BCE Aula 2 De onde vem a energia

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Objetivo: apresentar as fontes primárias e secundárias de energia mais

importantes e alguns processos de conversão da energia

Sequência de atividades:

• Definições importantes

• Apresentação de algumas classificações das fontes de energia • Discussão sobre a origem das principais fontes primárias

• Apresentação de algumas eficiências de conversão • Apresentação de formulário básico

• Exercícios resolvidos

Conteúdos:

• Fontes de energia, quantificação de algumas formas de energia, conversão da energia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC Disciplina de Bases Conceituais da Energia

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Energia primária: é aquela disponível na sua forma natural, antes de sofrer

qualquer conversão para uso final.

Energia secundária: é aquela que provém da conversão da energia primária

e que será efetivamente consumida pelo homem, satisfazendo suas necessidades.

Fonte renovável de energia: trata-se de uma fonte primária de energia cujas

condições naturais permitem sua reposição em um curto horizonte de tempo.

Fonte não renovável de energia: é toda fonte primária que a natureza não

tem condições de repor em um horizonte de tempo compatível com seu consumo pelos seres humanos.

Algumas definições importantes

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Frequentemente você verá o termo “fonte alternativa de energia” sendo utilizado como sinônimo de fonte renovável de energia. Convém dizer, porém, que a palavra alternativa faz alusão à substituição de uma fonte por outra. Geralmente, a substituição de uma fonte convencional mais poluente por uma mais moderna e menos poluente. Por exemplo, a substituição do carvão mineral pela energia solar fotovoltaica, como forma de obter energia elétrica. Porém, essa substituição nem sempre é feita a partir de fontes renováveis. Por exemplo, para substituir o carvão, poderia ser utilizado gás natural, que é uma fonte alternativa mas não renovável de energia! A substituição se justificaria porque o gás natural é menos poluente que o carvão e as usinas termoelétricas a gás de ciclo combinado apresentam boas eficiências frente às termelétricas convencionais.

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ATENÇÃO

As duas classificações a seguir são consideradas corretas, porém apresentam diferenças substanciais entre si. A primeira é considerada mais prática, por ser a utilizada nos balanços energéticos de países, como no Balanço Energético Nacional (BEN).

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Fontes Tipo Energia primária Energia secundária Não renováveis fósseis carvão mineral, petróleo e derivados, gás natural termoeletricidade, calor, combustível

nuclear materiais físseis termoeletricidade

Renováveis tradicionais lenha de desmatamento calor convencionais potencial hidráulico de médio e grande porte hidreletricidade modernas potencial hidráulico de pequeno porte, lenha de reflorestamento, culturas energéticas (cana, óleos vegetais) hidreletricidade, calor,biocombustíveis, termoeletricidade outras energia solar, energia geotérmica, energia eólica, energia maremotriz e das ondas calor, eletricidade

Fonte: Goldemberg e Lucon (2008) Classificação tradicional das fontes de energia

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Uma das diferentes classificações alternativas

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Conversão de Para Química Para Elétrica Para Calor Para Luz Para Mecânica

Química alimentos,

plantas

bateria, célula

combustível fogo, alimentos

Vela, foforecência foguete, músculo animal Elétrica eletrólise, galvanização, bateria recarregável transistor, transformador torradeira, lâmpada incandescente, vela de carro lâmpada fluorescente, LED motor elétrico Calor gaseificação, pirólise termopar bomba de calor, trocador de calor fogo Máquina térmica Luz fotossíntese, filme fotográfico célula fotovoltaica coletor solar térmico laser Absorção de fótons por elétrons

Mecânica célula de calor,

cristalização

gerador,

alternador freio de fricção faísca de pedra

pêndulo, roda d'água

Exemplos de conversão da energia

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Processo Eficiência (%)

Geradores elétricos 70-99 Motor elétrico 50-90 Fornalha a gás 70-95 Turbina eólica 35-50 Usina termoelétrica fóssil 30-40 Usina nuclear 30-35 Motor de automóvel 20-30 Lâmpada fluorescente 20 Lâmpada incandescente 5 Célula fotovoltaica 5 a 28 Aquecedor solar 40-60 Célula a combustível 40-60

Alguns valores de eficiência na conversão de energia

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Definição clássica de Trabalho:

Da Física: Trabalho é uma grandeza vetorial, obtida pelo produto de

uma força pelo deslocamento efetuado por um corpo, sob ação dessa

força em em sua direção. Assim:

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Unidade básica de Trabalho e Energia:

Logo, no SI:

Assim, 1 joule corresponde à quantidade de energia transferida a um

corpo (ou dele retirada) por uma força de 1 newton que atua nele ao

longo de uma distância de 1 m.

