ou seja, pode ser utilizado para produzir trabalho, e seu funcionamento obedece às leis da termodinâmica. Embora a invenção do motor de combustão interna no final do século XIX parecesse ter tornado obsoleta a máquina a vapor, ela ainda hoje é muito utilizada, por exemplo, nos reatores nucleares que servem para produzir energia elétrica. No caso da máquina a vapor, o fluido de trabalho é o vapor de água sob alta pressão e a alta temperatura. O funcionamento da turbina a vapor baseia-se no princípio de expansão do vapor, gerando diminuição na temperatura e energia interna; essa energia interna perdida pela massa de gás reaparece na forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo.

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A figura abaixo mostra esquematicamente uma máquina a vapor.

Após a invenção da Máquina a Vapor, as fábricas se espalharam rapidamente e provocaram mudanças tão profundas que os historiadores atuais chamam aquele período de Revolução Industrial. O modo de vida e a mentalidade de milhões de pessoas se transformaram, numa velocidade espantosa. O mundo novo do capitalismo, da cidade, da tecnologia e da mudança incessante triunfou. As máquinas a vapor bombeavam a água para fora das minas de carvão. Eram tão importantes quanto às máquinas que produziam tecidos. As carruagens viajavam a 12 km/h e os cavalos, quando se cansavam, tinham de ser trocados durante o percurso. Um trem da época alcançava 45 km/h e podia seguir centenas de quilômetros. Assim, a Revolução Industrial tornou o mundo mais veloz. Como essas máquinas substituíam a força dos cavalos, convencionou-se em medir a potência desses motores em HP (do inglês horse power ou cavalo-força). Outra máquina, desenvolvida neste mesmo período, revolucionou as indústrias e a segurança de quem as operava: O motor Stirling. Motor Stirling é um motor de combustão externa. Teoricamente, o motor Stirling é uma máquina térmica o mais eficiente possível. Alguns protótipos construídos pela empresa holandesa Philips nos anos 1950 e 1960 chegaram a índices de 45%, superando facilmente os motores a gasolina, diesel e as máquinas a vapor (eficiência entre 20% e 30%).

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Este Motor foi aperfeiçoado pelo pastor escocês Robert Stirling em 1816, auxiliado pelo seu irmão engenheiro. Eles visavam a substituição do motor a vapor, com o qual o motor Stirling tem grande semelhança estrutural e teórica. No início do século XIX, as máquinas a vapor explodiam com muita frequência, em função da precária tecnologia metalúrgica das caldeiras, que se rompiam quando submetidas à alta pressão. Sensibilizados com a dor das famílias dos operários mortos em acidentes, os irmãos Stirling procuraram conceber um mecanismo mais seguro. É referido também como motor de ar quente, por utilizar os gases atmosféricos como fluido de trabalho. Abaixo, temos um desenho esquemático de um motor Stirling.

Há três configurações básicas deste tipo de motor:

 Alfa - com cilindros em V; (1).  Beta - com êmbolos coaxiais num mesmo cilindro (2).  Gama - com cilindros em linha (3).

(1) (2) (3)

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Stirling da Philips (anos 1950).

Esse tipo de motor apresenta diversas vantagens: é pouco poluente, pois a combustão é contínua, e não intermitente como nos motores Ciclo de Otto e Ciclo Diesel, permitindo uma queima mais completa e eficiente do combustível. Por isso é muito silencioso e apresenta baixa vibração (não há "explosão"). É verdadeiramente multi-combustível, pode utilizar praticamente qualquer fonte energética: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, calor geotérmico e outros. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a câmara fria para produzir trabalho (quanto maior a diferença de temperatura, maior é a eficiência do processo e mais compacto o motor). A maior desvantagem deste motor consiste na dificuldade de iniciar e variar sua velocidade de rotação rapidamente, sendo complicado o seu emprego em veículos como carros e caminhões, embora modelos de propulsão híbrida (elétrico e motor térmico) possam ser viáveis. Também há problemas técnicos a serem resolvidos quanto ao sistema de vedação, que impede o vazamento do fluido de trabalho, particularmente quando se empregam gases inertes e leves (hélio, hidrogênio), difíceis de serem confinados sob alta pressão sem escaparem para o exterior. Além disso, por ser uma tecnologia pouco difundida, os motores Stirling são mais caros, tanto na aquisição quanto na manutenção.

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Um aperfeiçoamento do motor Stirling chamado de motor sônico (eficiência de 18%), está em estudo para substituir os geradores termoelétricos (eficiência de 7%), em uso atualmente nas sondas espaciais.

Motor Stirling em configuração beta com transmissão rômbica.

Conversão Eletromecânica de Energia A conversão eletromecânica de energia como a entendemos hoje, relaciona as forças elétricas e magnéticas do átomo com a força mecânica aplicada à matéria ao movimento. Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas. Embora esta conversão possa também produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos práticos avançou-se até um estágio onde as perdas de energia reduziram-se a um mínimo e uma conversão relativamente direta é conseguida em qualquer das direções.

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A conversão eletromecânica de energia ocorre quando os campos acoplados estão dispostos de uma tal maneira que a energia magnética armazenada varia com o movimento mecânico. Um conversor eletromecânico de energia transforma energia de forma elétrica para a mecânica e vice-versa. Estes dispositivos, ou são dispositivos de posição, tais como transdutores eletromecânicos e certos instrumentos elétricos de medição. Os dois efeitos básicos de campos magnéticos, resultando em criação de forças são:  Alimentação de Linhas de Fluxo Magnético.  Interração entre Campos Magnéticos e condutores percorridas por correntes.

Valor da Força Elétrica desenvolvida em função da Energia Magnética armazenada.

A força está sempre numa direção tal que a relutância magnética total seja reduzida, ou que a energia armazenada no campo magnético seja reduzida.

Sistema eletromecânico simples.

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Conceitos Básicos Magnetismo. O magnetismo, como qualquer forma de energia, é originada na estrutura física da matéria, ou seja, no átomo. O elétron gira sobre seu eixo (spin eletrônico) e ao redor do núcleo de um átomo (rotação orbital) como mostra a figura abaixo.

Na maioria dos materiais, a combinação entre direção e sentido dos efeitos magnéticos gerados pelos seus elétrons é nula, originando uma compensação e produzindo um átomo magneticamente neutro. Porém, pode acontecer uma resultante magnética quando um número de elétrons gira em um sentido e um número menor de elétrons gira em outro sentido. Assim, muitos dos elétrons dos átomos dos ímãs girando ao redor de seus núcleos em direções determinadas e em torno de seus próprios eixos, produzem em efeito magnético em uma mesma direção que resulta na expressão magnética externa. Esta expressão é conhecida como campo magnético permanente e é representado pelas linhas de campo.

Fluxo Magnético. O Conjunto de todas as linhas do campo magnético que emergem do polo norte do ímã é chamado de fluxo magnético (Figura 3). Simboliza-se o fluxo magnético com a letra grega Ø (fi). A unidade do fluxo magnético no SI é o (Wb). Um weber é igual a 1x108 linhas do campo magnético. Como o weber é uma unidade muito grande para campos típicos, costuma-se usar o microweber (μ Wb) (1μ Wb = 10-6 Wb).

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Campo delineado por linhas de força.

OBS: A corrente elétrica é dimensionada em Ampère. Um ampèr é igual a 6,25 18

x10 elétrons por segundo passando pela seção transversal de um condutor (1 C = 6,25x1018 elétrons).

Exemplo a ser observado: Se um fluxo magnético Ø tem 3.000 linhas, calcule o número de microwebers. Transforme o número de linhas em microwebers. Resposta: Ø = 3.000 linhas/1x108 linhas/Wb = 3 x 103/108 = 30 x 10-6 Wb = 30 μWb

Densidade de Fluxo Magnético. A densidade de campo magnético, densidade de fluxo magnético ou simplesmente campo magnético, cuja unidade Tesla (T), é uma grandeza vetorial representada pela letra B e é determinada pela relação entre o fluxo magnético e a área de uma dada superfície perpendicular à direção do fluxo magnético. Assim:

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Linhas de Fluxo magnético cortando uma área.

B = Ø/A [ T ]. Onde: B: densidade de fluxo magnético, Tesla [ T ] Ø: fluxo magnético, Weber [ Wb ] A: área da seção perpendicular ao fluxo magnético, metros quadrados [ m2 ] 1T = 1 Wb/ m2

Exemplo a ser observado: Qual a densidade de fluxo em teslas quando existe um fluxo de 600μWb através de uma área de 0,0003 m2? Resposta: Dados: Ø = 600μWb = 6 x 10-4 Wb A = 0,0003 m2 = 3 x 10-4 m2 Substituindo os valores de Ø e A na fórmula de densidade de fluxo, B = Ø/A = 6 x 10-4/3 x 10-4 = 2 [ T ]

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Ampères-espira NI. A intensidade de um campo magnético numa bobina de fio depende da intensidade da corrente que flui nas espiras da bobina. Quanto maior a corrente, mais forte o campo magnético. Além disso, quanto mais espiras, mais concentradas as linhas de força. O produto da corrente vezes o número de espiras da bobina, que é expresso em unidades chamadas de ampères-espira (Ae), é conhecido como força magnetomotriz (Fmm). Na forma da equação,

Fmm = NI [A.e] Onde: Fmm: força magnetomotriz, [ A.e ] N: número de espiras I: corrente [ A ]

Exemplo a ser observado:

Calcule os ampères-espira de uma bobina com 1.500 espiras e uma corrente de 4mA. Resposta: N = 1.500 espiras; I = 4 x 10-3 A NI = 1.500 (4 x 10-3) = 6 Ae

Intensidade de Campo. É a quantidade de ampères-espira por metro de comprimento da bobina. A unidade é o Ae/m.

H = NI [ A.e/m ], ou H = Fmm [ A.e/m ]. ℓ

ℓ

Onde:

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H: intensidade do campo magnético [ A.e/m ] N: número de espiras I: corrente [ A ] ℓ: comprimento da bobina em metros [ m ] Fmm: força magnetomotriz, [ A.e ]

É importante observar que se aumentarmos o comprimento da bobina (esticando-a, por exemplo, como na figura abaixo), mantendo a mesma quantidade de ampères-espira, a intensidade de campo diminui. Também se um núcleo ferromagnético for introduzido na bobina, o comprimento “ℓ” usado no cálculo da intensidade de campo, será o comprimento desse material.

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Cálculo da Força em Dispositivos à partir da Energia. 

Princípio da Conservação: A Energia não pode ser nem criada nem destruída, ela é sempre transformada de uma forma para outra;



Separação dos mecanismos de perdas (resistivas, atrito, ventilação, etc.).

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Sistemas de Conservação de Energia Caso de Ação Motora.

Caso de Ação Geradora.

Balanço Energético. A conversão eletromecânica de energia então envolve energia em quatro formas e a conservação de energia, nos conduz a seguinte relação entre essas formas:

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A conversão irreversível para a forma de calor acontece devido a três causas.

Encerramos esta unidade e sempre que tiver uma dúvida entre em contato com seu tutor virtual através do ambiente virtual de aprendizagem. Na unidade seguinte você irá estudar os tipos de combustíveis.

É hora de se avaliar Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem.

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Exercícios – Unidade 2 1.Sabendo que 2 Wb é produzido por um ímã natural, calcule a densidade de fluxo magnético B que atravessa a chapa em forma de quadrado de lado 2 cm posicionado perpendicularmente ao ímã.

0,5 x 105T

b) 105T

c) 5,0 x 105T

d) 1,0 x 105T

e) 1,0 x 104T

2.Calcule a fmm de uma bobina com 20 espiras e ligada numa fonte cuja corrente de saída é 2 A. a)

20 Ae

40 Ae

10 Ae

80 Ae

5 Ae

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3.Calcule a fmm da bobina com 25 espiras ligada em série com o resistor de 10 Ohms e uma fonte de 20 V, considerando a resistência da bobina desprezível. a) 25 Ae b) 75 Ae c) 50 Ae d) 5 Ae e) 10 Ae 4.Calcule a intensidade de fluxo magnético concentrada no núcleo de ferro de um solenoide, conforme a figura baixo. Sabendo que a corrente que circula o solenoide é 2A, e g=0,25cm.

a) 4.000Ae b) 40.000 Ae c) 2.000 Ae d 20.000 Ae e) Nada disso.

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5. Cite as vantagens e desvantagens de um motor Stirling. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

6.Um campo magnético que exerce influência sobre um elétron (carga -e) que cruza o campo perpendicularmente com velocidade igual à velocidade da luz (c = 300. 000. 000 m/s) tem um vetor força de intensidade 1N. Qual a intensidade deste campo magnético? a)

1,6 x 109 T

b) 2,08 x 109 T

c) 1,04 x 108 T

d) 2,08 x 1010 T

7.O bate-estacas é um dispositivo muito utilizado na fase inicial de uma construção. Ele é responsável pela colocação das estacas, na maioria das vezes de concreto, que fazem parte da fundação de um prédio, por exemplo. O funcionamento dele é relativamente simples: um motor suspende, através de um cabo de aço, um enorme peso (martelo), que é abandonado de uma altura, por exemplo, de 10 m, e que acaba atingindo a estaca de concreto que se encontra logo abaixo. O processo de suspensão e abandono do peso sobre a estaca continua até a estaca estar na posição desejada.

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É CORRETO afirmar que o funcionamento do bate-estacas é baseado no princípio de: a) transformação da energia mecânica do martelo em energia térmica da estaca. b) conservação da quantidade de movimento do martelo. c) transformação da energia potencial gravitacional em trabalho para empurrar a estaca. d) colisões do tipo elástico entre o martelo e a estaca. e) transformação da energia elétrica do motor em energia potencial elástica do martelo.

8.A figura ilustra um brinquedo oferecido por alguns parques, conhecido por tirolesa, no qual uma pessoa desce de determinada altura segurando-se em uma roldana apoiada numa corda tensionada. Em determinado ponto do percurso, a pessoa se solta e cai na água de um lago. Considere que uma pessoa de 50kg parta do repouso no ponto A e desça até o ponto B segurando-se na roldana, e que

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nesse trajeto tenha havido perda de 36% da energia mecânica do sistema, devido ao atrito entre a roldana e a corda. No ponto B ela se solta, atingindo o ponto C na superfície da água. Em seu movimento, o centro de massa da pessoa sofre o desnível vertical de 5 m mostrado na figura.Desprezando a resistência do ar e a massa da roldana, e adotando g = 10 m/s2, pode-se afirmar que a pessoa atinge o ponto C com uma velocidade, em m/s, de módulo igual a: a) 8. b)10. c) 6. d)12. e) 4

9.Uma pessoa sobe um lance de escada, com velocidade constante, em 1,0 min. Se a mesma pessoa subisse o mesmo lance, também com velocidade constante em 2,0 min, ela realizaria um trabalho . a) duas vezes maior que o primeiro. b) duas vezes menor que o primeiro. c) quatro vezes maior que o primeiro. d) quatro vezes menor que o primeiro. e) igual ao primeiro.

10.Os carrinhos de brinquedo podem ser de vários tipos. Dentre eles, há os movidos a corda, em que uma mola em seu interior é comprimida quando a criança puxa o carrinho para trás. Ao ser solto, o carrinho entra em movimento enquanto a mola volta à sua forma inicial. O processo de conversão de energia que ocorre no carrinho descrito também é verificado em: a) um dínamo. b) um freio de automóvel. c) um motor a combustão. d) uma usina hidroelétrica. e) uma atiradeira (estilingue).

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Tipos de CombustĂveis

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Caro aluno, Existem uma variedade em combustíveis, e que são utilizados para vários fins, os combustíveis se tornaram muito importante devido a sua capacidade de gerar energia e calor, servindo tanto para abastecer os automóveis, como também de energia elétrica. Trataremos inicialmente apenas os principais combustíveis, sendo a gasolina, o diesel, etanol, carvão, querosene, metanol, biodiesel, gás natural, e o hidrogênio que apesar de ser analisado já é considerado uma alternativa muito favorável de combustível, para a sociedade e principalmente para o meio ambiente.

