Capacidade das Pilhas Será que a energia tabelada corresponde à realidade?

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Capacidade das Pilhas Será que a energia tabelada corresponde à realidade? Projeto FEUP 2014/2015 Mestrado integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores: Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo Equipa MIEEC01_03: Supervisor: Paulo Costa Monitor: Jorge Bessa Estudantes & Autores: André Reis up @fe.up.pt Hugo Teixeira up @fe.up.pt Tiago Neto up @fe.up.pt Daniel Fernandes up @fe.up.pt Mariana Silva up @fe.up.pt Capacidade das Pilhas 1/15

2 Resumo A Unidade Curricular Projeto FEUP tem como finalidade a aprendizagem de vários conhecimentos e o desenvolvimento de capacidades necessárias ao quotidiano de futuros engenheiros. Dentro desses conhecimentos e capacidades podemos destacar o trabalho de equipa, tendo também este projeto promovido uma boa ambientação à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Com base nesses conhecimentos foi desenvolvido este relatório tendo ele como principal tema as pilhas. O objetivo fulcral deste mesmo é a comparação entre a energia real debitada versus a energia tabelada. Na introdução dá-se destaque ao fundamental papel das pilhas na sociedade atual e da nossa dependência na sua energia. No corpo do relatório aprofundou-se certos conteúdos teóricos sobre o funcionamento de uma pilha e outros aspetos mais técnicos, como por exemplo, as diferenças entre pilhas recarregáveis e não recarregáveis. Também foram realizados os respetivos cálculos e apresentação dos resultados. Por fim e como conclusão foi apresentado a resposta à pergunta acima questionada: Será que a energia tabelada corresponde à realidade?. Palavras-Chave Pilha recarregável e descartável; Bateria; Eletricidade; Energia química; Níquel-metal; Capacidade energética; Potência elétrica; Intensidade da corrente elétrica. Capacidade das Pilhas 2/15

3 Agradecimentos Este grupo gostaria de agradecer a todos os que, direta ou indiretamente, se envolveram na realização deste relatório, com especial apreço ao professor orientador Paulo Costa e ao monitor Jorge Bessa pela disponibilidade e competência que demostraram, além do auxilio prestado. Deixa-se ainda um agradecimento à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e a todos os professores e monitores envolvidos nas palestras e atividades do Projeto FEUP pela formação dada, que foi muito útil, não só à realização deste relatório, mas também à integração e ambientação nesta instituição. Capacidade das Pilhas 3/15

4 Índice Lista de acrónimos... 5 Glossário Introdução Pilhas Funcionamento Capacidade Pilhas descartáveis e recarregáveis Influência da temperatura na descarga Auto-descarga Experiência Equações Gráficos Resultados Conclusões Referências bibliográficas Capacidade das Pilhas 4/15

5 Lista de acrónimos NiMH nickel-metal hydride (níquel-hidreto metálico); Lista de Gráficos Gráfico 1 Diferença de potencial (mv) pelo tempo decorrido (s) da Pilha A; Gráfico 2 Diferença de potencial (mv) pelo tempo decorrido (s) da Pilha B; Capacidade das Pilhas 5/15

6 Glossário Bateria: conjunto de condensadores elétricos, de elementos de pilha ou de acumuladores ligados em série ou em paralelo e usado como uma única unidade. Grandezas nominais: são os valores máximos para os quais o aparelho ou recetor foram fabricados. Assim, temos: intensidade nominal, potência nominal, etc Pilha: aparelho que transforma em energia elétrica a energia desenvolvida numa reação química. Capacidade das Pilhas 6/15

7 1. Introdução No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP do 1.º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, foi realizado o presente relatório cujo tema é Capacidade das Pilhas. Quando se acende uma lanterna, se verifica a hora no relógio ou se faz uma chamada telefónica, não é muitas vezes tido em conta que estas atividades só são possíveis hoje graças a uma das maiores invenções do século 18. A pilha, que torna o quotidiano das pessoas cada vez mais simples, resultou de experiências sobre eletricidade conduzidas no final de 1799 pelo físico italiano Alessandro Volta ( ), professor da Universidade de Pávia, Itália. (José Atílio Vanin 1999) Desde então, a sociedade tornou-se cada vez mais dependente de diferentes equipamentos eletrónicos portáteis. Assim, a tecnologia evoluiu imenso nesta área e atualmente existem diversos tipos de pilhas para as mais diversas utilidades. Na abordagem deste tema destaca-se a fiabilidade da capacidade das pilhas de níquelmetal especificada pelo fabricante e da sua eficiência. Capacidade das Pilhas 7/15

