DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
F. Um Barril, uma Caloria, um Btu? Equivalência de Energia
Em discussões sobre a demanda e a oferta de energia precisamos usar um conjunto con- sistente de unidades quando estivermos tratando de quantidades diferentes. Um galão de
petróleo cru tem a capacidade de aquecer uma certa quantidade de água em alguns graus. Ele também pode ser refinado em gasolina e ser utilizado para abastecer um carro por
muitos quilômetros. Um barril de petróleo (42 galões) convertido em gasolina pode
abastecer o automóvel de uma família por aproximadamente 1.300 quilômetros (780 mi- lhas) ou aquecer uma residência média por quatro dias a 20°C, quando a temperatura ex-
terna estiver em 0°C. Contudo, muito da energia química inerentemente contida na
gasolina não será convertida em trabalho mecânico por causa da baixa eficiência do motor
do automóvel e os motores variam amplamente. Em função das várias eficiências rela-
cionadas com as diferentes máquinas, é mais indicado falar de quantidades de energia em
termos de valores de aquecimento do que em quantidade de trabalho mecânico realizado.
O "valor de aquecimento" de um combustível é a quantidade de calor que este fornece
quando completamente queimado. Os valores de aquecimento de diferentes combustíveis, nos Estados Unidos, geralmente são expressos em Btus. Um Btu é a energia necessária
para elevar em 1°F a temperatura de uma libra1 de água. Dois Btus de energia calorífica
irão aumentar em 2°F a temperatura de uma libra de água ou em 1°F a temperatura de
duas libras de água. Uma unidade similar no sistema métrico é a caloria; uma caloria é a
energia necessária para elevar em 1°C a temperatura de um grama de água. Um Btu = 252
calorias (cal) = 1.055 joules (J). Uma caloria de alimento é igual a mil calorias ou um kilo-
caloria, a energia necessária para elevar em 1°C a temperatura de um quilo de água. Nossa
ingestão de alimento é de aproximadamente 2.000 a 3.000 quilocalorias por dia. Uma lista dos valores de aquecimento dos diferentes tipos de combustível é apresentada na Tabela 3.4. Por exemplo, um galão de gasolina tem o valor de aquecimento equivalente a aproxi- madamente 125.000 Btu; se queimado em uma usina de força, irá fornecer aproximada- mente 10 kWh de energia elétrica.
Outra forma de expressar a energia armazenada em diferentes combustíveis também é conveniente. Os valores de aquecimento do carvão, do urânio e do gás natural, por exemplo, podem ser igualados ao valor de aquecimento de um determinado número de barris de petróleo. Em termos de consumo de energia, é conveniente expressar o consumo anual de outros combustíveis como sendo o equivalente à utilização de determinados bar- ris de petróleo por dia (MBPD) por um ano inteiro. Por exemplo, a combustão de 500 mi- lhões de toneladas de carvão por ano irá fornecer a mesma quantidade de energia que a combustão de 6 MBPD de petróleo por um ano. A taxa de consumo de petróleo cru nos Estados Unidos é de aproximadamente 6 bilhões de barris por ano ou 16 MBPD. Dados para a conversão entre as diferentes unidades de energia e força, bem como os valores de aquecimento de diferentes combustíveis, são apresentados na Tabela 3.4, assim como no Apêndice B e no verso da contracapa do livro.
T a b e l a 3 . 4 CONVERSÕES E EQUIVALÊNCIAS
C a p . 3 C o n s e r v a ç ã o d e E n e r g i a 7 5
T a b e l a 3.4 CONVERSÕES E EQUIVALÊNCIAS (continuação) Uso diário e
equivalências de energia
1 barril (bbl) de petróleo = dirigir 1.400 km (840 milhões) em um carro médio Eletricidade para abastecer uma cidade de cem mil habitantes demanda 4.000 bbl de petróleo por dia
Demanda energética do Estado da Califórnia por 8 h = 1 milhão de bbl de petróleo 1 gal de gasolina = 11 kWh de eletricidade (com 30% de eficiência na geração)
= 5 h de operação de um aparelho de ar condicionado padrão = 200 dias de funcionamento de um relógio elétrico
= 48 h de funcionamento de uma TV colorida = incidência de energia solar em 2 m2
(22 ft2
) durante um dia
Um milhão de B t u 90 lb de carvão
e q u i v a l e m a 125 lb de madeira seca no forno a p r o x i m a d a m e n t e 8 gal de gasolina
10 therms de gás natural
1 dia de consumo per capita de energia nos Estados Unidos 100 kWh de eletricidade produzida em uma usina de força
Dados de força Uma usina de 1.000 MWe, a 60% da capacidade, gera 5,3 x 109 kWh/ano,
suficiente para uma cidade de aproximadamente 1 milhão de habitantes Uso de força per capita nos Estados Unidos = 12 kW
Humano, sentado = 60 W Humano, correndo = 400 W Automóvel a 65 mph = 33 kW
E X E M P L O
Se uma tonelada de carvão betuminoso for queimada para produzir eletricidade, quantos kWh podem ser produzidos se a eficiência desta conversão é de 35%?