Objetivos da unidade:  Apresentar a importância dos combustíveis na obtenção da Energia necessária para mover a indústria, transportes e a sociedade moderna;  Conhecer outros combustíveis mais baratos e de fácil obtenção e produção;  Compreender os mecanismos e importância energética dos principais tipos de combustíveis, sua química da combustão e seus impactos no meio ambiente. Propor novos tipos de combustíveis com menor prejuízo ambiental e econômico;

Plano da unidade:  Combustíveis  Célula a combustível

Bons estudos!

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Combustíveis

O combustível é um material cuja a queima é utilizada para produzir calor, energia ou luz. A queima ou combustão é uma reação química na qual os constituintes do combustível se combinam com o oxigênio do ar. Para iniciar a queima de um combustível é necessário que ele atinja uma temperatura definida, chamada de temperatura de ignição. O poder calorífico de um combustível é dado pelo número de calorias desprendida na queima do mesmo. Os combustíveis são classificados segundo o estado em que se apresenta (sólido, líquido ou gasosos).

Além dos produtos naturais existem os artificiais.

Estado Físico

Combustíveis

Combustíveis Artificiais

Sólido

Lenha, turfa, carvão

Coque, briquetes, carvão, vegetal, tortas vegetais

Líquido

Petróleo

Produtos da destilação de petróleo de alcatrão; álcool, gasolina sintética

Gasoso

Gás Natural

Hidrogênio, acetileno, propano, butano, gás de iluminação, gás de gasogênio, gás de alto forno

Combustível Sólido Os principais combustíveis sólidos naturais são a madeira e os produtos de sua decomposição natural, turfa e carvão. Para que um sólido possa ter valor como combustível é necessário que tenha um poder calorífico tão elevado quanto possível e queime com facilidade, com ou sem chama.

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Combustível Líquido O combustível líquido tem certas vantagens comparação com os sólidos, tais com poder calorifico elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de consumo. Quase todos os combustíveis líquidos são obtidos a partir do petróleo. O combustível líquido são: gasolina, querosene, óleo diesel e álcool.

Combustível Gasoso Apresentam certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação de fumaça e cinzas, melhor controle de temperatura e comprimento das chama. Os combustíveis sólidos são: gás natural, gás de iluminação, gás de água, gás de gasogênio, acetileno, propano e butano.

Célula a combustível

O esgotamento dos combustíveis fósseis e a degradação do meio ambiente estão entre os principais e cruciais problemas enfrentados pela sociedade moderna. Estes problemas são relacionados porque uma das principais fontes de poluição ambiental é o uso indiscriminado de combustíveis fósseis para produzir energia. Em particular, o uso desses combustíveis em um número cada vez maior de veículos que transitam nos grandes centros urbanos é uma das maiores preocupações atuais, visto o grande número de poluentes produzidos. A energia química armazenada nos combustíveis é liberada através da combustão. Neste processo, o combustível reage com oxigênio produzindo água e dióxido de carbono e liberando parte da energia armazenada nas ligações químicas.

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Combustão Direta Ideal. Combustível + O2  H2O + CO2 + energia (a maior parte na forma de calor). Infelizmente os combustíveis possuem impurezas, muitas delas compostos de enxofre, e as altas temperaturas atingidas no processo de combustão permitem a reação do nitrogênio presente no ar. Além disso nem sempre a quantidade de oxigênio presente é suficiente para que ocorra a total queima do combustível, gerando macropartículas de carbono. Todos estes fatores geram uma considerável poluição.

Combustão Direta Real. Combustível (contém enxofre - S) + ar (O2, N2)  H2O + CO2 (aumentando o Efeito Estufa) + SOx + NOx (causando a Chuva Ácida) + outros componentes poluentes (monóxido de carbono, hidrocarbonetos, macropartículas de carbono, aldeídos etc. - causando problemas respiratórios e cardíacos, etc.). Outro problema é a eficiência do aproveitamento da energia química contida no combustível. A maior parte da energia liberada na combustão direta, como a que ocorre na queima de combustível no motor dos automóveis ou nas usinas termoelétricas, está na forma de calor. O movimento do carro ou do gerador é o resultado da expansão que este calor provoca nos gases, dentro dos motores, ou do vapor de água na termoelétrica. Nos dois casos apenas uma pequena parcela (aproximadamente 20%) da energia química pode ser aproveitada como energia mecânica ou como energia elétrica. A maior parte da energia é simplesmente liberada no meio ambiente na forma de calor, o que também é uma forma de poluição.

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Em resumo, os maiores problemas de produção de energia por meio de combustão são: Combustível fóssil não é renovável; O aproveitamento da energia é pequeno (baixa eficiência); Poluição ambiental severa promovendo problemas sérios para a saúde e bens materiais.

Então, nas alternativas para produção de energia devemos considerar:  Eficiência. Poluição ambiental (que é mais importante). A célula a combustível é uma alternativa em que a combustão é realizada de maneira controlada, aumentando a eficiência do aproveitamento da energia liberada e de modo menos poluente. A ideia é aproveitar o deslocamento que os elétrons sofrem durante a combustão. O princípio de funcionamento está esquematizado na figura abaixo, utilizando como combustível o hidrogênio (H2). O hidrogênio entra em contato com um metal e cede elétrons para este metal produzindo H+.

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Esse elétron circula por um circuito elétrico externo, onde sua energia pode ser aproveitada, e retorna para a célula a combustível onde, novamente através de um metal, encontra-se com o oxigênio. Os dois polos da célula são ligados por um eletrólito, ou seja, uma substância ou solução que permite o movimento de íons. Através do eletrólito, íons com o oxigênio que ganhou elétrons de um lado e o hidrogênio que perdeu elétrons do outro ligam-se formando água, que é o produto desta reação. Por este processo até 50% da energia química pode ser transformada diretamente em energia elétrica. Se outros combustíveis forem usados, outros produtos serão obtidos. Uma parte da energia química ainda é transformada em calor e também pode ser aproveitada, por exemplo, em sistemas para aquecimento de água. Assim a eficiência do aproveitamento da energia química pode chegar a 80%.

A célula combustível é uma alternativa. Possui elevada eficiência de conversão: Elétrica 50%. Com cogeração 80% (calor pode ser usado para aquecer água). Geração no local, sem poluição química (porque produz somente água) e sem poluição sonora. Vida útil de 40.000 horas. Custo ainda é elevado porque é uma tecnologia nova e não é produzido em grande escala.

Aplicações da célula a combustível: Veículos espaciais: Local onde as pessoas possuem pequeno espaço, necessitam de energia elétrica e não podem ter poluição. A água produzida pela célula também é utilizada para consumo dos tripulantes.

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Agências de cartão de crédito: na falta de energia elétrica para os computadores causaria grande prejuízo, portanto neste caso a célula a combustível é utilizada como estratégia de segurança. Em hospitais: energia elétrica é de extrema importância sendo que a falta desta causaria sérios problemas. A água e calor produzidos pela célula podem ser utilizados em suas lavanderias. Em residências: como uma forma alternativa de produção de energia, independente de meios de distribuição. O calor produzido também poderia ser utilizado no aquecimento de água (chuveiro, cozinha e lavanderia). Em veículos: que seriam movidos a motores elétricos, contribuindo de maneira significativamente para a redução no consumo e na redução da poluição.

Um combustível para o futuro Desde os primórdios da humanidade o homem busca fontes de energia. Isso está diretamente ligado a sua evolução na Terra. A primeira, e que originou todas as outras foi a energia calorífica do sol. Desde então a busca por novas fontes de energéticas tornou-se uma constante. Na década de 1970, com a abundância e os baixos custos de combustíveis fósseis, especialmente o petróleo, o mundo encontrou energia para suprir suas necessidades que não paravam de crescer. Mas esse início de século XXI estamos diante de uma crise energética. O petróleo já não existe em fartura, existem guerras por esse combustível e sentimos os efeitos da rápida evolução que iniciou-se na Revolução Industrial e atingiu seu auge na segunda metade do século passado. Mais do que interesses econômicos e políticos, devemos visar o bem da sociedade, procurar combustíveis que não agridam tanto a natureza e temos de pensar na conservação do planeta, o efeito estufa e a destruição da Camada de Ozônio (O3) nos mostram as consequências dessa “evolução inconsequente, no entanto não há como parar no avanço tecnológico e o jeito é encontrar uma fonte de energia que consiga suprir as necessidades humanas”.

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Uma dessas fontes, devido a todo esse contexto histórico do final do século XX para o XXI, e que tem sido bastante estudada, é a energia do biodiesel. O biodiesel é um combustível obtido através de óleos vegetais como do girassol, pinhão manso, algodão, soja e babaçu, assim renovável e torna-se uma opção para as fontes energéticas dos fósseis. Ele reduz, em certa quantia, os lançamentos de poluentes, principalmente de dióxido de carbono (CO2), o gás responsável pelo efeito estufa na Terra, na atmosfera; promove o desenvolvimento da agricultura, principalmente em locais mais desfavorecidos, cria novos empregos e apresenta vantagens incontáveis comparado ao óleo diesel comum. Em termos políticos e econômicos, o progresso do Brasil seria mais rápido, também, já que a dependência quanto aos combustíveis fósseis diminuiria e com menos dinheiro gasto nessas importações, podia-se investir em mais projetos que favorecessem o mercado nacional e também podia exporta-se o combustível, 100% nacional. Além do mais, ele pode ser utilizado em motores diesel, puro ou junto com diesel fóssil com proporção indeterminada. A fabricação do óleo diesel não é das mais complexas. A molécula de óleo vegetal é formada por três ésteres ligados a uma molécula de glicerina, o que faz dele um triglicídio. O processo que transforma o óleo vegetal em biodiesel é chamado transesterificação, que nada mais é que a separação da glicerina do óleo vegetal. Cerca de 20% da molécula do óleo vegetal é formada por glicerina que torna mais espesso e viscoso. Durante esse processo a glicerina é removida do óleo vegetal, tornando-o mais fino e com menos viscosidade. Os ésteres são a base do biodiesel e na transesterificação a glicerina é substituída pelo álcool, proveniente do etanol ou metanol, mas prefere-se o etanol pois possui menos agressividade.

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Várias podem ser as matérias-primas bases para o biodiesel, dentre todas elas tratarei, especificamente, de três que, de modo particular, chamavam minha atenção, o pinhão manso, a soja e o babaçu. O pinhão manso, por existir em uma área que não lhe favorece, pode ser uma das mais próperas oleaginosas do Sudeste, Centro-Oeste e Nordeste, para substituir o diesel do petróleo, e ainda tem a vantagem de, até agora, não ter apresentado nenhuma praga.

Finalizamos mais uma unidade. Sempre que tiver uma dúvida entre em contato com seu tutor virtual através do ambiente virtual de aprendizagem.

É hora de se avaliar Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem.

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Exercícios – Unidade 3

1) Observe a imagem a seguir:

Ela corresponde ao “triângulo do fogo”, mas repare que nela não constam os componentes necessários para que a combustão aconteça. Marque a alternativa que traz os três fatores essenciais para a ocorrência da reação. a) ar, comburente e calor. b) oxigênio, combustível e água. c) comburente, combustível e calor. d) comburente, oxigênio e fonte de ignição. e) combustível, madeira e fonte de ignição.

2."O mais tangível de todos os mistérios visíveis - fogo." (Leigh Hunt). A frase acima traduz a complexidade na definição dos aspectos físicos de uma chama.

Imagem disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DancingFlames.jpg>. Acesso em 29/01/2016 às 11h14.

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Marque a alternativa correta em relação ao estado físico do fogo: a) estado sólido. b) estado de plasma (fluido). c) fogo é energia, não possui estado físico. d) dois estados físicos: sólido (chama) e gasoso (fumaça). e) estado gasoso.

3.Durante a reação de combustão de hidrocarbonetos, há liberação de grandes quantidades de energia, principalmente sob a forma de calor. A queima, neste caso, é responsável pela formação de alguns subprodutos, quais são eles? a) gás carbônico e água. b) gás oxigênio e fuligem. c) gás carbônico e sulfetos. d) gás oxigênio e água. e) gás ozônio e água.

4.Uma célula combustível é um dispositivo eletroquímico constituído por dois eletrodos, denominados de cátodo e ânodo, sendo capaz de gerar eletricidade a partir de um combustível e de um comburente, segundo a reação global: H2(g) + O2(g) → H2O(l). Igualmente, todas as células têm um eletrólito, onde ocorre o transporte dos íons produzidos, e uma fina camada de catalisador normalmente de platina ou de níquel que recobre o eletrodo. O diagrama a seguir representa uma célula combustível de hidrogênio.

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a) Em uma célula de combustível de hidrogênio, o hidrogênio sofre redução e o oxigênio oxidação. b) No ânodo, polo positivo, ocorre redução do hidrogênio. c) O potencial gerado por uma célula combustível é negativo, assim podemos considerar que ocorre uma reação espontânea. d) Para

gerar

uma

maior

ddp

(diferença

potencial),

seria necessário construir uma bateria contendo células combustíveis arranjadas em série. e) O hidrogênio é o comburente e necessita estar armazenado; o oxigênio é o combustível e vem do ar atmosférico.

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5.É antigo o desejo de substituir a energia oriunda de combustíveis fósseis por uma outra fonte, cuja forma de obtenção seja mais eficiente, mais barata e não cause danos ambientais. Uma boa alternativa vem da célula combustível do tipo hidrogênio-oxigênio (figura abaixo), que gera eletricidade através de um processo eletroquímico sem emissão de qualquer poluente, sem barulho ou vibração.

(Adaptada de: CHANG, Raymond, Chemistry 5ed. USA: Mcgraw-Hill, 1994, p. 787).

De acordo com as informações sobre essa célula, é correto afirmar: a) A oxidação de O2(g) ocorre no cátodo. b) A redução do H2(g) ocorre no ânodo. c) O potencial padrão da célula é igual a -0,43V. d) A reação eletroquímica da célula é espontânea nas condições padrões. e) A reação global do processo eletroquímico é 2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l) + 4e-

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6.Cite algumas aplicações da célula combustível. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

7. “Um dos fatores de maior influência no aquecimento global é a liberação de gases poluentes provocada pelo uso de combustíveis fósseis. Três tipos são usados em larga escala pelo planeta: carvão mineral, petróleo e gás natural. Entre os três, o carvão é o maior vilão. Ainda assim, e apesar dos sinais cada vez mais preocupantes da mudança climática, o uso desse combustível parece longe de ser substituído por alternativas menos poluentes.” (Revista Veja. Dez. 2008). Sobre o carvão mineral, é incorreto afirmar que: a) a queima do carvão mineral emite gases que colaboram para um possível aquecimento global e pode provocar a produção da chamada “chuva ácida”. b) a exemplo dos demais combustíveis fósseis, o carvão mineral é o resultado do magmatismo que se verificou em terrenos de bacias sedimentares antigas, que foram fundo de grandes lagos. c) o carvão mineral é empregado também para produzir plásticos, fertilizantes e para auxiliar no derretimento do ferro e na fabricação do aço. d) quando o carvão mineral é queimado, o vapor oriundo dessa queima aciona as turbinas que estão instaladas nas usinas termoelétricas; esse movimento é responsável pela formação de eletricidade. e) o carvão mineral ainda é muito utilizado para a produção de energia por ser atraente do ponto de vista econômico, uma vez que é barato e abundante.

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8.Em relação à charge apresentada, marque a única resposta INCORRETA com relação à temática do BIODIESEL.

a)A produção das matérias-primas (etanol e óleo de soja) importantes para a geração de biodiesel é uma tradição na economia brasileira. Tal fato expõe, internacionalmente, o país e o coloca como carro-chefe na discussão geopolítica em torno dos caminhos a serem tomados pelos investidores mundiais, a partir da possível substituição dos combustíveis fósseis pelos que geram “energias limpas”. b)Devido à extensão territorial do Brasil e à existência de áreas de fronteiras agrícolas, ainda há possibilidades de incorporação de novos espaços produtivos, em larga escala, para o cultivo de matérias-primas voltadas para a geração de biodiesel, o que gera forte interesse internacional. c)A geopolítica energética do mundo mudou, no século XXI, com a adoção, pelas potências centrais e emergentes, do discurso ambiental nos seus projetos de gestão. Segundo elas, o cultivo agrícola voltado para a geração de biodiesel é uma necessidade para as agendas de proteção ambiental no mundo, que precisa de “combustíveis limpos”, o que torna o Brasil um importante país para a produção e exportação de biodiesel.