8 2. Pilhas Uma pilha ou fonte de energia eletroquímica é um dispositivo que permite à energia libertada numa reação química ser convertida diretamente em eletricidade (Colin A. Vincent 1997). As pilhas cumprem várias finalidades, mas atuam, principalmente, como fontes portáteis de energia elétrica. Exemplos modernos bem conhecidos vão desde as pequenas células usadas em relógios elétricos às baterias de chumbo e ácido utilizadas para o arranque de veículos com motores de combustão interna. A pilha NiMH tem várias vantagens em relação a outras outras tecnologias recarregáveis, entre as quais a vida útil, segurança e constituintes não tóxicos. Esta tem vindo a ser desenvolvida nos últimos 30 anos e passou de uma curiosidade laboratorial a um produto altamente desenvolvido para as mais variáveis aplicações, incluindo aparelhos eletrónicos portáteis, veículos híbridos e elétricos. 2.1 Funcionamento No interior de uma pilha ocorrem reações de oxidação e redução, que permitem a transformação da energia química em elétrica. Cada pilha possui dois elétrodos: um positivo (cátodo) e um negativo (ânodo) constituídos por dois metais diferentes. Cada um destes é armazenado no interior de um compartimento, no qual estão catiões e aniões (iões carregados positiva e negativamente que atraem os). A ligação entre ambos é feita através de um circuito elétrico exterior, o que permite a transferência de eletrões. É esta transferência que faz com que ocorram reações de oxirredução. Do elétrodo negativo vão sair eletrões e os aniões presentes nesse elétrodo são oxidados. Por sua vez, estes eletrões serão transferidos para o cátodo, reduzindo os catiões. Este processo permite assim a transformação da energia química em elétrica, que é conduzida depois para o circuito externo. Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma. Antoine Lavoisier Capacidade das Pilhas 8/15

9 2.2. Capacidade A capacidade de uma pilha representa a corrente elétrica que esta consegue fornecer a um dado equipamento. O mah é a abreviatura usada para o miliampere-hora, uma subunidade de medida (proveniente do ampere-hora) usada para indicar a transferência de carga por meio de uma corrente estável de um miliampere ao longo de uma hora. É preciso deixar claro que esta métrica não mede diretamente a energia de uma pilha (o que é feito pelas unidades joule ou watt-hora). A sua intenção é estabelecer o seu tempo médio de duração. Assim, em teoria, quanto maior o miliampere-hora indicado na pilha, mais longo é o período que um dispositivo móvel pode ficar desconectado de uma fonte externa (Fernando Daquino 2013). Existe uma fórmula normalmente usada pelos estudantes e profissionais de engenharia eletrotécnica com a qual é possível determinar o tempo de duração de uma pilha (equação (d)). A conta é relativamente simples: dividir a sua capacidade (em miliampere-hora) pelo valor de consumo do dispositivo (em miliampere), que nos dá o tempo médio (em horas) da descarga da pilha. No entanto, o resultado alcançado é estimado, porque para ser mais preciso a pilha deveria ser nova, estar completamente carregada e o dispositivo elétrico manter um consumo fixo o que dificilmente acontece. Por exemplo, quando fazemos uma chamada, assistimos a um vídeo ou jogamos um jogo num smartphone, ocorre um aumento da exigência da bateria. Além disso, outras variáveis podem influenciar o consumo como, por exemplo, a temperatura Pilhas descartáveis e recarregáveis Estes dispositivos podem ser divididos em duas grandes categorias, descartáveis e recarregáveis. A diferença entre estes dois tipos está nas reações que ocorrem dentro da pilha. Nas pilhas não recarregáveis, estas reações realizam-se num só sentido, ou seja, a reação inversa não é possível, pelo que não podem voltar a ser carregadas. Por outro lado, as pilhas recarregáveis têm por base reações reversíveis, permitindo que uma reação inversa ocorra, carregando a pilha. Capacidade das Pilhas 9/15

10 2.4. Influência da temperatura na descarga O desempenho nominal de uma pilha é normalmente especificado para temperaturas entre 20 e 30 C. O seu rendimento e vida útil pode ser seriamente afetados pelo funcionamento a temperaturas extremas - tanto muito quentes como muito frias. O calor faz com que alguns dos componentes líquidos da pilha evaporem, o que pode danificar a sua estrutura interna. Quanto mais quente está a pilha, mais rápido as reações dentro dela ocorrem. Isto pode aumentar a performance temporariamente, mas ao mesmo tempo aumenta a velocidade das reações químicas indesejadas, o que correspondente à perda energia pela pilha. O frio também faz baixar o rendimento, porque torna as reações químicas mais lentas e alguns componentes ficam mais viscosos Auto-descarga As pilhas NiMH, tal como todas as outras, têm um certo nível de auto-descarga que ocorre quando ela está em repouso. Um dos fatores que contribuem para a auto-descarga é a energia usada pelo ciclo de oxigênio em elevados estados de carga, mas este é desprezível abaixo de cerca de 70% de capacidade. A longo prazo, é o transporte de iões que causam o descarregamento contínuo da célula durante extensos períodos de tempo. A taxa de auto-descarga é altamente dependente da temperatura da célula. A temperaturas mais elevadas, a taxa de descarga é maior. Capacidade das Pilhas 10/15