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Outras unidades úteis de energia e trabalho:

1 cal = 4,184 J 1 kWh= 3,6 x 106 _{J (ou 3.600 KJ)} 1 Btu= 1.055 J 1 tep= 42 x 109 _J

Variantes:

kJ, MJ, GJ, TJ 1 Quad = 1015 _Btu

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Nesse exemplo, o trabalho realizado pela mãe sobre o conjunto

carrinho + bebê, a partir do repouso, está aumentando a energia

mecânica do conjunto (energia potencial) .

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Para se manter o carrinho e o bebe em movimento, caso se estivesse

num caminho horizontal (h = constante) ainda assim seria necessário

aplicar uma certa força, para igualar o efeito da força de atrito, de

forma a que a somatória das forças fosse constante. O trabalho

resultante dessa força é transformado em Energia Térmica pelo atrito,

aumentando a Energia Térmica (E

_T

)

Pode-se intuir, a partir dos exemplos apresentados, que uma forma

geral de se expressar matematicamente a relação entre trabalho,

energia mecânica e energia térmica é:

Obviamente, tanto o trabalho realizado/sofrido por um sistema como

as variações das energias envolvidas podem ter sinal positivo ou

negativo.

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Outra forma de trocar energia entre dois corpos ocorre quando há

uma diferença de temperatura entre eles, esta forma de transferência

de energia e o calor (Q).

Assim, para se realizar adequadamente o balanço energético, é

necessária a adição do termo Q na equação anterior, o qual

representa o calor proveniente da combustão:

Essa equação também se aplica a outras formas de energia, como a

química e a elétrica pois, no nível microscópico, elas se resumem a

dois tipos básicos de energia, que são a cinética e a potencial.

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Essa equação é uma das mais importantes da Física, a qual veremos

mais adiante nesse curso. Ela é conhecida como a Primeira Lei da

Termodinâmica.

Essa Lei diz, basicamente, que se não houver variação de massa

de um sistema, a única forma de se variar a sua a energia total é

através da realização de trabalho sobre/pelo sistema e/ou através da

adição/retirada de calor ao/do sistema.

Ou, simplesmente:

sendo E a energia total do sistema.

Portanto, de forma geral, pode-se escrevê-la como:

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Um

caso

particular

da

Primeira

Lei

da

Termodinâmica

muito

interessante é aquele em que o sistema não realiza trabalho sobre o

entorno e nem sofre trabalho deste (W = 0) e também não cede nem

recebe calor do entorno (Q = 0). Consideremos, também, que a massa

do sistema não varie.

.

Nesse caso, temos que W + Q = 0 e dizemos que o sistema é isolado.

Assim:

Esse último resultado é muito importante e é conhecido, na Física,

como o Princípio de Conservação da Energia. Em última instância,

pode-se concluir que:

“ A quantidade total de energia em um sistema isolado com massa

constante sempre permanecerá constante ou, seja, a energia total é

conservada.”

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Vamos olhar novamente a equação anterior:

.

Embora a quantidade total de energia do sistema não varie (E =0),

nesse

sistema

isolado

deverão

ocorrer

conversões

(ou

transformações) da energia de uma forma para outra. Veja o exemplo

a seguir (despreze o atrito):

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Definição clássica de potência

Potência representa um fluxo de energia por unidade de tempo ou a

taxa em que se executa trabalho (Goldemberg, 2008).

t = 5 min

_{t = 0,5 min}

No exemplo ao lado, o trabalho é o

mesmo para subir de escada ou de

elevador,

mas

a

potência

do

elevador é muitas vezes maior que

a potência humana! Por quê?

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Unidade básica de Potência

Logo, no SI:

Assim, 1 watt corresponde à realização de um trabalho de 1 J durante 1

segundo ou ao consumo de 1 J de energia a cada 1 segundo.

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Uma outra unidade de potência, muito empregada em países de

língua inglesa, é o horse-power ou HP.