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d)O Brasil, com muita tradição na produção e uso de biodiesel em escala industrial, faz com que “os olhos do mundo” se voltem para si devido à possibilidade de substituição, com intuito de modernização rural, dos cultivos voltados para a alimentação básica por outros destinados à geração de biocombustíveis. e)A importância geopolítica do Brasil foi revigorada, desde o início deste século, devido à redescoberta do potencial do país em fornecer, na atualidade, aos mercados internacionais, matérias-primas geradoras do biodiesel (óleos e gorduras), que são mais baratas do que o preço do barril de petróleo e seus derivados.

9.O debate atual em torno dos biocombustíveis, como o álcool de cana-deaçúcar e o biodiesel, inclui o efeito estufa. Tal efeito garante temperaturas adequadas à vida na Terra, mas seu aumento indiscriminado é danoso. Com relação a esse aumento, os biocombustíveis são alternativas preferíveis aos combustíveis fósseis porque: a)

são renováveis e sua queima impede o aquecimento global.

retiram da atmosfera o CO2 gerado em outras eras.

abrem o mercado para o álcool, cuja produção diminuiu o desmatamento.

são combustíveis de maior octanagem e de menores taxas de liberação de carbono.

contribuem para a diminuição da liberação de carbono, presente nos combustíveis fósseis.

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10.Os biocombustíveis de primeira geração são derivados da soja, milho e cana-de-açúcar e sua produção ocorre através da fermentação. Biocombustíveis derivados de material celulósico ou biocombustíveis de segunda geração — coloquialmente chamados de “gasolina de capim” — são aqueles produzidos a partir de resíduos de madeira (serragem, por exemplo), talos de milho, palha de trigo ou capim de crescimento rápido e se apresentam como uma alternativa para os problemas enfrentados pelos de primeira geração, já que as matérias-primas são baratas e abundantes. a) são matrizes energéticas com menor carga de poluição para o ambiente e podem propiciar a geração de novos empregos, entretanto, para serem oferecidos com baixo custo, a tecnologia da degradação da celulose nos biocombustíveis de segunda geração deve ser extremamente eficiente. b) oferecem múltiplas dificuldades, pois a produção é de alto custo, sua implantação não gera empregos, e deve-se ter cuidado com o risco ambiental, pois eles oferecerem os mesmos riscos que o uso de combustíveis fósseis. c) sendo de segunda geração, são produzidos por uma tecnologia que acarreta problemas sociais, sobretudo decorrente do fato de a matériaprima ser abundante e facilmente encontrada, o que impede a geração de novos empregos. d) sendo de primeira e segunda geração, são produzidos por tecnologias que devem passar por uma avaliação criteriosa quanto ao uso, pois uma enfrenta o problema da falta de espaço para plantio da matéria-prima e a outra impede a geração de novas fontes de emprego. e) podem acarretar sérios problemas econômicos e sociais, pois a substituição do uso de petróleo afeta negativamente toda uma cadeia produtiva na medida em que exclui diversas fontes de emprego nas refinarias, postos de gasolina e no transporte de petróleo e gasolina.

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Ciclos Principais dos Motores TĂŠrmicos

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Define-se

como

ciclo

termodinâmico

sequência

repetitiva

transformações físicas produzidas por um sistema a fim de realizar trabalho. Os ciclos termodinâmicos são a base do funcionamento de motores de calor, que operam a maioria dos veículos e geradores no mundo. Nesta unidade veremos exemplos de ciclos termodinâmicos e os tipos de motores de calor que os mesmos representam.

Objetivos da unidade: No fim desta unidade os estudantes devem ser capazes de:

 Aplicar os conhecimentos adquiridos no concernente à tecnologia de conversão de energia térmica em mecânica;

 Compreender o fenómeno de transformação de energia cinética de um gás em energia mecânica em um dispositivo de êmbolo alternativo;

 Entender o funcionamento de Motores de Combustão Externa e Interna;  Propor melhorias com a finalidade de elevar a eficácia na conversão de energia.

Plano da unidade:  Ciclo de Carnot

Bons estudos!

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Desde a Antiguidade já se conhece o uso do calor para produzir movimento. Heron de Alexandria, no século I d.C., construiu um "motor a vapor" muito simples. Sua utilidade, no entanto, só apareceu séculos mais tarde, quando surgiram os motores de combustão externa. Você, caro aluno(a), pode observar a produção de movimento pelo calor numa panela de pressão e calcular a pressão no seu interior. Para tanto, devem medir o peso da válvula reguladora e o diâmetro do orifício de escape do vapor. A razão entre o peso e a área corresponde à pressão máxima do vapor. Você também pode reproduzir em laboratório um motor a vapor como o de Heron. Basta ter um frasco suspenso por um barbante (conforme a figura abaixo). Quando aquecida, a água colocada no interior do frasco vaporiza-se e sai em jatos para a atmosfera através dos dois canudinhos. Os dois jatos formam um binário de forças que provocam a rotação do conjunto.

Máquina de Heron um inventor grego, no século I d.C.

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As máquinas térmicas são dispositivos que convertem calor em trabalho, enquanto opera em um ciclo. Mas temos diversos ciclos termodinâmicos diferentes, conheça mais profundamente cada um deles e as leis que regem essas operações.

Ciclo de carnot

O ciclo de Carnot, proposto pelo engenheiro francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1824), é considerado um ciclo termodinâmico ideal, representando apenas o funcionamento teórico de uma máquina. Este ciclo reversível é formado por duas transformações isotérmicas, que se alternam com duas transformações adiabáticas. Todas as trocas de calor são isotérmicas neste ciclo. Até hoje, ainda não foi possível desenvolver uma máquina de Carnot, ou seja, uma máquina que opere sob o ciclo de Carnot, uma vez que, seu rendimento corresponde ao máximo que uma máquina térmica pode atingir (próximo de 100%), operando entre determinadas temperaturas de fonte quente e fonte fria. Assim, para chegar próximo ao sistema isotérmico, um processo real desse ciclo teria que ser muito lento e isso inviabilizaria seu uso. O ciclo de Carnot é constituído de duas transformações isotérmicas: uma para a temperatura T1 da fonte quente onde ocorre o processo de expansão e a outra temperatura T2 referente a fonte fria onde ocorre o processo de compressão. Cada uma dessas transformações é intercalada com duas transformações adiabáticas.

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Assim temos que os processos são:

 Expansão isotérmica AB onde o gás retira energia térmica da fonte quente;  Expansão adiabática BC onde o gás não troca calor;  Compressão isotérmica CD onde o gás rejeita energia térmica para a fonte fria;

 Compressão adiabática DA onde o gás não troca calor.  Assim como nenhum outro ciclo termodinâmico, o ciclo de Otto não é tão eficiente quanto o ciclo de Carnot, visto que sua eficiência depende diretamente das propriedades do fluido, como, por exemplo, o calor latente de evaporação e a energia interna.

 Em particular a este ciclo foi demonstrado que as quantidades de calor trocadas com as fontes são proporcionais às respectivas temperaturas absolutas:

onde: T1 - Temperatura da fonte quente (K); T2 - Temperatura da fonte fria (K); Q1 - Energia térmica recebida da fonte quente (J); Q2 - Energia térmica recebida da fonte fria (J). Como, para uma máquina térmica o rendimento é dado por:

n = 1-

|Q2 | |Q1 |

e para uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot temos que: |Q2 | T2 = |Q1 | T1 Representando o ciclo mais básico da Termodinâmica, a máquina de Carnot é utilizada apenas como um comparativo, que mostra se uma máquina térmica tem ou não um bom rendimento.

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Ciclo de Otto

O ciclo de Otto idealiza o funcionamento de motores de combustão interna, que operam grande parte dos veículos automotores movidos a álcool, gasolina ou gás natural. Neste tipo de motor, o calor captado pelo ciclo é proveniente de uma reação de combustão, que acontece no interior do motor. Uma faísca provoca a ignição da combustão e com isso, os gases produzidos na reação são utilizados para realizar trabalho. As máquinas à combustão interna do tipo Otto e Diesel, inventadas no final do século XIX, são compostas de no mínimo um cilindro, contendo um êmbolo móvel (pistão) e diversas peças móveis. As figuras abaixo são uma representação esquemática e simplificada das etapas principais de uma máquina Otto.

A primeira etapa (1), também denominada de primeiro tempo, é denominada admissão. Nessa etapa a válvula de admissão permite a entrada, na câmara de combustão, de uma mistura de ar e combustível enquanto o pistão se move de forma a aumentar o espaço no interior da câmara. A segunda etapa (2), denominada de segundo tempo, é a compressão. Nesta o pistão se move de forma a comprimir a mistura, fazendo seu volume diminuir. Aqui ocorre uma compressão adiabática e em seguida a máquina térmica recebe calor numa transformação isocórica.

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A terceira etapa (3), denomina-se explosão. No término da compressão um dispositivo elétrico gera uma centelha que ocasiona a explosão da mistura ocasionando sua expansão. Após isto, ocorre então o quarto tempo (4), quando a válvula de saída abre e permite a exaustão do gás queimado na explosão. A expansão adiabática leva a máquina ao próximo estado, onde ela perde calor e retorna ao seu estado inicial, onde o ciclo se reinicia.

No gráfico acima, estão plotadas as coordenadas relativas a evolução da Eficiência do Motor Otto desde a sua invenção até os dias de hoje. Entre as causas de perda de disponibilidade da energia do combustível, apontam-se a transferência de calor sob diferença de temperatura finita e o escoamento turbulento nas seções estranguladas (válvula de controle da vazão de ar, ou borboleta, válvulas de admissão e de descarga). A introdução de água no motor e sua vaporização no coletor de admissão, onde a pressão é menor do que a atmosférica, resfria a mistura permitindo diminuir-se a retirada de calor e, portanto, a irreversibilidade associada à refrigeração externa. Observa-se que a análise elaborada permite localizar saltos de desenvolvimento da tecnologia, como o observado na década de 40 com a introdução do chumbo tetra-etila, como anti-detonante, que permitiu elevar a razão de compressão de 5:1, suportada pela gasolina não aditivada,para 7:1.

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Os resultados obtidos com a mistura de álcool anidro à gasolina, no Brasil, mostram que o efeito anti-detonante seria mais propriamente atribuível ao radical etila do que ao chumbo. Este exemplo de análise serve para corroborar a hipótese geralmente aceita de que o desenvolvimento tecnológico segue a lei logística, pois, neste caso, temos um parâmetro quantificável do estado da tecnologia que é a eficiência térmica do motor.

Ciclo de Diesel O ciclo de Diesel representa o funcionamento de outro tipo de motor de combustão interna: o motor movido a diesel. A principal característica deste ciclo é o fato da combustão ser provocada pela compressão da mistura de combustível com o ar (sem faísca). Isso ocorre porque nesse tipo de motor não existe a vela (o dispositivo que causa a faísca), ao contrário dos motores movidos a gasolina, por exemplo. O torque não é maior nos motores diesel do que nos a gasolina, ao contrário do que se acredita. Por apresentarem queima de combustível mais lenta, sua rotação máxima é bem mais baixa do que no caso de gasolina, o que acaba limitando sua potência específica. Mas é o funcionamento em regimes baixos que lhe dá vantagem para veículos de transporte de carga, pois seu torque máximo surge bem cedo. O menor torque e potência específicos são compensados por cilindrada maior e superalimentação. As primeiras aplicações do motor foram em geradores de energia e motores estacionários para uso geral. Desenvolvia baixa potência específica (algo em torno de 10 cv) e foi inicialmente previsto para operar com carvão pulverizado (injetado através de um jato de ar comprimido na câmara de combustão). Sem nunca funcionar corretamente e gerando muitas dúvidas quanto ao processo, necessitou de mais pesquisas e ensaios, até que, em 1897, Diesel desenvolveu um motor com 20 cv a 127 rpm. Era um simples monocilíndrico de 250 mm de diâmetro, 400 mm de curso (19,6 litros de cilindrada) e possuindo um rendimento térmico de 26,2%, contra 20% dos motores a ignição por centelha do ciclo Otto e 10% das máquinas a vapor, comprovando assim sua eficiência.

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Os motores diesel de quatro tempos são derivados dos estudos do francês Beau de Rochas, de 1862, inventor do ciclo de quatro tempos. A evolução acontece quando o eng. Francês L'Orange projeta o primeiro motor diesel de injeção mecânica para a Deutz e, em 1912, constrói o primeiro motor a injeção direta. A partir de 1940, os motores diesel fazem enormes progressos, tanto nos processos construtivos quanto em termos de injeção. Há também o motor diesel de dois tempos, como o famoso GMC que propulsionava os ônibus da Viação Cometa nos anos 50 e mantido vivo nos cavalos-mecânicos da marca, impecavelmente conservados, que sempre dão o show nas exposições de automóveis antigos no Brasil. O som do motor é inconfundível, um espetáculo à parte, em razão principalmente do soprador (blower) essencial a seu funcionamento. Esses motores possuem válvula de escapamento somente, sendo a admissão feita por janelas no cilindro. Os motores diesel possuem alto rendimento termodinâmico, quando comparados a outros motores de máquinas térmicas. Sua principal diferença em relação aos de ignição por centelha (ciclo Otto) é que nos diesel, de ignição por compressão, o ar é comprimido para depois ser pulverizado o combustível. Desta forma temos um melhor aproveitamento de todo o combustível injetado, perdendo-se menos combustível (daí sua maior economia), pois o ar aquecido é capaz de inflamar o combustível, que é injetado no tempo certo. Já no ciclo Otto, o combustível é introduzido junto com o ar -- atomizado -- para ser queimado, havendo perdas de mistura por todo o percurso da mistura. Por utilizar óleo combustível, mais pesado e por sua própria natureza com alto poder antidetonante, o motor diesel possui características de queima progressiva e é indicado para operar com alta taxa de compressão (em geral entre 18 e 24:1, duas a três vezes superior à de um motor a gasolina). O alto rendimento provém também da elevada taxa de compressão, que se por um lado proporciona o aquecimento do ar que permite o combustível inflamar-se, por outro produz maior pressão e, por consequência, melhor aproveitamento do combustível. O que regula a potência dos motores diesel não é uma válvula-borboleta de entrada de ar (nem a possuem) como nos motores a gasolina, mas a quantidade de combustível injetado. Não existe a condição de 'acelerador fechado', razão para

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não existir freio-motor e nem vácuo de admissão para aproveitamento num servofreio. Isso obriga a colocação de válvula na saída do coletor de escapamento caso se queira usar o motor como freio numa descida de serra, por um lado, e o uso de uma bomba de vácuo para o servofreio, por outro. Seu funcionamento obedece certa similaridade com os motores de ignição por centelha. No primeiro tempo admite ar puro; no segundo tempo acontece a compressão do ar; no terceiro, "o tempo de fogo", o óleo diesel é pulverizado e acontece a combustão e expansão; e no quarto e último tempo, a expulsão dos gases resultantes da queima (escapamento). Observa-se que sua principal diferença é que a combustão se realiza através do contato do combustível com o ar comprimido e aquecido. Em relação aos motores à gasolina, possui atrativos cada vez mais sólidos. À medida em que os parâmetros de emissões ficam mais rígidos e o fator consumo se estreita através das imposições de um mercado cada vez mais exigente, ficam mais claras suas vantagens, como: alto rendimento térmico (42% contra no máximo 33% dos propulsores a gasolina); menor consumo específico (em torno de 30%, pois retira-se mais energia do combustível e da combustão) e por consequência menores índices de emissões de poluentes (emitem menor quantidade de gases tóxicos pelo escape, desde que bem regulados); por utilizar um combustível menos volátil que a gasolina, oferece maior segurança nos acidentes. Sua baixa potência específica era um empecilho ao uso nos automóveis de passeio. Era necessário construir grandes motores, com alta cilindrada, e os compartimentos de motor cada vez mais exíguos impediam sua utilização em veículos de menor porte. Com a adoção de superalimentação e a aplicação de novos materiais no processo construtivo, surgiram soluções aos problemas de peso, espaço e potência. Com a adoção de turbo compressor (que eleva a pressão de entrada do ar no cilindro), foi conseguido melhor enchimento volumétrico, com ganhos de potência na ordem de 40% em relação aos motores diesel de aspiração natural. Novos desenhos de câmara de combustão estão tornando seu desempenho semelhante aos dos motores a gasolina em termos de potência, com a vantagem do custo menor do combustível, menor índice de poluição atmosférica, aliados a uma elevada vida útil e alta confiabilidade do conjunto propulsor (exige menos intervenções de manutenção e não possui sistema de ignição).