S o l u ç ã o
De acordo com a Tabela 3.4, uma tonelada de carvão betuminoso = 25 x 106 Btu.
Trinta e cinco por cento desta energia irá transformar-se em eletricidade, ou seja, (25 x 106)(0,35) = 8,9 x 106 Btu. Como 1 kWh = 3.413 Btu, então a quantidade de eletricidade
produzida será de 8,9 x 106 Btu/3.413 Btu/kWh = 2.560 kWh.
G. Resumo
Neste capítulo, vimos que realizar algum trabalho sobre um objeto (ou adicionar calor a ele) provoca mudanças na energia total do objeto; por exemplo, levantar este livro até a al- tura do seu guarda-roupas dá ao livro mais energia potencial. Isto foi expresso como a primeira lei da termodinâmica: W+ Q = delta(EC + EP + TE). A energia de um sistema fechado ao qual não se adiciona trabalho ou calor) é conservada. A conservação de energia tam- bém estabelece que a energia colocada dentro de um sistema = saída de energia + energia armazenada no sistema. O estudo da energia inclui um estudo das suas transformações de uma forma para outra, como, por exemplo, de energia mecânica para energia elétrica para energia térmica. Estamos especialmente interessados nas eficiências de tais transformações. Eficiência é a taxa de energia ou trabalho úteis resultante de uma entrada total de energia.
Referências na Internet
Para uma lista atualizada dos recursos da Internet relacionados com o material apresen- tado neste capítulo, acesse o website da Harcourt College Publishers em http://www.har- courtcollege.com. Os links estão no site Energy: Its Use and the Environment na página de Física. Sites relacionados com a energia em geral e algumas orientações para a utilização da World Wide Web em suas aulas estão no final deste livro.
Referências
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"Economic Development." Scientific American, 243 (setembro), 1980.
GARTRELL, J. e SCHAEFER, L. Evidence of Energy. Washington, D.C.: National Science Teachers As- sociation, 1990.
HOBSON, A. Physics: Concepts and Connections. 2. ed. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1999. LEBEL, P. Energy Economics and Technology. Baltimore: Johns Hopkins, 1982.
LOVINS, A. B. Solt I nergy Technologies. Annual Review of Energy, 3,1978. OSTDIEK, V. e BOND D, luquiry into Physics. 3. ed. Minneapolis: West, 1995.
ROSS, M. e WILLIAMS R. Our Energy: Regaining Control. Nova York: McGraw-Hill, 1981.
SCHIPPER, L., HOWARD R. B. e H. GELLER. U.S. Energy Use from 1973 to 1987: The Impacts of Im- proved Efficiency. Annual Review of Energy, 15,1990.
SUMMERS, C. The Conversion of Energy. Scientific American, 225 (setembro), 1971.
Q U E S T Õ E S
1. Uma vez que a energia é uma quantidade conservada, o que acontece à energia cinética de um carro depois que você tira o pé do acelerador?
2. Registre as formas de energia que entram em um sistema composto por uma chaleira posi- cionada sobre um aquecedor elétrico. Compare com a energia armazenada mais a energia que flui para fora do sistema.
3. O pêndulo de um relógio oscila para frente e para trás. Em qual posição sua energia cinética será a maior de todas? Em que posição a sua energia cinética irá igualar-se à sua energia potencial?
4. Qual é a diferença entre conservação de energia e o princípio de conservação da energia? Dê alguns exemplos de cada um.
5. Escreva uma expressão (utilizando palavras ao invés de números) para a eficiência de um motor de automóvel; seja específico sobre a quais formas de energia você está se referindo. 6. Se a eficiência geral da conversão da energia química do carvão em trabalho útil realizada por um motor elétrico é de 29%, e a eficiência na produção de eletricidade é de 35% en- quanto a eficiência da sua transmissão para o motor é de 85%, então qual é a eficiência do motor na conversão de energia elétrica em energia mecânica?
7. A Tabela 3.5 compara os processos de conversão em um motor de combustão interna (MCI) e em um veículo elétrico. Para ambos os sistemas, calcule as eficiências gerais (veja o exem- plo seguinte e, então, complete a segunda metade da tabela preenchendo as lacunas). 8 Se a eficiência de uma usina geradora de eletricidade que utiliza combustão de carvão é de
35%, então o que significa quando dizemos que a energia é uma quantidade conservada? 9. Aproximadamente quantos Btu de resíduos de calor são despejados no ambiente por uma
usina geradora de eletricidade abastecida com combustíveis fósseis que usa 10.000 Btu de energia química durante a combustão?
Cap. 3 Conservação de Energia
10. A eficiência de uma lâmpada pode ser descrita como a razão entre quais duas quantidades?
11. O que significa dizer que 50 milhões de toneladas de carvão poderiam substituir o uso de 0,6 MBPD (milhõe 12. O que quer dizer "desenvolvimento sustentável"? Dê alguns exemplos de desenvolvi-
mento que podem ocorrer em países industrializados ou em desenvolvimento e que não si "sustentáveis".