Temos que 1 HP

 746 W

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Cuidado: é comum confundir potência com energia. Para você

não cometer esse erro, lembre-se desse exemplo:

Aparelho 1: Chuveiro elétrico

– Potência: 6.000 W ou 6 kW

Tempo diário de uso: 15 min ou 0,25 h

Aparelho 2: Lâmpada incandescente– Potência: 100 W ou 0,1 kW

Tempo diário de uso: 15 h

Qual desses equipamentos utiliza mais energia elétrica diariamente?

Chuveiro: E = P.∆t = 6 kW.0,25 h =1,5 kWh

Lâmpada: E = P.

∆t = 0,1 kW.15h = 1,5 kWh

Ou seja, ambos utilizam a mesma quantidade, porém o chuveiro o faz

em um tempo muito menor!

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Outra relação entre energia (ou trabalho) e potência:

Note que a energia utilizada ou o trabalho realizado ao longo do

tempo, quando temos a expressão matemática ou o gráfico da

potência instantânea, pode ser obtido a partir da integral* de P em

relação a t. Isso equivale a encontrar a área sob o gráfico.

OU:

* Esse conceito será visto mais adiante no curso de FUV – Não se preocupe pois, no momento atual, será necessário apenas saber calcular áreas de figuras planas.

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Uma residência utiliza lâmpadas incandescentes para iluminação, cuja eficiência na conversão de energia elétrica em energia luminosa é de 5%. A energia elétrica que alimenta a residência provém de uma usina termelétrica a gás natural, cuja eficiência na conversão de calor em energia elétrica é de 36%. Como a usina fica a 300 km da cidade onde a residência está situada, a energia gerada é transmitida em alta tensão e consumida em baixa tensão, sendo que as perdas com transmissão e transformação de tensão são de 15% e 4%, respectivamente. Sendo assim, para cada kWh liberado pelas lâmpadas, na forma de energia luminosa, quantos kWh de calor provenientes da queima do gás, na usina termelétrica, são necessários?

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Uma máquina de moagem de uma usina de etanol opera 24 h por dia, com potência elétrica de 150 kW. A energia elétrica que alimenta o equipamento provém da queima do bagaço da cana-de-açúcar da própria usina, cujo valor energético é de 2.200 kcal/kg. Considerando-se a eficiência global de conversão da energia química do bagaço em calor e posteriormente em eletricidade de 25%, determine a quantidade diária de bagaço, em toneladas, consumida para fornecer eletricidade à máquina de moagem.

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Uma represa possui 100 milhões de m3 _{de água armazenada, formando um lago} raso e de grande diâmetro. Da abertura da saída de água até uma turbina hidráulica, há um desnível de 80 m. A água escoa pela tubulação, no sentido da turbina, com uma vazão constante de 2,5 m3_/s.

a) Determine a máxima potência elétrica instalada, em kW, que essa usina hidrelétrica poderia ter, sabendo-se que a eficiência de conversão da energia mecânica em elétrica é de 80%.

b) Determine a velocidade da água que chega à turbina

Despreze as perdas por calor durante todo o tempo em que a energia é apenas mecânica.

Dados: g = 9,8 m/s2_; 

água = 1.000 kg/m3.

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Um aquecedor elétrico é utilizado para aquecer a água de um reservatório, desde a temperatura ambiente de 20 ºC até 60º C. A potência elétrica P ao longo do processo de aquecimento, que durou 10 horas, pode ser vista na figura a seguir. Considerando-se a eficiência de conversão da energia elétrica do aquecedor em calor absorvido pela água de 95%, determine:

a) o volume de água aquecido, em litros. Dado: _água = 1.000 kg/m3 _{= 1 kg /L.}

b) a temperatura final de equilíbrio térmico, se esse volume de água for misturado, em um recipiente isolado, a 500 L de água a 5°C.

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Uma barra de cereais de 30 g contém 138 kcal de valor energético. Considerando que toda essa energia pudesse ser utilizada para os processos abaixo, determine o resultado solicitado. Use g = 9,8 m/s2_.

a) Qual a massa de gelo a 0°C que poderia ser derretida? b) Que massa de água a 100 °C poderia ser evaporada?

c) A que altura um carro de 800 kg poderia ser elevado em relação ao solo?

Exemplo 5

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