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Em suas câmaras de combustão (pelo desenho de seu projeto e o método de queimar o combustível) pode-se inflamar praticamente qualquer tipo de óleo combustível cru, como diesel, óleo combustível, naftas, dendê etc., inserindo os motores diesel na categoria dos propulsores alternativos. Quando agrupado a um motor elétrico, entra na categoria dos veículos híbridos, solução para os grandes centros urbanos em termos de transporte individual e coletivo. Paralelamente à evolução da potência, o conforto ao rodar foi muitas vezes melhorado. Estudos levaram à redução dos fortes ruídos da combustão, das vibrações em marcha lenta e do peso. Nos anos 90, ocorreu a popularização do sistema "common rail". Trata-se de uma injeção em que os bicos injetores, com comando eletrônico, recebem o combustível de uma única linha, central, em pressões ao redor de 1.500 bar, para que haja uma queima bem próxima da perfeição, tornando o diesel ainda mais econômico e mais potente. Trata-se basicamente, da disposição de alimentação adotada nos motores a gasolina atuais. Os grandes fabricantes, sobretudo na Europa, já veem esses motores como uma indispensável versão, até para modelos de luxo como BMW Série 7 e Mercedes Classe S. O rendimento real das máquinas Otto é um pouco inferior ao das máquinas Diesel, situando-se entre 22% a 30% para as primeiras e entre 30% a 38% para as segundas.

Ciclo Rankine

O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que representa de forma idealizada o funcionamento das máquinas a vapor, ou seja, de um motor que opera através da transformação de energia térmica em energia mecânica. Tal processo baseia-se no fato de que um gás se contrai ao condensar e se expande quando evapora, de forma a realizar trabalho mecânico. Sendo assim, neste ciclo existe uma transição de fases: condensação e evaporação.

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Modelo ideal de ciclo para ciclos de potência a vapor reais. Ele é composto de 4 processos internamente reversíveis: ◗1-2 compressão adiabática reversível (isentrópica) na bomba. ◗2-3 aquecimento a pressão constante na caldeira. ◗3-4 expansão adiabática reversível (isentrópica) na turbina. ◗4-1rejeição de calor a pressão constante no condensador.

Componentes básicos

 Bomba (1 a 2)  Caldeira [trocador de calor] (2 a 3)  Turbina (3 a 4)  Condensador [trocador de calor] (4 a 1)

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Características gerais do ciclo Rankine  Baixa pressão de condensação (abaixo da pressão atmosférica)  Altas temperaturas de vapor entrando na  turbina (600º a 1000°C)  Pequena razão de trabalhos (“backwork ratio” - bwr).

Aumento de eficiência  Diminuição da pressão de exaustão da turbina  Diminui a pressão de condensação  Aumenta a saída de trabalho  Aumenta a injeção de calor  Diminui o título na saída da turbina.

Ciclo de Stirling

O ciclo de Stirling idealiza o funcionamento de um motor de combustão externa. Esse ciclo é o mais simples, uma vez que é composto apenas por duas câmaras que oferecem temperaturas diferentes, de maneira que o gás seja resfriado alternadamente. Este ciclo é o que mais se parece com o ciclo de Carnot. As máquinas térmicas que operam com base no ciclo de Stirling apresentam um rendimento maior do que aquelas operadas com base no ciclo de Otto ou de Diesel. Esse ciclo termodinâmico consiste de quatro processos internamente reversíveis em série: consiste em uma expansão isotérmica (processo AB), seguido de resfriamento a volume constante (processo BC), uma compressão isotérmica (processo CD) e um aquecimento a volume constante (processo DA).

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A seguir tem-se um diagrama pV característico do ciclo de Stirling.

O motor Stirling ganha dos demais na simplicidade, pois consiste apenas de duas câmaras que proporcionam temperaturas diferentes para o resfriamento alternado de um determinado gás. Esse resfriamento alternado provoca uma expansão e contração cíclicas que movimentam os êmbolos ligados a um eixo comum. Numa primeira parte do ciclo, o calor é adicionado ao gás no interior do cilindro quente, causando a elevação da pressão do gás. Isto fará com que o pistão se mova. Esta é a parte do ciclo em que se realiza trabalho.

Na segunda parte do ciclo, o pistão frio move-se para cima enquanto o pistão quente contrai-se. Com isto, o gás aquecido é empurrado para o cilindro frio, o que refresca rapidamente o gás para uma temperatura igual à do pistão frio, baixando por sua vez a pressão do gás. Isto facilita a compressão do gás na próxima parte do ciclo.

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Nesta terceira, o pistão do cilindro frio começa a comprimir o gás. O calor gerado por esta compressão é removido pelo pistão do cilindro frio.

Por último, temos a quarta parte, em que o pistão frio se move para cima enquanto o pistão quente se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde o gás se aquece rapidamente, aumentando assim de pressão. A partir daqui o ciclo repete-se.

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Na teoria, o motor de Stirling é uma máquina térmica bastante eficiente. Alguns protótipos construídos nas décadas de 50 e 60 chegaram a índices de eficiência de 45%, superando e muito os motores a gasolina ou diesel que possuem uma eficiência média de 20% a 30%. Por esta razão, a sua utilização para produção de energia é mais vantajosa. Dentre as vantagens desse tipo de motor são desde que ele é pouco poluente, já que a combustão é contínua e não intermitente, o que permite a queima completa e eficiente do combustível. Basta gerar uma diferença de temperatura significativa entre a câmara quente e a fria para produzir trabalho. Porém como desvantagens temos a dificuldade de dar partida no motor e a irregularidade na velocidade do motor.

 Novo Recorde Mundial quanto a eficiência da conservação: Engenheiros do laboratório Sandia, nos Estados Unidos, bateram um novo recorde mundial na eficiência da conversão de energia solar para eletricidade fornecida diretamente à rede de distribuição. A eficiência do sistema alcançou 31,25%.

 Gerando eletricidade com calor: O recorde foi alcançado na estação geradora que está sendo construída no estado do Novo México. A energia solar é capturada na forma de calor, que movimenta um motor Stirling para a geração da eletricidade.

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 Eficiência na conversão: A eficiência da conversão da energia solar-energia elétrica é calculada medindo-se a energia líquida enviada para a rede de distribuição e dividindo-a pela energia solar que atinge os espelhos parabólicos. O recorde anterior havia sido estabelecido em 1984, e era de 29,4%.

 Qualidade dos espelhos: Segundo os engenheiros do Laboratório Sandia, o principal responsável pelo novo recorde foi o avanço alcançado na produção dos espelhos parabólicos. Os pratos são feitos com um vidro com baixo teor de ferro, recobertos por uma película de prata. Pode-se concluir, então, que um ciclo termodinâmico é uma série de processos repetitivos realizados por um fluido, que pode ser um gás ou um líquido, para produzir trabalho. A busca pela otimização deste trabalho é o dever de um bom engenheiro.

Terminamos a nossa quarta unidade, onde você estudou os exemplos de ciclos termodinâmicos e os tipos de motores de calor que os mesmos representam. Na unidade seguinte, você irá estudar a energia solar e eólica.

É hora de se avaliar Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem.

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Exercícios – Unidade 4

1.(UFRS-RS) A cada ciclo, uma máquina térmica extrai 45 kJ de calor da sua fonte quente e descarrega 36 kJ de calor na sua fonte fria. O rendimento máximo que essa máquina pode ter é de: a) 20%. b) 25% c) 75% d) 80% e) 100%

2.(PUC-RJ) Uma máquina de Carnot é operada entre duas fontes, cujas temperaturas são, respectivamente, 100oC e 0oC. Admitindo-se que a máquina receba da fonte quente uma quantidade de calor igual a 1.000 cal por ciclo, pedese: a) o rendimento térmico da máquina

b) a quantidade de calor rejeitada para a fonte fria

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3.(EMC-RJ) O rendimento de uma certa máquina térmica de Carnot é de 25% e a fonte fria é a própria atmosfera a 27oC. Calcule a temperatura da fonte quente.

4.O esquema a seguir representa o ciclo de operação de determinada máquina térmica cujo combustível é um gás.

Quando em funcionamento, a cada ciclo o gás absorve calor (Q1) de uma fonte quente, realiza trabalho mecânico (W) e libera calor (Q2) para uma fonte fria, sendo a eficiência da máquina medida pelo quociente entre W e Q1. Uma dessas máquinas, que, a cada ciclo, realiza um trabalho de 3,0.104 J com uma eficiência de 60%, foi adquirida por certa indústria.

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Em relação a essa máquina, conclui-se que os valores de Q1, de Q2 e da variação da energia interna do gás são, respectivamente: a) 1,8.104 J ; 5,0.104 J ; 3,2.104 J b) 3,0.104 J ; zero ; zero c)3,0.104J; zero; 3,0.104J d) 5,0.104J; 2,0.104J; zero e) 5,0.104 J ; 2,0.104 J ; 3,0.104 J 5.(UFPEL-RS) Um ciclo de Carnot trabalha entre duas fontes térmicas: uma quente em temperatura de 227°C e uma fria em temperatura -73°C. O rendimento desta máquina, em percentual, é de: a)10 b)25 c)35 d) 50 e) 60 6.Analise as proposições a seguir: (

) Máquina térmica é um sistema que realiza transformação cíclica: depois

de sofrer uma série de transformações ela retorna ao estado inicial. (

) É impossível construir uma máquina térmica que transforme

integralmente calor em trabalho. (

) O calor é uma forma de energia que se transfere espontaneamente do

corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. (

) É impossível construir uma máquina térmica que tenha um rendimento

superior ao da Máquina de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas. (

) Quando um gás recebe 400 J de calor e realiza um trabalho de 250 J, sua

energia interna sofre um aumento de 150 J.

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7.Inglaterra, século XVIII. Hargreaves patenteia sua máquina de fiar; Arkwright inventa a fiandeira hidráulica; James Watt introduz a importantíssima máquina a vapor. Tempos modernos!

(C. Alencar, L. C. Ramalho e M. V. T. Ribeiro, "História da Sociedade Brasileira".)

As máquinas a vapor, sendo máquinas térmicas reais, operam em ciclos de acordo com a segunda lei da Termodinâmica. Sobre estas máquinas, considere as três afirmações seguintes: I. Quando em funcionamento, rejeitam para a fonte fria parte do calor retirado da fonte quente; II. No decorrer de um ciclo, a energia interna do vapor de água se mantém constante; III. Transformam em trabalho todo calor recebido da fonte quente.

É correto o contido apenas em: a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III.

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8.Com relação às máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica, analise as proposições a seguir.

I. Máquinas térmicas são dispositivos usados para converter energia mecânica em energia térmica com consequente realização de trabalho; II. O enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica, proposto por Clausius, afirma que o calor não passa espontaneamente de um corpo frio para um corpo mais quente, a não ser forçado por um agente externo como é o caso do refrigerador; III. É possível construir uma máquina térmica que, operando em transformações cíclicas, tenha como único efeito transformar completamente em trabalho a energia térmica de uma fonte quente; IV. Nenhuma máquina térmica operando entre duas temperaturas fixadas pode ter rendimento maior que a máquina ideal de Carnot, operando entre essas mesmas temperaturas.

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São corretas apenas: a)I e II. b) II e III. c) I, III e IV. d) II e IV. e) nenhuma.

9.Um motor só poderá realizar trabalho se receber uma quantidade de energia de outro sistema. No caso, a energia armazenada no combustível é, em parte, liberada durante a combustão para que o aparelho possa funcionar. Quando o motor funciona, parte da energia convertida ou transformada na combustão não pode ser utilizada para a realização de trabalho. Isso significa dizer que há vazamento da energia em outra forma.

De acordo com o texto, as transformações de energia que ocorrem durante o funcionamento do motor são decorrentes de a: a) liberação de calor dentro do motor ser impossível. b) realização de trabalho pelo motor ser incontrolável. c) conversão integral de calor em trabalho ser impossível. d) transformação de energia térmica em cinética ser impossível. e) utilização de energia potencial do combustível ser incontrolável.

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10.Descreva com suas palavras o funcionamento, por etapas, do motor Stirling. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

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Energia Solar e Eรณlica (Uma Realidade).

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O Brasil tem um dos maiores potenciais eólicos do planeta. O potencial eólico brasileiro para aproveitamento energético tem sido objeto de estudos e inventários desde os anos 1970 e o seu histórico revela o lento mas progressivo descortinamento de um potencial energético natural de relevante magnitude existente no país. Outra forma de Energia Alternativa que vem crescendo a passos largos no Brasil é a Energia Solar. Existem diversos benefícios econômicos e ambientais que estão ajudando a impulsionar o crescimento desta fonte de energia renovável, é o que veremos nesta unidade.

Objetivos da unidade: No fim desta unidade os estudantes devem ser capazes de:

 Compreender o fenómeno de transformação de energia Eólica em energia mecânica, e, a partir desta em energia elétrica;

 Entender o funcionamento da conversão da Energia Solar em Eletricidade;  Conhecer as características principais da energia que será utilizada em determinada localidade, para que se possa tirar o melhor proveito de suas potencialidades em seu uso sem prejudicar o meio ambiente;

 Conhecer as políticas dos órgãos reguladores destas Fontes Produtivas Alternativas de Energia.

Plano da disciplina:  Tipos de sistemas eólicos  Princípios e tecnologia  Energia solar

Bons estudos!

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O vento gira uma hélice gigante conectada a um gerador que produz eletricidade. Quando vários mecanismos como esse - conhecido como turbina de vento - são ligados a uma central de transmissão de energia, temos uma central eólica. A quantidade de energia produzida por uma turbina varia de acordo com o tamanho das suas hélices e, claro, do regime de ventos na região em que está instalada. E não pense que o ideal é contar simplesmente com ventos fortes. "Além da velocidade dos ventos, é importante que eles sejam regulares, não sofram turbulências e nem estejam sujeitos a fenômenos climáticos como tufões", diz o engenheiro mecânico Everaldo Feitosa, vice-presidente da Associação Mundial de Energia Eólica. A turbina de energia eólica mais simples possível consiste em três partes fundamentais:

 pás do rotor: as pás são, basicamente, as velas do sistema. Em sua forma mais simples, atuam como barreiras para o vento (projetos de pás mais modernas vão além do método de barreira). Quando o vento força as pás a se mover, transfere parte de sua energia para o rotor;

 eixo: o eixo da turbina eólica é conectado ao cubo do rotor. Quando o rotor gira, o eixo gira junto. Desse modo, o rotor transfere sua energia mecânica rotacional para o eixo, que está conectado a um gerador elétrico na outra extremidade;

 gerador: na essência, um gerador é um dispositivo bastante simples, que usa as propriedades da indução eletromagnética para produzir tensão elétrica - uma diferença de potencial elétrico. A tensão é, essencialmente, "pressão" elétrica: ela é a força que move a eletricidade ou corrente elétrica de um ponto para outro. Assim, a geração de tensão é, de fato, geração de corrente. Um gerador simples consiste em ímãs e um condutor. O condutor é um fio enrolado na forma de bobina.

 Dentro do gerador, o eixo se conecta a um conjunto de imãs permanentes que circunda a bobina. Na indução eletromagnética, se você tem um condutor circundado por imãs e uma dessas partes estiver girando em relação à outra, estará induzindo tensão no condutor. Quando o rotor gira o eixo, este gira o conjunto de imãs que, por sua vez, gera tensão na bobina. Essa tensão induz a circulação de corrente elétrica (geralmente corrente alternada) através das linhas de energia elétrica para distribuição.

