Energia & Sustentabilidade

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1 Energia & Sustentabilidade

2 O que é Energia? O termo energia do grego: "ergos, cujo significado original é trabalho, força em ação. Fontes limpas de energia: a luz do sol; o vento; a água.

3 Energia Elétrica

4 USINA HIDRELÉTRICA

5 USINA HIDRELÉTRICA Na construção das barragens das usinas hidrelétricas são utilizadas grandes quantidades de concreto. Essas barragens têm como função represar a água para que esta adquira energia potencial. No conjunto formado pela turbina e pelo gerador, ocorre a conversão de a) energia potencial em energia elétrica. b) energia térmica em energia cinética. c) energia cinética em energia elétrica. d) energia elétrica em energia potencial. e) energia potencial em energia radiante.

6 USINA HIDRELÉTRICA (UFG) Nas usinas hidroelétricas, a energia potencial gravitacional de um reservatório de água é convertida em energia elétrica através de turbinas. Uma usina de pequeno porte possui vazão de água de 400 m 3 /s, queda de 9 m, eficiência de 90% e é utilizada para o abastecimento de energia elétrica de uma comunidade cujo consumo per capita mensal é igual a 360 kwh. Calcule: a) a potência elétrica gerada pela usina; b) o número de habitantes que ela pode atender. Considere: g = 10 m/s 2 ; d água = 1 kg/l.

7 Dados: h = 9 m η = 0,9 Z = 400 m 3 /s d = 1 kg/l = 10 3 kg/m 3 g = 10 m/s 2 P P W Mgh t t dvgh t Z V t P total dzgh Vazão (m 3 /s)

8 Dados: h = 9 m η = 0,9 Z = 400 m 3 /s d = 1 kg/l = 10 3 kg/m 3 g = 10 m/s 2 P total dzgh P P P W P 36 total MW

9 Dados: h = 9 m η = 0,9 Z = 400 m 3 /s d = 1 kg/l = 10 3 kg/m 3 g = 10 m/s 2 P útil P P útil total P total P útil 0,9 36 P 32, 4MW gerada

10 b) o número de habitantes que ela pode atender. P P gerada gerada 32,4MW 32, kw E E E P t 32, , ,210 7, t 1mês 30dias 3024h E 2,310 7 kwh t 720h t 7,210 2 h Número de habitantes que ela pode atender: N 2, ,310 3, N = habitantes.

11 20 unidades geradoras e MW de potência instalada. 15% da energia consumida no Brasil e 75% do consumo paraguaio.

12 Responde por um quase 1/4 de todo o consumo nacional de energia elétrica. *Início de operação: 1984 Produção desde o início: 2,3 bilhões de MWh. Recorde anual: 98,6 milhões de MWh, em 2013.

13 1 unidade (das 20 unidades geradoras) é capaz de abastecer uma cidade com 1,5 milhão de habitantes. 7 unidades geradoras de Itaipu: Poderiam suprir o todo o estado do Rio de Janeiro. 12 unidades geradoras de Itaipu: Poderiam suprir os estados do Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

14 Três gargantas (China) Potência instalada: MW *Recorde mundial de produção anual: 98,8 milhões de MWh, em Início de operação: 2006.

15 Vantagens Energia renovável; Baixo custo do kwh; Forma de energia limpa, sem poluentes; Geração de empregos; Desenvolvimento econômico e sustentável; Aumenta a confiabilidade dos sistemas elétricos.

16 Desvantagens Desapropriação de terras produtivas pela inundação; Impactos ambientais, como as perdas de vegetação e da fauna terrestres; Impactos sociais, como relocação de moradores e desapropriações; Interferência na migração dos peixes; Alterações na fauna do rio; Perdas de heranças históricas e culturais, alterações em atividades econômicas e usos tradicionais da terra.

17 Energia Solar

18 Energia Solar Fotovoltaica A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico) sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutores.

19 Energia Solar Fotovoltaica Não utiliza combustíveis fósseis; Não possui partes móveis (fixo); Não produz ruídos (poluição sonora); Não emite gases estufa;

20 Energia Solar Fotovoltaica Material de ponta: U$ 3.00/Watt Exemplo: 1 kw = 1000 W de potência instalada = U$ * *Retorno médio do investimento: de 7 a 13 anos Centro Oeste: 5,7 kwh/m 2 /dia Norte: 5,5 kwh/m 2 /dia Nordeste: 5,9 kwh/m 2 /dia Sudeste: 5,6 kwh/m 2 /dia Nordeste: 5,2 kwh/m 2 /dia Garantia: 25 anos

21 Células fotovoltaicas Tempo de vida de um painel solar: 25 anos, aproximadamente; Eficiência: média de 25% I Pot A Unidade: W/m 2 (S.I.)

22 Energia Solar Térmica

23 Enem PPL (2014) (Enem PPL 2014) Um engenheiro decidiu instalar um aquecedor solar em sua casa, conforme mostra o esquema. De acordo com as instruções de montagem, para se ter um aproveitamento máximo da incidência solar, as placas do coletor solar devem ser instaladas com um ângulo de inclinação determinado. O parâmetro que define o valor do ângulo de inclinação dessas placas coletoras é a a) altitude. b) latitude. c) longitude. d) nebulosidade. e) umidade relativa do ar.