Tabela 3.5 EFICIÊNCIAS NA CONVERSÃO DE ENERGIA
Eficiência de um processo é o produto das eficiências das etapas individuais do processo. Exemplo de iluminação:
Processo Eficiência da Etapa Eficiência Geral
Produção de carvão 96% 96% Transporte de carvão 97% 93% Geração de eletricidade 33% 3 1 % Iransmissão de eletricidade 85% 26% Iluminação Lâmpada incandescente 5% 1,3% Lâmpada fluorescente 20% 5,2%
Unidades de Força Gasolina (MCI) Carro Elétrico Eficiência da Etapa Eficiência Geral Eficiência da Etapa Eficiência Geral
Produção de combustível cru 83% 83% 96% 96%
Geração de eletricidade 33% Transmissão de eletricidade 90% Bateria 80% Motor 25% 90% Mecânica 70% Sistema de transmissão 70% 90% Exemplo do automóvel:
P R O B L E M A S
1. Um skate com massa de 3 kg está se movendo a uma velocidade de 5 m / s em uma superfície plana. Ele encontra uma elevação e a sobe até parar. Que altura vertical ele consegue atingir? Desconsidere o atrito. (Dica: veja as equações no Capítulo 2.) 2. Quantas libras de carvão têm o mesmo poder calorífico de 20 galões de gasolina? 3. Uma fornalha doméstica tem uma produção de 100.000 Btu/h. Qual deveria ser a
dimensão (em kWh) de uma unidade elétrica de aquecimento para substituí-la? 4. Se uma usina geradora de eletricidade abastecida com carvão queima duas
toneladas de carvão para gerar 6.000 kWh de eletricidade, calcule a eficiência da usina como a razão entre a produção de energia e a entrada de energia do com- bustível (veja a Tabela 3.4).
5. Uma usina de força de 1.000 MWe vende a energia que produz a 12 centa- vos/kWh. Se ela fosse desligada por um dia, qual seria o prejuízo financeiro? 6. Se 60% do petróleo consumido nos Estados Unidos é usado para transporte e 1%
desta quantidade é utilizada por ônibus, quanto petróleo poderia ser econo- mizado por ano se todos os ônibus fossem convertidos para utilizar energia elétrica (pressupondo que a energia elétrica seria gerada por recursos não deriva- dos do petróleo)? Quanto é isso em MBPD?
7. Suponha que você deixou uma lâmpada de 100 W acesa por um mês inteiro. Se a eficiência na geração e transmissão de energia é de 30%, quanta energia química (em joules) foi desperdiçada na usina de força por conta deste seu descuido? Se o consumo de energia necessário para se produzir uma refeição na China, usando um fogareiro de querosene, é de 6 MJ (1 MJ = 1.000.000 J), quantas refeições equi- valentes poderiam ser produzidas com a energia que você desperdiçou?
8. Volte ao Problema 10 do Capítulo 2. Utilizando as conversões da Tabela 3.4, de- termine a quantos galões de petróleo é equivalente a energia potencial da água no lago.
A T I V I D A D E S P O S T E R I O R E S
1. Jogue uma bola de tênis ou de borracha e meça quais as alturas que ela atinge em dez quicadas. Quais conversões de energia aconteceram? Represente grafica- mente a altura (eixo dos y) versus o número de quicadas (eixo dos x). Abola salta a mesma altura em cada quicada? Explique como a energia é conservada.
2. Esta atividade é similar a outra anterior neste capítulo. Use uma régua e um livro para criar um plano inclinado. Coloque um copo de isopor ou pote de margarina vazio invertido, com uma "porta de entrada" recortada em seu fundo, na extremi- dade inferior da régua. Coloque a bolinha de gude na marca de dez centímetros da régua e deixe-a rolar para dentro do copo. Meça a distância que o copo ou pote se move. Faça isso duas ou três vezes para obter uma média. Repita o procedimento com a bolinha posicionada nas marcas de 20 cm e 30 cm da régua. O copo se moveu o dobro da distância quando a bolinha foi lançada do dobro da distância na régua? Tente os mesmos procedimentos com uma bolinha de aço e compare os resultados. 3. Energia nos Países em Desenvolvimento - um trabalho na Web
Objetivo: Usar a World Wide Web para identificar e explorar o uso da energia em outro país e seus efeitos sobre a economia e a política.
C a p . 3 C o n s e r v a ç ã o d e Energia País: Capital: Data: População: % Urbana: Taxa de crescimento: Renda per capita: % de alfabetização: Inflação:
Uso de energia per capita: Uso de energia per capita: Desemprego:
Principais produtos de exportação: Principais produtos de importação: Combustíveis primários utilizados: Recursos energéticos naturais:
Combustíveis potenciais para atendimento de demandas futuras:
Descreva as situações econômica e alimentar do país. Discuta qual o papel que os recursos energéticos desempenham nestas situações. Mencione as questões am- bientais que são particularmente causadoras de problemas. Que mudanças ocor- reram no uso de energia e na situação econômica do país nos últimos dez a 20 anos? Liste as URLs utilizadas na pesquisa.