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O desenvolvimento da tecnologia da energia eólica moderna e suas aplicações estavam bem encaminhados por volta de 1930, quando estimados 600 mil moinhos de vento abasteciam áreas rurais com eletricidade e serviços de bombeamento de água. Assim que a distribuição de eletricidade em larga escala se espalhou para as fazendas e cidades do interior, o uso de energia eólica nos Estados Unidos começou a decrescer, mas reviveu depois da escassez de petróleo no início dos anos 70. Nos últimos 30 anos, a pesquisa e o desenvolvimento variaram com o interesse e incentivos fiscais do governo federal. Em meados dos anos 80, as turbinas eólicas tinham uma capacidade nominal máxima de 150 kW. Em 2006, as turbinas em escala de geração pública comercial têm potência nominal comumente acima de 1 MW e estão disponíveis em capacidades de até 4 MW. A energia eólica com a finalidade de conversão em energia elétrica pode ser obtida de várias formas. A mais comum é por meio de aerogeradores. Um aerogerador é um gerador elétrico integrado ao eixo de um cata-vento e que converte energia eólica em energia elétrica. Pode ser implantado em terra ou mar(offshores), onde a presença do vento é mais regular. É um equipamento que tem se popularizado rapidamente por ser uma fonte de energia renovável e não poluente. Existem dois tipos básicos de rotores eólicos: os de eixo vertical e os de eixo horizontal. Os rotores diferem em seu custo relativo de produção, eficiência, e na velocidade do vento em que têm sua maior eficiência. Existem também os aerogeradores de baixa tensão, que se diferenciam dos aerogeradores de alta tensão principalmente por terem tamanho e peso reduzidos em relação a estes, que usualmente são instalados nos cumes das montanhas ou em grandes planícies. O peso médio de um aerogerador de baixa tensão é de 100 kg. Este tipo de equipamento pode ser definido como um aerogerador doméstico, pois a quase totalidade dos equipamentos é instalada em habitações ou microindústrias. São usados isoladamente para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão.

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Podemos também encontrar conjuntos de aerogeradores constituindo um parque eólico. Eles são necessários para que a produção de energia elétrica tornese rentável. Só são construídos após estudos exaustivos de viabilidade econômica e de impacto ambiental. Normalmente estas instalações encontram-se em terra, mas é cada vez mais frequente instalá-las no mar(offshores) onde a presença do vento é mais regular. Este parques eólicos “offshore” permitem a redução dos inconvenientes provocados pelo ruído e pela poluição da paisagem. O uso de aerogeradores tem algumas restrições técnicas:

 Nas proximidades dos parques eólicos é detectada poluição sonora, devido ao ruído produzido. Alguns também consideram a poluição visual;

 Os aerogeradores só podem ser instalados de forma rentável em áreas de vento constante.

Tipos de Sistemas Eólicos:

Sistemas isolados – São todos os sistemas que se encontram privados de energia elétrica proveniente da rede pública. Estes sistemas armazenam a energia do aerogerador em baterias estacionárias, que permitem consumir energia quando não ventar, evitando que falte energia elétrica quando o aerogerador parar. Porém, para poder consumir a energia que o aerogerador produz é necessário alterar a corrente elétrica. As tensões produzidas não são compatíveis com os aparelhos domésticos ou industriais, visto que a corrente produzida é contínua e a corrente pretendida é alternada. Para isso, é usado um inversor senoidal de corrente que transforma a corrente contínua em corrente alterna. Este aparelho designa-se por senoidal porque a energia consumida (na Europa) refere-se a 230 V 50 Hz (para baixa tensão) ou 400 V 50 Hz (para alta tensão). Estes 50 Hz, quando analisados no osciloscópio, revelam um gráfico com uma forma de seno. Essa é a função de um inversor, converter para estes 50 Hz de forma a obtermos energia elétrica igual à dos requisitos dos equipamentos.

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Configuração de um sistema eólico isolado. Fonte: CRESE SB, 2005.

Evolução mundial da capacidade eólico-elétrica instalada, em GW

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A maioria das formas de geração de eletricidade requerem altíssimos investimentos de capital e baixos custos de manutenção. Isto é particularmente verdade para o caso da energia eólica, onde os custos com a construção de cada aerogerador de alta potência podem alcançar milhões de reais, os custos com manutenção são baixos e o custo com combustível é zero. Na composição do cálculo de investimento e custo nesta forma de energia levam-se em conta diversos fatores, como a produção anual estimada, as taxas de juros, os custos de construção, de manutenção, de localização e os riscos de queda dos geradores. Sendo assim, os cálculos sobre o real custo de produção da energia eólica diferem muito, de acordo com a localização de cada usina. Há 20 anos, a indústria de geração de energia eólica avançou em passos gigantescos, reduzindo seus custos de implantação, em mais de oito vezes. Embora seu custo de instalação esteja situado por volta dos US$ 1.500.000 por cada MW de capacidade instalada, as variações nos regimes e fluxos dos ventos apresentam graus de incerteza maiores do que as variações da vazão dágua. Isso se reflete em Fatores de Capacidade de cerca de 35% contra 65% das hidroelétricas. Aqui no Brasil, no leilão da Aneel realizado em 27 de agosto de 2010, o preço da energia de origem eólica ficou em R$ 130,8/MWh, tendo sido inferior ao preço da energia de biomassa e de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs). No leilão de agosto de 2011, o preço da energia eólica atingiu um novo patamar, ainda mais baixo, de R$ 99,58/MWh, ficando atá mais barato que a energia de termoelétricas a gás natural. Outro fator que tem propiciado esse forte crescimento é a consolidação de uma indústria especializada em geração eólica. Apesar de usar a tecnologia já consolidada nas gerações tradicionais, hidroelétrica e térmica, algumas adaptações devem ser feitas, pois a velocidade de rotação das turbinas é muito inferior a da geração tradicional, com a velocidade do vento variando na faixa de 5 a 25 m/s, para as alturas das turbinas hoje existentes. Com uma taxa de crescimento acima de 20% desde 2001 e novas tecnologias sendo estudadas, tanto a potência quanto a altura das torres tem aumentado. Hoje, a maioria dos fabricantes já comercializam turbinas de 2 MW, com 80 m de raio. Já existem protótipos de turbinas de 5 MW, com 130 m de raio.

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A instalação de uma usina eólica demanda cerca de 18 meses, o que torna esta modalidade de geração de energia altamente competitiva em relação a outros projetos de produção de energia elétrica, tanto alternativos quanto convencionais, que levam em média 24 meses para instalação. A Tabela abaixo mostra uma comparação de custo entre diversos tipos de energia.

A primeira turbina de energia eólica do Brasil foi instalada em Fernando de Noronha em 1992. Dez anos depois, o governo criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa) para incentivar a utilização de outras fontes renováveis, como eólica, biomassa e Pequenas Centrais Hidrelétricas(PCHs). O Brasil realizou o seu primeiro leilão de energia eólica em 2009, em um movimento para diversificar a sua matriz de energia. Desde a criação do Proinfa, a produção de energia eólica no Brasil aumentou de 22 MW em 2003 para 602 MW em 2009, e cerca de 1000 MW em 2011(quantidade suficiente para abastecer uma cidade de cerca de 400 mil

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residências). Segundo o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, publicado pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobrás, o território brasileiro tem capacidade para gerar até 140 GW. O potencial de energia eólica no Brasil é mais intenso de junho a dezembro, coincidindo com os meses de menor intensidade de chuvas, ou seja, nos meses em que falta chuva é exatamente quando venta mais! Isso coloca o vento como uma grande fonte suplementar à energia gerada por hidrelétricas, a maior fonte de energia elétrica do país. Durante este período pode-se preservar as bacias hidrográficas fechando ou minimizando o uso das hidrelétricas. O melhor exemplo disto é na região do Rio São Francisco. Por essa razão, esse tipo de energia é excelente contra a baixa pluviosidade e a distribuição geográfica dos recursos hídricos existentes no país. A maior parte dos parques eólicos se concentra nas regiões nordeste e sul do Brasil. No entanto, quase todo o território nacional tem potencial para geração desse tipo de energia. Abaixo, segue uma mapa com o potencial eólico brasileiro por região:

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Os 36 parques eólicos e fazendas eólicas do país, segundo dados de 2009, estão localizados no Nordeste (5 estados), Sul (3 estados) e Sudeste (1 estado).

Gráfico que mostra os investimentos em produção de energia eólica no país, por região.

Princípios e tecnologia

Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica. A potência elétrica é função do cubo da velocidade de vento v: ρ = densidade do ar em kg/m3 Ar = π.D2/4, em que D é o diâmetro do rotor Cp = coeficiente aerodinâmico de potência do rotor η = eficiência do conjunto gerador/transmissão.

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A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento a jusante do disco do rotor; gradualmente, essa velocidade recupera-se ao misturar-se com as massas de ar predominantes do escoamento livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do rotor resulta uma esteira helicoidal de vórtices, a qual também gradualmente dissipa-se. Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento praticamente recupera as condições de velocidade originais e turbinas adicionais podem ser instaladas, minimizando as perdas de desempenho causadas pela interferência da turbina anterior. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da turbina, a rugosidade de terreno e a condição de estabilidade térmica vertical da atmosfera. De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de novas turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro D, se instalada a jusante, e 5 vezes D, se instalada ao lado, em relação ao vento predominante. A velocidade angular do rotor é inversamente proporcional ao diâmetro D. Usualmente, a rotação é otimizada no projeto, para minimizar a emissão de ruído aerodinâmico pelas pás. Uma fórmula prática para a avaliação da rotação nominal de operação de uma turbina eólica é: RPM = 1150/D À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas, a rotação reduz-se: os diâmetros de rotores no mercado atual variam entre 40m e 80m, o que resulta em rotações da ordem de 30rpm a 15rpm, respectivamente. As baixas rotações atuais tornam as pás visíveis e evitáveis por pássaros em vôo. Quanto aos níveis de ruído, turbinas eólicas satisfazem os requisitos ambientais mesmo quando instaladas a distâncias da ordem de 300m de áreas residenciais. Esses aspectos contribuem para que a tecnologia eólio-elétrica apresente o mínimo impacto ambiental, entre as fontes de geração na ordem de gigawatts.

Sistemas de injeção na rede – São todos os sistemas que inserem a energia produzida por eles mesmos na rede elétrica pública. Neste caso, a maioria dos aerogeradores são os de alta tensão.

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Configuração de um sistema eólico de injeção na rede.

No Brasil, dados da Aneel – Agência Nacional de Energia Elétrica – mostram que em maio de 2012 o país atingiu pela primeira vez 1 gigawatt-hora (GWh) de energia eólica e sua capacidade instalada só vem crescendo nos últimos anos. Atualmente, os ventos estão produzindo 1,073 GWh, potencial que pode abastecer uma cidade de 1,5 milhão de habitantes, e a energia eólica já corresponde a 1% da matriz energética brasileira. Ao focalizar internamente na geração de energia eólica, o Brasil é parte de um movimento internacional para tornar a energia eólica uma fonte primária de energia. O Brasil, atualmente, responde por cerca de metade da capacidade instalada na América Latina, mas representa apenas 0,38% do total mundial. O desenvolvimento da energia eólica no Brasil está ajudando o país a alcançar seus objetivos estratégicos de aumentar a segurança energética, reduzir as emissões de gases de efeito estufa e criando empregos.

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O fato de que energia eólica seja uma fonte de energia higiênica, limpa, renovável e ecológica não significa que seu impacto ambiental seja nulo. Esse tipo de energia, porém, ajuda a reduzir a contaminação causada pela queima dos combustíveis fósseis. Realizando uma análise um pouco mais profunda, podemos constatar algumas vantagens e desvantagens da energia eólica, que devem ser levadas em consideração na hora de escolher a energia que melhor se adapta a determinado ambiente, situação e objetivo. Entre suas principais vantagens podemos mencionar que:

 É uma tecnologia inesgotável;  Não emite gases poluentes e não gera resíduos;  Os parques eólicos podem ser utilizadas também para outros meios, como a agricultura e a criação de gado;

 É uma das fontes mais baratas de energia, podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais;

 Não requer uma manutenção frequente, uma vez que sua revisão é semestral;  Em menos de seis meses o aerogerador recupera a energia que foi gasta para ser fabricado. No entanto, suas desvantagens não podem ser esquecidas:

 Como é preciso um fenômeno da natureza para funcionar, às vezes a energia não é gerada em momentos necessários, o que torna difícil a integração da produção dessa tecnologia;

 Pode ser superada pelas pilhas de combustível (H2) ou pela técnica da bombagem hidroelétrica;

 Os parques eólicos geram um grande impacto visual devido aos aerogeradores;  Causa impacto sonoro, pois o vento bate nas pás produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 decibéis, tornando necessário que as habitações mais próximas estejam no mínimo a 200 metros de distância;

 Pode afetar o comportamento habitual de migração das aves.

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É de suma importância conhecer as características principais da energia que será utilizada em determinada localidade, para que se possa tirar o melhor proveito de suas potencialidades em seu uso sem prejudicar o meio ambiente. Somente desse modo seremos capazes de prevenir possíveis problemas futuros referentes ao uso de uma determinada energia.

Energia solar

A Energia solar é a captação de energia (energia térmica) liberadas pelo sol, e posteriormente transformada em alguma forma de energia utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica, utilizadas em casas, carros e em “usinas” solares, com várias placas de recepção térmica.

Benefícios Econômicos São vários os benefícios econômicos da energia solar no Brasil, abaixo listamos os mais importantes:

 Casas que possuem energia solar fotovoltaica instalada podem gerar a sua própria energia renovável e assim praticamente se livrar da sua conta de luz para sempre.

 Sistemas fotovoltaicos valorizam a propriedade.  Quanto mais energia solar instalada no Brasil menor é a necessidade de utilizarmos as usinas termoelétricas que são caras e, menor a inflação na conta de luz.

 A indústria de energia solar no Brasil gera milhares de empregos todos os anos.

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Benefícios Ambientais A energia solar traz diversos benefícios ambientais para o Brasil. Se uma boa parte da população instalar energia solar nas casas e empresas, não seria mais necessário inundar áreas imensas da floresta amazônica para construir usinas hidrelétricas absurdas como a Belo Monte. Uma usina solar de 100MWp gera energia para 20.000 casas e evita a emissão de 175.000 toneladas de CO2 por ano.

Vantagens da Energia Solar As vantagens de se utilizar a energia solar no Brasil são inumeras, abaixo as principais:

 A energia solar é totalmente renovável;  A energia solar é infinita;  Não faz barulho;  Não polui;  Manutenção mínima;  Baixo custo considerando a vida útil de um sistema fotovoltaica;  Fácil de instalar;  Pode ser usado em áreas remotas onde não existe energia.

Desvantagens da Energia Solar no Brasil Embora a energia solar seja uma das fontes de energia com mais benefícios, ela apresenta algumas poucas desvantagens:

 Custo de aquisição é alto devido aos impostos.  Não pode ser usada durante a noite.  Para armazenar a energia solar é necessário o uso de baterias o que pode encarecer o custo do sistema fotovoltaico como um todo.

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A Energia Solar no Brasil

 A Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica - ABSOLAR foi criada em Janeiro de 2013 e tem o objetivo de fomentar o mercado, derrubar as barreiras do setor de energia solar no Brasil e defender o interesse desta indústria.

 O Solcial é o primeiro programa social de energia solar no Brasil que pretende dar acesso a todos a esta fonte de energia renovável.

 Minas Gerais é o primeiro estado brasileiro a dar isenção de ICMS para a energia solar.

 O Instituto Ideal foi criado com o intuito de fomentar e divulgar o uso da energia solar no Brasil.

 Já é possível comprar energia solar com o "Construcard" Caixa.  O BNDES esta financiando fábricas de painéis fotovoltaicos para trazer a tecnologia para o Brasil e gerar empregos.

 Foi publicado o Atlas Solarimético Brasileiro que mapeia o recurso solar em todo o território Nacional.

 Em 2013 ocorreu a chamada pública da ANEEL de P&D que viabilizou a cosntrução de diversas mini usinas de energia solar no Brasil

 O primeiro leilão de energia solar no Brasil aconteceu em 2014 e foi um sucesso contratando 1.000MW médios apx.

 O Portal Solar foi criado para divulgar e promover o crescimento da energia solar no Brasil. Ele junta empresas de energia solar e clientes em um mesmo lugar afim de incentivar o uso da tecnologia.