11 3. Experiência Para verificar a veracidade das caraterísticas da pilha referidas pelo fabricante, realizouse uma experiência com o objetivo de medir a capacidade de duas pilhas iguais de NiMH. Para começar, obteve-se a diferença de potencial da pilha ao longo do tempo através de um descarregador de pilhas. A partir do gráfico obtido calculou-se a energia total fornecida através da equação (a) e (b), sendo que U. Δt é a área do gráfico. Durante a experiencia, foi usada uma intensidade aproximadamente constante de 1,2A. Sabendo a energia total e usando a equação (c), determinou-se a capacidade da pilha. Neste caso, queremos calcular a intensidade que a pilha fornece durante uma hora. O U = 1,2V significa a diferencia de potencial média de descarga e o Δt = 3600s é o número de segundos numa hora. Durante a experiência não foi feito o controlo da temperatura ambiente, que se manteve aproximadamente constante. Logo, é uma variável experimental para ter em consideração nos resultados obtidos. 3.1 Equações (a) P = I. U (b) E = P. Δt E = I. U. Δt (c) I(nominal) = E(calculada em cima) U(1,2) Δt(3600) (d) Tempo de duração da pilha = capacidade da pilha consumo do dispositivo Neste contexto, o significado das letras é o seguinte: P - Potência (watt, W) I - Intensidade (ampere, A) U - Diferença de potencial (volt, V) E - Energia (joule, J) Δ - Delta (variação, adimensional) t - Tempo (segundos, s) Capacidade das Pilhas 11/15

12 3.2 Gráficos Gráfico 1: Diferença de potencial (mv) pelo tempo decorrido (s) da Pilha A. Gráfico 2: Diferença de potencial (mv) pelo tempo decorrido (s) da Pilha B. Capacidade das Pilhas 12/15

13 4. Resultados Pilha 1: Capacidade indicada pelo fornecedor: 1500 mah; Cálculo da energia cedida pela pilha: E = I U Δt = 5789,09J; Cálculo da capacidade em mah: I (nominal) = 5789, mah; 1, Pilha 2: Capacidade indicada pelo fornecedor: 1500 mah; Cálculo da energia cedida pela pilha: E = I U Δt = 6040,11J; Cálculo da capacidade em mah: I (nominal) = 6040,11 1, mah; A capacidade das pilhas NiMH testadas indicada pelo fornecedor é de 1500 mah. A média dos valores reais calculados para as duas pilhas é 1370 mah, o que corresponde a 93% do valor tabelado. No gráfico seguinte é feita a comparação entre os dois valores. A coluna a azul é referente aos dados obtidos na experiência e a coluna laranja aos valores tabelados pelo fabricante. As variáveis, como a temperatura e os possíveis erros de aproximação, podem ter influenciado os resultados, mas não de forma significativa. Capacidade das Pilhas 13/15

14 5. Conclusões Após a elaboração deste trabalho concluiu-se que efetivamente a capacidade debitada das pilhas testadas revela-se aquém da teórica, indicada pelo fabricante. Esta diferença nos valores permite-nos perceber melhor a quantidade de energia que uma pilha pode realmente fornecer a um dispositivo e este é um critério fundamental na sua avaliação. No entanto, como as pilhas não eram novas e a amostra não era significativa, não podemos garantir que esta diferença se deva a um erro do fabricante. Capacidade das Pilhas 14/15

15 Referências bibliográficas Colin A. Vincent & Bruno Scrosati Modern Batteries, An introduction to electrochemical power sources. 2ª ed. London: Newnes. Fernando Daquino O que significa o mah nas baterias de celulares e tablets?. Acedido a 14 de outubro de J. Almeida Costa e A. Sampaio e Melo Dicionário da Língua Portuguesa. 5ª ed. Porto: Porto editora. Jennifer Fogaça Pilhas. Acedido a 14 de outubro de John J.C. Kopera Inside the Nickel Metal Hydride Battery. Acedido a 22 de outubro de José Atílio Vanin Uma descoberta eletrizante. Acedido a 10 de outubro de José Matias Dicionário de eletricidade/eletrónica. Acedido a 15 de outubro de Luís Mendonça e Marco Madureira Alimentação de uma Bóia Oceanográfica. Projeto Seminário Trabalho Final de Curso, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto. Acedido a 9 de outubro de Noémia Maciel, Jaime E. Villate, Carlos Azevedo e F. Maciel Barbosa Eu e a física 12. Porto: Porto editora. Smarter Charger (Equipa) How Temperature Can Affect Your Battery. Acedido a 22 de outubro de Capacidade das Pilhas 15/15