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Desafios da Energia Solar Os desafios da energia solar no Brasil ainda são grandes:

 Vencer o lobby das grandes construtoras que querem construir mais lagoas de pedras e inundar a nossa mata atlântica.

 A falta de financiamento com juros baixos é um dos principais gargalos da energia solar no Brasil.

 Falta mão de obra qualificada para realizar as instalações dos sistemas de energia solar.

 O brasileiro da classe média ainda prefere investir em carros importados ao invés de energia renovável.

Energia Solar Fotovoltaica A energia solar fotovoltaica no Brasil ainda é embrionária, porém tem apresentado crescimento exponencial nos últimos meses devido à inflação da conta de luz. Até 2012 99,99% dos painéis fotovoltaicos no Brasil eram usados em regiões isoladas onde não se tem acesso a rede elétrica. Apenas em 2012, com a regulamentação da ANEEL, que permite fazer a troca de energia com a rede elétrica, que esta fonte começou a crescer. Os últimos dados da ANEEL informam que a instalação destes sistemas fototovoltaicos conectados a rede cresceu cinco vezes no final de 2014.

Sistemas híbridos – São todos os sistemas que produzem energia elétrica em simultâneo com outra fonte eletroprodutora. Esta fonte poderá ser de origem fotovoltaica, de geradores elétricos de diesel/biodiesel etc. Nestes sistemas, temos o mesmo funcionamento que nos sistemas isolados, a única alteração é que o carregamento das baterias estacionárias é feito por mais de um gerador.

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Configuração de um sistema eólico híbrido.

No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1 410 W/m2 de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é reflectido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. Os receptores de energia solar têm uma cobertura transparente, normalmente feita de pyrex ou vidro isolado, com um sistema de caixa de ar. A reflexão e transferência de energia térmica para o fluido é feita através de uma placa reflertora, constituída por metais como alumínio ou cobre. Em coletores de alto rendimento (utilizados nas usinas) é utilizado dióxido de cobre (II), silício, dióxido de silício, aço banhado a ouro ou ainda cobre banhado a níquel. Claro que estes materiais são caros e, por isso, menos utilizados. O fluido utilizado para aquecer a água é normalmente água misturada com anticongelante, para que nos dias de Inverno esta água não congele, podendo danificar os sistemas caso houvesse congelamento da água, ou glicol. Tanto a água como o glicol têm elevada capacidade térmica, sendo por isso as substâncias escolhidas nestes sistemas. A caixa isolada, ou seja, o exterior do coletor, é isolada

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termicamente para minimizar as perdas energéticas, e também é bastante resistente, já que é ela quem irá proteger o coletor dos agentes externos. O uso do Sol para produção de energia está cada vez mais presente nas discussões ambientais que tratam da utilização de fontes renováveis e nãopoluentes como matrizes energéticas. Porém, o alto custo de fabricação e instalação ainda impede que a energia solar seja amplamente usada no planeta. Mesmo assim, nos últimos anos ela vem apresentando um crescimento significativo - na última década, sua produção aumentou em 40%. "Isso vem acontecendo graças a programas de incentivo em países como Alemanha, Japão e Espanha para ampliar a geração de eletricidade com fontes renováveis, visando reduzir a emissão de gases causadores do efeito estufa", explica o professor Roberto Zilles, do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo (IEE-USP). "No Brasil, também já foram formulados e implementados importantes projetos de difusão dessa tecnologia durante a última década, ao mesmo tempo em que se consolidaram grupos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico", completa. A geração de energia a partir da luz solar está diretamente ligada ao que se chama de "efeito fotovoltaico", observado pela primeira vez em 1893 pelo físico francês Alexandre-Edmond Becquerel. "Esse efeito consiste essencialmente na conversão de energia luminosa incidente sobre materiais semicondutores, convenientemente tratados, em eletricidade", esclarece o professor. É com base nele que se produzem os painéis solares, formados por células fotovoltaicas, que são dispositivos semicondutores com essa propriedade de captar a luz do Sol e transformá-la em energia, gerando uma corrente elétrica capaz de circular em um circuito externo. "No início, esse sistema era utilizado somente na geração de energia para satélites", conta Roberto Zilles. "Mas as tecnologias de produção evoluíram a tal ponto que tornou viável seu uso em aplicações terrestres, para fornecimento de energia elétrica em residências isoladas da rede convencional de distribuição". O professor diz que esses sistemas isolados eram inicialmente autônomos, ou seja, não estavam ligados às redes de fornecimento de energia elétrica. "Por isso, eles necessitam quase sempre de um meio para armazenar a energia gerada, como um acumulador eletroquímico, para suprir a demanda quando a geração solar for baixa ou à noite, quando não há incidência de luz solar", diz. Mais recentemente, no

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entanto, eles vêm sendo utilizados de forma interligada, de modo que a energia gerada pelos painéis solares são entregues diretamente à rede elétrica, não necessitando mais desses acumuladores. Hoje em dia, nas residências comuns, a energia solar é utilizada principalmente para o aquecimento da água. Além de não poluir o meio ambiente, a fonte pode poupar um bom dinheiro na conta de eletricidade, representando uma economia de até 80%.

Como funciona um sistema de energia solar Um sistema de energia solar é constituído por três partes principais: 1. Painel solar (captação da radiação solar); 2. Depósito de água (armazenamento de água); 3. Sistema de apoio (sistema que permite complementar a energia solar captada). O seu funcionamento é muito simples:

I - Grande parte da radiação solar que atinge a cobertura transparente do painel é transmitida para o interior deste. II – A radiação é captada pela superfície absorsora (geralmente uma placa metálica com um revestimento negro). Esta superfície converte os raios solares em calor. III - Este calor é conduzido (pelo próprio material da placa) até aos tubos onde circula a água. IV - A água é, depois, conduzida até ao depósito para ser armazenada até ser utilizada.

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1.PAINEL SOLAR Embora existam muitos tipos de painéis solares para a utilização no aquecimento de água (banhos, lavagem da louça....) o mais comum é semelhante ao esquema da figura seguinte:

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De uma forma simples, um painel solar é formado pela cobertura transparente (geralmente é em vidro), pela superfície absorsora (chapa de metal de cor negra) e uma caixa com isolamento para evitar as perdas de calor.

O que acontece então dentro do painel? A cobertura transparente deixa passar para o interior do painel a radiação que vem do sol, mas impede a passagem para o exterior de parte

refletida

radiação pela

que

superfície

absorsora.

Fonte: DGGE

2.DEPÓSITO DE ÁGUA É o local onde a água fica armazenada até ser utilizada. O depósito de água deve ser de um material isolante de forma a evitar as perdas de calor. 3.SISTEMA DE APOIO É o sistema de energia auxiliar que realiza o aquecimento adicional da água, quando o sistema de energia solar não permite que tenhamos a água à temperatura pretendida. Por exemplo, nos dias de Inverno com chuva, é natural que a energia solar não seja suficiente para aquecer a nossa água - vai apenas fazer um pré-aquecimento, sendo necessário a utilização de um sistema de apoio, como por exemplo: uma caldeira a gás ou a biomassa, um esquentador, etc. Mas é precisamente este pré-aquecimento que nos vai fazer poupar o consumo de combustíveis fósseis.

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Exercícios – Unidade 5

1. A Energia solar não provoca danos ambientais, podendo ser considerada uma fonte de energia limpa. A afirmativa acima está: a)

Incorreta, pois toda a produção de energia elétrica pelos raios de sol emite poluentes na atmosfera.

Correta, pois não há queima de combustíveis e nem ocupação de grandes áreas para a utilização dessa fonte de energia.

Incorreta, pois muitos animais morrem em função da insolação causada por essas usinas, gerando danos ambientais relacionados com a quebra da cadeia alimentar.

Correta, pois a energia gerada pelo sol não ocasiona transformações imediatas na atmosfera, que seriam sentidas apenas a longo prazo.

Incorreta, pois a proliferação de energia solar agravaria o problema do efeito estufa.

2. A energia solar, apesar de amplamente vantajosa no sentido ambiental e em seu nível de produtividade, não é amplamente utilizada no Brasil e na maior parte do mundo, em função de suas desvantagens, entre as quais, podemos assinalar: a)

o baixo índice de radiação solar em países tropicais, a exemplo do território brasileiro.

a baixa capacidade de aquecimento do sol mesmo nos períodos de maior insolação.

a elevada instabilidade dos geradores solares no atual nível de tecnologia.

os painéis solares são caros e o seu rendimento é baixo.

as usinas de energia solar necessitam de grandes áreas, destruindo florestas e áreas agricultáveis.

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3. Vem se tornando crescente, em todo o mundo, o aproveitamento energético da radiação solar, cujo destino principal é para duas formas de energia, que são: a)

a elétrica e a mecânica

a elétrica e a automotiva

a elétrica e a térmica

a mecânica e a eólica

a mecânica e a automotiva.

4. “As usinas de energia solar responderão por 2,5% das necessidades globais de eletricidade até 2025 e 16% em 2040, diz o relatório da associação europeia do setor e do Greenpeace. Hoje, elas representam 0,05% da matriz energética. A taxa de expansão anual do setor tem sido de 35%.” Jornal O Estado de S. Paulo, 07/09/2006 Assinale a alternativa que melhor explique esse enunciado: a)

Essa tendência de expansão explica-se pelo fato de o Sol representar fonte inesgotável de energia, cuja transformação em eletricidade exige um processo simples e de baixo custo, se comparado com a hidreletricidade.

A transformação de energia solar (de radiação) em elétrica difundiu-se muito no Brasil para uso doméstico, especialmente após a crise do apagão, em 2001.

O desenvolvimento da geração de energia elétrica, a partir da solar ainda é incipiente no Brasil, pois envolve um processo caro e complexo se comparado à hidreletricidade, relativamente barata e abundante.

A tropicalidade do Brasil permite vislumbrar, em médio prazo, um quadro de substituição da energia hidrelétrica por energia solar, sobretudo nas áreas metropolitanas costeiras.

A expansão do uso de energia solar apontado pelo enunciado favorece, especialmente, os países subdesenvolvidos que ocupam, em sua maioria, as faixas intertropicais do planeta.

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5. Parece que não é de hoje que a energia eólica é usada pelo homem. Isso procede? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

6. Voltando à produção de energia, o que é necessário para se produzir energia elétrica a partir da força do vento? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

7. Qual região possui o maior potencial em termos de energia eólica no Brasil? a)

Norte

Nordeste

Sul

Sudeste

Centro-Oeste.

8. Qual das seguintes fontes de produção de energia é a mais recomendável para a diminuição dos gases causadores do aquecimento global? a)

óleo diesel.

gasolina.

carvão mineral.

gás natural.

vento.

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9. Em usinas hidrelétricas, a queda d’água move turbinas que acionam geradores. Em usinas eólicas, os geradores são acionados por hélices movidas pelo vento. Na conversão direta solar-elétrica são células fotovoltaicas que produzem tensão elétrica. Além de todos produzirem eletricidade, esses processos têm em comum o fato de: a) não provocarem impacto ambiental. b) independerem de condições climáticas. c) a energia gerada poder ser armazenada. d) utilizarem fontes de energia renováveis. e) dependerem das reservas de combustíveis fósseis.

10. No mapa, registra-se a localização dos principais projetos eólicos outorgados no Brasil, em 2002.

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Energia Nuclear e Outras Formas de Energia

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A Energia oriunda do átomo. É uma forma de energia compacta e abundante que quando liberada pode ser uma bênção ou se tornar maldição. Outras formas de Energias Renováveis que se pode conseguir em abundância, mas que ainda são pesquisas recentes.

Objetivo da unidade: Compreender os mecanismos e importância energética do átomo e os tipos de reações e seus impactos no meio ambiente. Conhecer novos tipos de Energia com menor prejuízo ambiental e econômico, como a Energia das Ondas e a Geotérmica.

Plano da unidade: 

Energia Nuclear e Outras Formas de Energia

Bons estudos!

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Energia Nuclear e Outras Formas de Energia A "revolução" de Einstein torna popular a fórmula física E=mc2 (energia é igual a massa vezes o quadrado da velocidade da luz). A equivalência entre massa e energia (uma pequena quantidade de massa pode ser transformada em uma grande quantidade de energia) permite explicar a combustão das estrelas e dar ao homem maior conhecimento sobre a matéria. É a expressão teórica das enormes reservas de energia armazenadas no átomo na qual se baseiam os artefatos nucleares, que serão estudadas nesta unidade. Será discutida também a ciência envolvida na produção da energia nuclear, e a utilização desta ciência pelas indústrias que produzem energia elétrica. Serão abordados também assuntos sobre combustível nuclear, fissão e fusão. Energia nuclear se refere à energia consumida ou produzida com a modificação da composição de núcleos atômicos. Além de ser a força que arma a Bomba Atômica, a Bomba de Hidrogênio e outras armas nucleares, a energia nuclear também tem utilidade na geração de eletricidade em usinas de vários países do mundo. É vista por muitos como fonte de energia barata e limpa; mas por causa do perigo da radiação emitida na produção desta energia e da radioatividade dos materiais utilizados, outros sentem que ela pode não ser uma energia alternativa viável para o uso de combustível fóssil ou energia solar. Este tipo de energia também é utilizado na medicina, na produção de marca-passos para doentes cardíacos. A Energia oriunda do núcleo atômico é vista como uma possível fuga ao alto consumo, e dependência externa do petróleo, mas como todas as outras energias, teremos de fazer um balanço das suas vantagens e desvantagens. A energia nuclear está no núcleo dos átomos, nas forças que mantém unidos os seus componentes – as partículas subatômicas. Esta é libertada sob a forma de calor e energia eletromagnética pelas reações nucleares. Esta energia provém do urânio, principalmente, mas também pode ser do tório e do plutônio, se bem que nos principais casos e do urânio.

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Existem dois tipos de recursos energéticos utilizados para produzir energia nuclear, o urânio e o Tório, dois minérios radioativos, embora seja o urânio o mais utilizado e conhecido, devido as reservas de urânio serem abundantes, o que não se põe em causa o seu esgotamento em curto – médio prazo. O urânio é utilizado como combustível nos reatores nucleares, sob a forma de óxido, de liga metálica, ou ainda, de carboneto. Certos reatores utilizam o urânio natural, mas a grande maioria, como o caso dos reatores moderados e arrefecidos com água normal, que equipam mais de dois terços das centrais nucleares usam como combustível, o urânio enriquecido. O método com o qual, conseguimos a proporção suficiente de Urânio-235 é chamado de Enriquecimento do Urânio, que consiste em retirar isótopos do tipo Urânio-238 a fim de que o Urânio-235 assuma uma maior proporção. A partir deste processo, teremos uma nova proporção de Urânio-235, que chega a uma margem de 3,2% (o suficiente para liberar a energia através da reação).Com essa quantidade de Urânio-235 podemos produzir dentro dos reatores nucleares uma fissão nuclear capaz de produzir uma grande quantidade de energia radioativa. Esse processo de fissão nuclear é o que temos nas Usinas Nucleares em todo o mundo, existindo ainda um outro processo chamado de Fusão Nuclear.

Vantagens e desvantagens. A energia nuclear é uma energia não renovável, que como todas as outras tem as suas vantagens e desvantagens. Principais vantagens da energia nuclear

 É um combustível mais barato que muitos outros como por exemplo o petróleo, o consumo e a procura ao petróleo fez com que o seu preço disparasse, fazendo assim, com que o urânio se tornasse um recurso, comparativamente com o petróleo, um recurso de baixo custo;

 É uma fonte mais concentrada na geração de energia, uma pequeno pedaço de urânio pode abastecer um cidade inteira, fazendo assim com que não sejam necessários grandes investimentos no recurso;

 Não causa nenhum efeito de estufa ou chuvas ácidas;

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 É fácil de transportar como novo combustível;  Tem uma base científica extensiva para todo o ciclo;  É uma fonte de energia segura, visto que até a data só existiram dois acidentes mortais;

 Permite reduzir o déficit comercial;  Permite aumentar a competitividade. Apesar das suas vantagens, esta energia também tem as suas desvantagens:

 Ser uma energia não renovável, como referido anteriormente, torna-se uma das desvantagens, visto que o recurso utilizado para produzir este tipo de energia se esgotará futuramente;

 As elevadas temperaturas da água utilizada no aquecimento causam a poluição térmica, pois esta é lançada nos rios e nas ribeiras, destruindo assim ecossistemas e interferindo com o equilíbrio destas mesmas;

 O risco de acidente, visto que qualquer falha humana, ou técnica poderá causar uma catástrofe sem retorno, mas atualmente já existem sistemas de segurança bastante elevados, de modo a tentar minimizar e evitar que estas falhas existam, quer por parte humana, quer por parte técnica;

 A formação de resíduos nucleares perigosos e a emissão causal de radiações causam a poluição radioativa, os resíduos são um dos principais inconvenientes desta energia, visto que atualmente não existem planos para estes resíduos, quer de baixo ou alto nível de radioatividade, estes podem ter uma vida até 300 anos após serem produzidos podendo assim prejudicar as gerações vindouras;

 Pode ser utilizada para fins bélicos, para a construção de armas nucleares, está foi uma das primeiras utilizações da energia nuclear, os fins bélicos são a grande preocupação nível mundial, porque projetos nucleares como o do Irã, que ameaçam a estabilidade econômica e social;

 Ser uma energia cara, visto que tanto o investimento inicial, como posteriormente, a manutenção das energias nucleares são de elevados custos, até mesmo o recurso minério, visto que existem países que não o possuem, ou não em grande abundância, tendo assim, que comprar a países externos;

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 O plutônio 239 leva 24.000 anos para ter sua radioatividade reduzida à metade, e cerca de 50.000 anos para tornar-se inócuo;

 Os seus efeitos, visto que na existência de um acidente, as consequências deste iram fazer-se sentir durante vários anos, visto que a radioatividade continuará a ser libertada durante vários anos.

A energia geotérmica é obtida através do calor proveniente da terra, onde há reservas que são aquecidas pela proximidade com o magma, retendo o calor captado e aproveitado para a geração de energia elétrica. Em alguns países, como as Filipinas e Nova Zelândia, a presença de gêiseres (nascentes termais que entram em erupção periodicamente, lançando assim uma coluna de água quente e vapor no ar) e a formação geográfica favorável faz com que a energia geotérmica represente 10% do total da matriz energética desses países e 30% no caso da Islândia. As usinas geotérmicas funcionam de um modo semelhante às demais, com superaquecimento da água, provocando um vapor em alta pressão capaz de movimentar as turbinas ligadas aos geradores de eletricidade. Só que ao invés de utilizar combustíveis fósseis ou nucleares, essas usinas utilizam o calor vindo da terra. No Brasil, a energia geotérmica é utilizada apenas na forma de água aquecida, como no caso dos parques termais de Caldas Novas (GO) e Poços de Caldas (MG). Como o terreno brasileiro é bastante antigo, não possui formações que tornam possíveis as rochas derretidas ou magma estarem mais próximas à superfície. Sendo necessário mais trabalho, estrutura e gastos para atingir um nível considerado suficiente para a produção. Porém, o Brasil possui as duas maiores reservas de água doce subterrânea do mundo: Aquífero do Guarani e Aquífero Alter do Chão. A temperatura dessas águas são classificadas como fontes geotérmicas de baixas temperaturas – entre 35o e 148oC –, podendo ser utilizadas para aquecimento de água em residências e sistemas de calefação.

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Porém, o último estudo completo concluiu em 1984 que o Brasil não possui o potencial necessário para produção de energia geotérmica.

Área geotermal de Wai-O-Tapu, em Waikato, Nova Zelândia. Fonte: Imagem disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ChampagnePool-Wai-O-Tapu_rotated_MC.jpg>. Acesso em 04/03/2016 às 16h30.

Nos últimos anos, com base em novos dados preliminares, o tema voltou em pauta e o Brasil tem feito acordos com a Alemanha a respeito de fontes alternativas de energia, e a geotérmica está entre elas. O deputado Rogério Peninha Mendonça propôs, esse ano, a criação de uma Frente Parlamentar para fomentar incentivos governamentais na área geotérmica brasileira. Ele afirma que existem vários pontos no Brasil capazes de gerar energia com apenas 300 ou 400 metros de perfuração com auxílio de nanoestruturas que aumentam o armazenamento de calor, recentemente descobertas nos EUA. A energia geotérmica anda a passos lentos e é bastante discutida mundialmente por conta de possíveis riscos de terremotos que podem ser provocados pela rachadura das pedras Devido a necessidade de adquirir energia elétrica de uma forma mais limpa e em quantidades cada vez maiores, foi desenvolvido um modo de usufruir esse calor para a geração de eletricidade. Hoje, a grande parte da energia elétrica provém da queima de combustíveis fósseis, como o petróleo métodos esses muito poluentes.

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Para uma melhor compreensão da forma como é aproveitada a energia do calor da Terra deve-se primeiro perceber como o nosso planeta é constituído. A Terra é formada por grandes placas, que nos mantém isolados do seu interior, no qual encontramos o magma, que resume-se basicamente em rochas derretidas. Com o aumento da profundidade, a temperatura vai acrescendo, no entanto, há zonas de intrusões magmáticas, onde a temperatura é muito maior. Essas são as zonas onde existe elevado potencial geotérmico.

Usina geotérmica de Nesjavellir, próxima a Þingvellir, Islândia. Fonte: Imagem disponível em: <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NesjavellirPowerPlant_edit2.jpg>.

Acesso

04/03/2016 às 16h48.

Em centrais geotérmicas, o vapor, de reservatórios geotérmicos fornecem a energia que alimenta os geradores de turbina e produz a eletricidade. A água geotérmica usada é depois reenviada ao reservatório através de um poço de injeção, para ser reaquecida, para assim manter a pressão, e suportar o reservatório.

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Há três formas de utilizar a energia geotérmica: 1. Utilização direta: reservatórios geotérmicos de temperaturas baixas moderadas (20ºC-150ºC) podem ser aproveitadas diretamente para fornecer calor para a indústria, aquecimento ambiente, termas e outros aproveitamentos comerciais 2. Bombas de calor geotérmicas (BCG): Aproveitam as diferenças de temperatura entre o solo e o ambiente, fornecendo calor e frio. 3. Centrais Geotérmicas: aproveitamento direto de fluidos geotérmicos em centrais a altas temperaturas (> 150 ºC), para movimentar uma turbina e produzir energia elétrica.

Vantagens e Desvantagens Aproximadamente, todos os fluxos de água geotérmicos são constituídos por gases dissolvidos, sendo que estes gases são enviados para a central de geração de energia junto com o vapor de água. De um jeito ou de outro estes gases acabam por ir para a atmosfera.

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Por outro lado, o odor desagradável, a natureza corrosiva, e as propriedades prejudiciais do ácido sulfídrico (H2S) são fatores que inquietam os apoiantes deste tipo de energia. Nos casos onde a concentração de ácido sulfídrico (H2S) é relativamente baixa, o cheiro do gás causa náuseas. Em concentrações mais altas pode acarretar sérios problemas de saúde e até a morte por asfixia. É identicamente importante que exista tratamento apropriado à água vinda do interior da Terra, que invariavelmente abrange minérios prejudiciais à saúde. É fundamental que os despejos não sejam realizados em rios locais, para que isso não prejudique a fauna local. Quando uma grande quantidade de fluido aquoso é retirada da Terra, há sempre uma hipótese de ocorrer subsistência na superfície. O mais drástico exemplo de um problema desse tipo numa central geotérmica está em Wairakei, Nova Zelândia. O nível da superfície afundou 14 metros entre 1950 e 1997 e está a deformar a uma taxa de 0,22 metro por ano, após alcançar uma taxa de 0,48 metros por ano em meados dos anos 70. Há ainda o inconveniente da poluição sonora que afligiria toda a população vizinha ao local de instalação da central, pois, para a perfuração do poço, é necessário o uso de máquinas semelhante ao usado na perfuração de poços de petróleo.

Existem três formas básicas de utilizar a energia geotérmica: Utilização Direta. Reservatórios geotérmicos de temperaturas baixas e moderadas (20ºC – 150ºC) podem ser aproveitados diretamente para fornecer calor para a indústria, aquecimento ambiente, termas e outros aproveitamentos comerciais. Bombas de Calor Geotérmicas. Aproveitam as diferenças de temperatura entre o solo e o ambiente, fornecendo calor e frio.

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Fonte: www.portal-energia.com

Uma bomba de calor necessita apenas de uma fonte de calor (ar exterior), dois permutadores de calor (um para absorver e outro para libertar o calor) e uma relativamente pequena quantidade de energia motriz para manter o sistema em andamento.

Centrais Geotérmica. Aproveitamento direto dos fluidos geotérmicos em Centrais a altas temperaturas (>150ºC), para movimentar uma turbina e produzir energia elétrica do tipo: Vapor Seco; Vapor Flash e Ciclo Binário.

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Neste tipo de centrais, aproveita-se a existência de reservatórios de água subterrânea a elevadas temperaturas (podem atingir os 370ºC), em virtude do contato com as rochas quentes no interior da Terra. São abertos buracos fundos no solo até se chegar a estes reservatórios de água e vapor, e são instalados tubos e canos apropriados de forma a conduzir o vapor até à central geotérmica. Aí, e à semelhança do que se passa noutras centrais de produção energética, o vapor é conduzido em pressão até às turbinas, fazendo girar as suas pás. A energia mecânica da turbina é transformada em energia elétrica através do gerador, que é conduzida para o transformador de forma a aumentar a tensão elétrica, e é distribuida por linhas de alta tensão.

Após passar pela turbina, o vapor é conduzido para um tanque onde se condensa (transforma-se novamente em água) devido ao processo de arrefecimento. A água é canalizada de novo para o reservatório subterrâneo, onde será novamente aquecida pelas rochas quentes com que entra em contato e, passado algum tempo, será de novo conduzida por tubos até à central.

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Dica de site! Ler mais: http://rd9centralelectrica.webnode.pt/desenvolvimento/centraisgeotermicas/como-funciona-uma-central-geotermica/http://energiasalternativas.webnode.com.pt/energias-renovaveis/energiageotermica/

Terminamos a nossa sexta unidade, onde você estudou a energia solar e eólica. Sempre que tiver uma dúvida, entre em contato com seu tutor virtual através do ambiente virtual de aprendizagem.

É hora de se avaliar Lembre-se de realizar as atividades desta unidade de estudo. Elas irão ajudá-lo a fixar o conteúdo, além de proporcionar sua autonomia no processo de ensino-aprendizagem.

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Exercícios – Unidade 6 1. O elemento químico utilizado para a obtenção de energia nuclear é: a) Urânio X b) Césio c) Hidrogênio d) Tório e) Chumbo.

2. Aponte os aspectos positivos e negativos da energia nuclear. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

3. Descreva o processo de obtenção de energia nuclear. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

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4. Energia nuclear Rosa de Hiroxima Pensem nas crianças Mudas telepáticas Pensem nas meninas Cegas inexatas Pensem nas mulheres Rotas alteradas Pensem nas feridas Como rosas cálidas Mas, oh, não se esqueçam Da rosa da rosa Da rosa de Hiroxima A rosa hereditária A rosa radioativa Estúpida e inválida A rosa com cirrose A anti-rosa atômica Sem cor sem perfume Sem rosa sem nada (Vinícius de Moraes)

O poema refere-se à Rosa de Hiroxima como “radioativa, estúpida, inválida”, destacando os efeitos nocivos da radioatividade, um dos subprodutos da energia nuclear e que pode vazar para o ambiente através do lixo atômico ou por acidentes, como o que ocorreu na usina nuclear de Chernobyl, na Ucrânia. Entre as vantagens da energia nuclear, que compensam os perigos de possíveis acidentes, destacam-se: a) o fato de ser renovável, não causar grandes impactos ambientais, como as hidrelétricas, e não ser fonte de conflitos entre países, pois não é uma fonte finita. b) a presença, na geração de energia, tanto de capitais privados como estatais, pois as usinas nucleares são investimentos de baixo custo e retorno rápido. c) o combustível (urânio enriquecido) é relativamente barato, a geração de resíduos é pequena e não há geração de gases que intensificam o efeito estufa.

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d) a abundância do combustível (urânio) em todo o mundo, o baixo custo de implantação de usinas nucleares e a tecnologia acessível aos países pobres. e) o controle internacional sobre a geração de energia nuclear e a legislação ambiental rígida, que restringem a construção de usinas pelos países que não seguem as normas.

5.Existem diversas modalidades de energia que são utilizadas pelo homem. Dessas, uma se caracteriza pela utilização do calor interno do planeta. Esse calor, que aciona turbinas elétricas, gera a modalidade de energia conhecida como: a) Energia Gravitacional. b) Energia Geotérmica.X c) Energia das Marés. d) Energia Fóssil. e) Energia de Xisto Betuminoso. 6. “Não existe geração de energia sem impacto ambiental. Esse impacto só será reduzido, se diminuirmos o consumo”, ressalta o pesquisador da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, Gilberto Januzzi, em matéria publicada em 12/12/2004 no site http://www.comciencia.br. Dentre as fontes de energia indicadas abaixo, assinale a opção que apresenta a fonte alternativa de menor impacto ambiental. a) construção de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) b) construção de usinas térmicas que aproveitam a energia do urânio e do plutônio c) geração de energia a partir dos ventos (eólica). X d) utilização de bagaço da cana e de biogás de lixo (biomassa) e) Energia Nuclear.

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7. “O Google anunciou nesta terça-feira (19/08/08) que vai investir mais de 10 milhões de dólares em tecnologia geotérmica avançada. A entidade filantrópica da empresa, a Google.org, afirmou que o investimento será destinado aos chamados Sistemas Geotérmicos Melhorados.” Entre as vantagens do uso de energia geotérmica, pode-se incluir: a) O baixo custo da produção, por ser uma fonte energética que não exige grandes investimentos na infra-estrutura de captação. b) A facilidade de transmissão da energia para regiões distantes de onde é produzida, barateando os custos finais de distribuição. c) A baixa emissão, praticamente nula, de gases causadores do aquecimento global, tornando-a uma fonte de energia mais limpa. X d) A expansão do calor produzido nos campos geotérmicos que garantem a diminuição da temperatura no subsolo, facilitando a produção elétrica. e) Os modestos investimentos necessários para a pesquisa e exploração dos campos geotérmicos, que usa a mesma tecnologia da exploração petrolífera. 8. Analise o gráfico abaixo:

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A análise dos gráficos e os conhecimentos sobre o consumo de energia no mundo e no Brasil permitem concluir: (01) A maior parte da energia utilizada no planeta origina-se de fontes não renováveis e poluentes, sendo que grande parte das reservas conhecidas de petróleo está concentrada em alguns países do Oriente Médio. (02) O petróleo responde por 43% da matriz energética mundial, e a demanda global tende a aumentar nos próximos anos, induzindo que tecnologias mais modernas precisarão atingir as áreas de difícil acesso na Sibéria e nas profundidades oceânicas. (04) Os Estados Unidos são responsáveis pela maior parte do consumo mundial de petróleo, graças a suas imensas reservas, capazes de abastecer o país nas próximas décadas. (08) O Brasil, ao atingir a autossuficiência em petróleo e em gás natural, não importa mais combustíveis, estando com capacidade para produzir sua própria energia. (16) O expressivo consumo de energia solar e eólica no mundo e no Brasil, demonstrado no gráfico, traduz a eficácia dos programas implementados a partir da assinatura do Protocolo de Kyoto.

As Alternativas corretas somam: a) 03 X b) 06 c) 12 d) 20 e) 24

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9. Não é nova a ideia de se extrair energia dos oceanos aproveitando-se a diferença das marés alta e baixa. Em 1967, os franceses instalaram a primeira usina “marémotriz”, construindo uma barragem equipada de 24 turbinas, aproveitando-se a potência máxima instalada de 240 MW, suficiente para a demanda de uma cidade com 200 mil habitantes. Aproximadamente 10% da potência total instalada são demandados pelo consumo residencial. Nessa cidade francesa, aos domingos, quando parcela dos setores industrial e comercial pára, a demanda diminui 40%.

Assim, a produção de energia correspondente à demanda aos domingos será atingida mantendo-se: I – todas as turbinas em funcionamento, com 60% da capacidade máxima de produção de cada uma delas; II – a metade das turbinas funcionando em capacidade máxima e o restante, com 20% da capacidade máxima; III – quatorze turbinas funcionando em capacidade máxima, uma com 40% da capacidade máxima e as demais desligadas. Está correta a situação descrita:

a) apenas em I b) apenas em II c) apenas em I e em III d) apenas em II e em III e) em I, II e III.

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10. A produção de energia proveniente de maré, sistema maré-motriz (no qual se utiliza o fluxo das marés para movimentar uma turbina reversível capaz de converter em energia elétrica a energia potencial gravitacional da água), constituise numa alternativa de produção de energia de baixo impacto ambiental. Um sistema desse tipo encontra-se em funcionamento na localidade de La Rance, França, desde 1966, com capacidade instalada de 240 megawatts. As figuras abaixo mostram, esquematicamente, um corte transversal da barragem de um sistema maré-motriz, em quatro situações distintas, evidenciando os níveis da água, nos dois lados da represa (oceano e rio), em função da maré. As duas situações que permitem a geração de energia elétrica são:

a) Ie IV b) I e III c) II e III d) II e VI e) III e I

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Considerações Finais

Caro (a) aluno (a).

Espera-se que, com este livro, você consiga se envolver na disciplina, entenda como definir os conceitos básicos das Energias Alternativas , saiba as vantagens e desvantagens envolvidas neste estudo, bem como desenvolver o raciocínio lógico sabendo utilizar e aplicar as equações pertinentes aos vários assuntos abordados e estudados nesta presente obra, no âmbito profissional e, consequentemente, na sociedade em que se encontra inserido (a).

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Conhecendo o autor

Paulo César Oliveira Carvalho Graduado em Engenharia de Operações (Modalidade Mecânica) pelo CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA (CEFET-RJ) em 1981; Bacharel e Licenciado em Química pelas Faculdades de Humanidades Pedro II (FAHUPE) em 1997; pósgraduado em Química, tendo obtido o título de Especialista em Ensino de Química pela Universidade Federal Fluminense – Niterói em 2007; Mestre em Ciências dos Materiais pela UERJ em 2012. Professor Docente I com duas matrículas obtidas através de concurso público pela SEEDUC (Secretaria Estadual de Educação do Rio de Janeiro); Professor da Universidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO); foi professor do Colégio de Aplicação Dom Hélder Câmara – São Gonçalo/RJ; atuou como supervisor da produção na Protec Química de 1982 a 1984. Atualmente é responsável técnico na Elegance Elevadores e Equipamentos – RJ, desde 2010.

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Referências Amarante, O. A. C. do, Brower, M., Zach, J. e Sá, A. L. de, Atlas do Potencial Eólico Brasileiro – CD-RO, MME/Eletrobrás/CEPEL/CRESESB, 2001. Araújo, M. R. O. P. Estudo Comparativo de Sistemas Eólicos Utilizando Modelos Probabilísticos de Velocidade de Vento, Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 1989. Blasques, L. C. M., Análise de Características Técnicas e Viabilidade Econômica de Sistemas Solares Fotovoltaicos, Trabalho de Conclusão de Curso, DEEC/CT/UFPA, Belém, 2003.

Sites: http://www.infoescola.com/fisica/reatores-nucleares-de-fissao/ .http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/nuclear.htm, em 31/01/16 as 11hs08min. http://www.portalsolar.com.br/energia-solar-no-brasil.html. .http://rd9centralelectrica.webnode.pt/desenvolvimento/centraisgeotermicas/como-funciona-uma-central-geotermica-/

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nexos

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Gabaritos

Exercícios – Unidade 1

1) B). alagamentos e desequilíbrio da fauna e da flora. 2) B). Pela diferença na escala de tempo de formação das fontes: período geológico para o petróleo e ciclo anual para a cana. 3) B). Os combustíveis fósseis, recursos finitos e não renováveis, têm os custos econômicos de sua exploração encarecidos quando a sua localização ocorre em consideráveis profundidades. 4) A). da China apresentou forte crescimento, pois, apesar de baseado no carvão mineral, tem sido impulsionado pela expansão da indústria e diversificação das fontes de energia utilizadas. 5) A). biocombustíveis obtidos do aproveitamento de matérias primas diversas têm sido a esperança de uma obtenção mais limpa de energia oriunda de recursos naturais renováveis. O Brasil é um dos países que tem investido na tecnologia de sua fabricação com aproveitamento de vegetais como a cana-deaçúcar para fabricação do etanol e da mamona e outros para o biodiesel. 6) D). se apenas I e II estiverem corretas. 7) A) II, III e IV. 8) B) II 9) D). as principais matrizes energéticas do mundo continuam a ser o petróleo e o carvão, que são fontes não renováveis e muito poluentes. 10) A) A crescente demanda por energia dos “Países do Norte” (os EUA, notadamente), além da busca por fontes energéticas alternativas ao petróleo, forçam políticas de incentivo à produção e destinação da biomassa advinda de atividades agrícolas diversas para a indústria de energia, sendo a produção do etanol uma delas.

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B). O problema estrutural identificado é o da manutenção da submissão do setor agrícola dos “Países do Sul” aos interesses dos mercados internacionais, notadamente os dos “Países do Norte”. Ainda nos dias atuais, muitos “Países do Sul” submetem a sua organização produtiva a um padrão de economia agroexportadora.

Exercícios - Unidade 2. 1.

A) Solução: Calcula-se a área da chapa, lembrando de converter em metros: 2cm = 0,02m A = 0,02.0,02 = 0,00004 = 4.10-5 m2 B =

ϕ 2 = = 0,5.105 T A 4.10-5

B) Solução:

F = NI = 20.2 = 40Ae

C) Solução:

A) 4,000 Ae

Resposta pessoal que deverá ser fundamentada através do conteúdo da unidade 2.

D) B =

F |q| . v

B =

1 1,6 . 10-19 . 3 . 108

B = 2,08 . 1010 T

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C) Durante a queda do martelo, há transformação de energia potencial gravitacional em energia cinética. No contanto com a estaca, o martelo aplica força sobre ela. Essa força realiza trabalho, empurrando a estaca.

A) Dados: m = 50 kg; h= 5 m; v0= 0;g= 10 m/s2

1ª Solução: Pelo Teorema da Energia Cinética O sistema é não conservativo. O trabalho das forças não conservativas (W) corresponde, em módulo, à energia mecânica dissipada, igual a 36% da energia mecânica inicial. 0,36 . . Pelo Teorema da Energia Cinética: o trabalho da força resultante é igual à variação da energia cinética. WRes F = ΔECin ⇒ Wp + Wfat = m . g . h - 0,36 m . g . h =

m . v2 m . v20 ⇒ 2 2

m . v2 ⇒ v = 0,64 . 2 . g . h = 1,28 . 10 . 5 = √64 ⇒ 2

v = 8m / s

2ª Solução: Pelo Teorema da Energia Mecânica Se houve dissipação de 36% da energia mecânica do sistema, então a energia mecânica final (que é apenas cinética) é igual a 64% da energia mecânica inicial (que é apenas potencial gravitacional). inicial Efinal Mec = 0,64 EMec ⇒

m . v2 = 0,64 m . g . h ⇒ v = 1,28 . g . h = 1,28 . 10 . 5 = √64 ⇒ 2

v = 8m / s

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E) Como a velocidade é constante, o trabalho da força muscular exercida pela pessoa é mg h nos dois casos.

10. E) O processo de conversão de energia no caso mencionado é o da transformação de energia potencial elástica em energia cinética. O estilingue também usa esse mesmo processo de transformação de energia.

Exercícios - Unidade 3. 1.

Resposta pessoal que deverá ser fundamentada através do conteúdo da unidade 3.

10. A

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Exercícios - Unidade 4 1.

A) 20%

A) n=1-T1/T = 1-Q1/1000 ... Q1=732 cal

n = 1 – T1/T...0,25 = 1 – (27 + 273)/T... T = 300/0,75 ... ...T = 400K = 127ºC.

Q2│ =3,0.104J --- η = W/Q1 --- 0,6=3,0.104/Q1 --- Q1=5,0.104J --W=Q1 – │ Q2│ =3,0.104J --- 5,0.104 – │ Q2│ = 3,0.104 --- │ Q2│ = 2,0.104J --- primeira Q1 – │ lei da termodinâmica --- ΔQ=W --- ΔU=ΔQ – W --- ΔU=3,0.104 – 3,0.104 --- ΔU=0 --- R- D

η=1 –(273 – 73)/(273 + 227)=1 – 200/500 --- η=1 – 0,4=0,6 --- R: E

V V V V V --- veja teoria.

A I. Verdadeira --- veja teoria II. Falsa --- como no decorrer do ciclo a temperatura varia, energia interna também variará III. Falsa --- é impossível transformar todo calor recebido em trabalho

D I- Falsa

--- máquinas térmicas – qualquer dispositivo capaz de

transformar a energia interna de um combustível em energia mecânica -- também pode ser definida como o dispositivo capaz de transformar parte de calor em trabalho. II. Correta --- enunciado de Clausius --- não é possível um processo cujo único resultado seja a transferência de calor de um corpo de menor temperatura a outro de maior temperatura --- para que isso ocorra é preciso realizar trabalho --- as máquinas frigoríficas não contrariam o enunciado da segunda lei da Termodinâmica, que a referida passagem não é espontânea, ocorrendo à custa de um trabalho externo. No refrigerador das geladeiras comuns existe um líquido refrigerante (freon, tetrafluoretano etc,), que, ao sofrer expansão passa do estado líquido ao

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estado gasoso, que abaixa a temperatura na serpentina interna (congelador). III. Falsa --- contraria o segundo princípio da termodinâmica que pode ser definido como: “É impossível obter uma máquina térmica que, operando em ciclos, seja capaz de transformar totalmente o calor por ela recebido em trabalho”. IV- Correta --- Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot,

idealizada

funcionamento

pelo

apenas

engenheiro teórico

---

francês Carnot e funcionando

que entre

tem duas

transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria) --- o rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (mas o rendimento nunca chega a 100%). 9.

Pode-se definir o Segundo Princípio da Termodinâmica da seguinte maneira: “É impossível obter uma máquina térmica que, operando em ciclos, seja capaz de transformar totalmente o calor por ela recebido em trabalho” --- sempre haverá energia dissipada pelo motor.

10. Vide a Teoria.

Exercícios - Unidade 5 1.

B A produção de energia solar é considerada uma fonte de energia limpa, pois, como não há queima de combustíveis, ela não emite poluentes na atmosfera. Além disso, ela não ocupa grandes áreas, como ocorre com a produção de energia hidrelétrica. Apesar de haver casos de mortes de animais pela insolação, esse fato não é impactante a ponto de alterar o equilíbrio alimentar dos ecossistemas.

2. a) Falso – as zonas tropicais apresentam um elevado índice de captação da radiação solar, incluindo o Brasil.

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b) Falso – o Sol possui uma elevada capacidade de emissão de energia e de aquecimento, do contrário não haveria vida na Terra. c) Falso – o nível de tecnologia dos geradores de energia fotoelétrica é avançado e praticamente não há instabilidade. d) Verdadeira – os painéis de captação da energia solar são caros, além de todo o sistema de armazenamento também apresentar custos elevados. Além disso, o rendimento desses painéis, atualmente, não ultrapassa os 25%. e) Falso – As usinas solares, ao contrário das hidrelétricas, não necessitam de grandes áreas para a produção.

3. C Os dois principais usos da radiação solar para a produção de energia é para a produção de eletricidade e de aquecimento (da água, da temperatura residencial e dos alimentos).

4. a) Falso – a produção de energia elétrica a partir da radiação solar não apresenta, ao menos por enquanto, um baixo custo em sua produção. b) Falso – mesmo com o apagão de 2001, o Brasil não apresentou significativos avanços na geração de energia solar. c) Verdadeiro – O Brasil ainda não encontrou razões econômicas para investir em energia solar, haja vista que o país possui um elevado potencial hidrelétrico, que demanda menores gastos. d) Falso – O Brasil, mesmo que avance na produção de energia pela radiação solar, não apresenta perspectivas de substituir a hidroletricidade. Além disso, a instalação de usinas solares dar-se-ia de forma mais expressiva no interior do Nordeste, e não nas zonas costeiras do país. e) Falso – Apesar de boa parte de os países subdesenvolvidos apresentarem condições climáticas para o aproveitamento da energia solar, esta deverá ser implementada primeiramente pelos países desenvolvidos, uma vez que eles possuem melhores condições econômicas para tal.

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5. O uso da energia eólica da forma mais próxima do que conhecemos hoje em dia (onde a vedete é a geração de energia elétrica) vem das antigas Pérsia e Babilônia, ainda na Antiguidade, quando foram criados os moinhos de vento, inicialmente usados para bombear água para irrigação de plantações e para moer grãos. 6. É preciso um equipamento denominado turbina ou aerogerador. Um conjunto deles forma uma usina, fazenda ou parque eólico. 7. B. De longe, o Nordeste possui o maior potencial medido para energia eólica em todo o país - estima-se que possam ser gerados 75 GW (gigawatts) de potência na região, principalmente no litoral. 8. E 9. D 10. A A presença de usinas de produção de energia eólica no Norte justifica-se por essa região receber os ventos alísios, que seguem no sentido leste-oeste e do sul para o norte, advindo das zonas de maior pressão para as zonas de menor pressão no Equador.

Exercícios - Unidade 6 1. A 2. Solução. Aspectos positivos da energia nuclear: - Comparada às usinas de combustíveis fósseis, a usina nuclear requer menores áreas; - As usinas nucleares possibilitam maior independência energética para os países importadores de petróleo e gás; - Não contribui para o efeito estufa.

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- As reservas de energia nuclear são muito maiores que as reservas de combustíveis fósseis; Aspectos negativos: - Os custos de construção e operação das usinas são muito altos; - Possibilidade de construção de armas nucleares; - Destinação do lixo atômico; - Acidentes que resultam em liberação de material radioativo; - O plutônio 239 leva 24.000 anos para ter sua radioatividade reduzida à metade e cerca de 50.000 anos para tornar-se inócuo. 3. Solução. Para que a energia nuclear seja obtida é necessário realizar a fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, que, por sua vez, libera uma grande quantidade de energia. A energia nuclear mantém unidas as partículas do núcleo de um átomo, a divisão desse núcleo em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia. 4. a) Falso – A energia nuclear é uma grande fonte de conflito entre os países, pois existe a possibilidade real da produção de armas nucleares, fato que gera uma série de discussões internacionais. b) Falso – A construção e operação de usinas nucleares apresentam valores extremamente elevados, cerca de três vezes maiores que os de uma usina hidrelétrica. c) Verdadeiro – o urânio é um elemento químico relativamente barato, a geração de resíduos numa usina nuclear é bem pequena, no entanto, o lixo tóxico é extremamente perigoso. Durante o processo de obtenção de energia nas usinas nucleares, não é gerado nenhum gás causador do efeito estufa, como, por exemplo, dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4). d) Falso – Não há abundância de urânio em todo o mundo, os custos de implantação e operação de usinas nucleares são altos, sendo inacessíveis para países pobres.

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e) Falso – A legislação ambiental não é rígida, e alguns países constroem usinas nucleares sem a devida inspeção por órgãos internacionais, como, por exemplo, o Irã. 5. B 6. C 7. C 8. A 9. R- E I- Correta — a demanda aos domingos é 60% da capacidade total — 60% de 240MW=0,6.240 — demanda aos domingos=144MW II- Cada turbina tem capacidade máxima — 240/24=10MW — metade delas funcionando teria 120MW — faltam 24MH para completar 144MW — faltam 12 turbinas e a capacidade de4 cada uma é 2MW (20 % da capacidade de uma turbina) — logo, 2 x 12 = 24MW, o que precisava para completar 144 — CORRETA III- Quatorze com a capacidade máxima é 140MW, e 40 por cento de uma turbina é 4MW, logo vai atingir os 144MW que precisamos... CORRETA 10. E Para que haja energia potencial gravitacional deve existir diferença de alturas para que a água, na tendência de nivelar as alturas, passe através da turbina, gerando energia elétrica

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