24 Enem PPL (2014) (Enem PPL 2014) Um engenheiro decidiu instalar um aquecedor solar em sua casa, conforme mostra o esquema. De acordo com as instruções de montagem, para se ter um aproveitamento máximo da incidência solar, as placas do coletor solar devem ser instaladas com um ângulo de inclinação determinado. O parâmetro que define o valor do ângulo de inclinação dessas placas coletoras é a a) altitude. b) latitude. c) longitude. d) nebulosidade. e) umidade relativa do ar.

25 Enem 2015 Enem Um carro solar é um veículo que utiliza apenas a energia solar para a sua locomoção. Tipicamente, o carro contém um painel fotovoltaico que converte a energia do Sol em energia elétrica que, por sua vez, alimenta um motor elétrico. A imagem mostra o carro solar Tokai Challenger, desenvolvido na Universidade de Tokai, no Japão, e que venceu o World Solar Challenge de 2009, uma corrida internacional de carros solares, tendo atingido uma velocidade média acima de 100 km/h. Considere uma região plana onde a insolação (energia solar por unidade de tempo e de área que chega à superfície da Terra) seja de 1000 W/m 2, que o carro solar possua massa de 200 kg e seja construído de forma que o painel fotovoltaico em seu topo tenha uma área de 9 m 2 e rendimento de 30%. Desprezando as forças de resistência do ar, o tempo que esse carro solar levaria, a partir do repouso, para atingir a velocidade de 108 km/h é um valor mais próximo de a) 1,0 s. b) 4,0 s. c) 10 s. d) 33 s. e) 300 s.

26 Dados: I = 1000 W/m 2 η = 30% = 0,3 A = 9 m 2 m = 200 kg v 0 = 0 v = 108 km/h = 30 m/s Δt =? P I A P P 9000 total W P útil P P 0,3 útil total P útil W

27 Dados: I = 1000 W/m 2 η = 30% = 0,3 A = 9 m 2 m = 200 kg v 0 = 0 v = 108 km/h = 30 m/s Δt =? t 33, 3s P 2700W útil P útil t 2700 t t E cin mv J mv

28 Enem 2015 Enem Um carro solar é um veículo que utiliza apenas a energia solar para a sua locomoção. Tipicamente, o carro contém um painel fotovoltaico que converte a energia do Sol em energia elétrica que, por sua vez, alimenta um motor elétrico. A imagem mostra o carro solar Tokai Challenger, desenvolvido na Universidade de Tokai, no Japão, e que venceu o World Solar Challenge de 2009, uma corrida internacional de carros solares, tendo atingido uma velocidade média acima de 100 km/h. Considere uma região plana onde a insolação (energia solar por unidade de tempo e de área que chega à superfície da Terra) seja de 1000 W/m 2, que o carro solar possua massa de 200 kg e seja construído de forma que o painel fotovoltaico em seu topo tenha uma área de 9 m 2 e rendimento de 30%. Desprezando as forças de resistência do ar, o tempo que esse carro solar levaria, a partir do repouso, para atingir a velocidade de 108 km/h é um valor mais próximo de a) 1,0 s. b) 4,0 s. c) 10 s. d) 33 s. e) 300 s.

29 Energia Nuclear

30 Energia Nuclear Energia nuclear é a energia liberada em uma reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos (fissão e fusão nuclear).

31 Vantagens Fonte de energia praticamente inesgotável; Não se utiliza combustíveis fósseis; Não gerando assim gases estufa; não necessita do alagamento de grandes áreas para a formação dos lagos de reservatórios, evitando assim a perda de áreas de reservas naturais, terras agriculturáveis e remoção de comunidades; Imune de alterações climáticas (ausência de ventos ou chuvas).

32 Desvantagens Não tratamento adequado para o lixo radioativo; Risco de segurança para a população e o ambiente local contaminação; Poluição térmica (aquecimento excessivo do ambiente pelo descarte de água superaquecida).

33 Desvantagens Não tratamento adequado para o lixo radioativo; Risco de segurança para a população e o ambiente local contaminação; Poluição térmica (aquecimento excessivo do ambiente pelo descarte de água superaquecida).

34 ...E a energia eólica?

35 É só estocar...

36 Energia & Máquinas Térmicas

37 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁQUINAS TÉRMICAS Poder calorífico do combustível Rendimento (η) Ciclo termodinâmico de transformações

38 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁQUINAS TÉRMICAS Poder calorífico Máquinas Térmicas Combustível Poder calorífico (kcal/kg) Gasolina Óleo Diesel álcool 6500 Gás liquefeito gás natural Máquina a vapor simples (Locomotivas) turbinas a vapor (usinas termelétricas) motores a gasolina (automóvel) motores a diesel (fábricas e locomotivas) Rendimento (%) 6 a 8 16 a a a 38

39 ENERGIA TÉRMICA E AS MÁQUINAS TÉRMICAS W Q Q 1 2 W Q 1 Q 1 2 Q 1

40 Corpo Humano: Uma máquina térmica 60% Produção de energia no interior das células (mitocôndria) Alimentação Digestão (absorção de energia pelo organismo) Energia obtida principalmente da glicose, transfomando-a em moléculas de ATP Liberação de energia química para todo nosso organismo.

41 ENERGIA E AS MÁQUINAS TÉRMICAS 2ª Lei da Termodinâmica: 100% Ciclo ideal: Ciclo de Carnot (η máx )

42 Ciclo de Carnot T 1 : Temp. Fonte Quente T 2 : Temp. Fonte Fria Q2 Q 1 T T 2 1 máx T 1 2 T 1

43 Ciclo de Carnot Q2 Q 1 T T 2 1 máx T 1 2 T 1

44 Ciclo de Carnot T 1 : Temp. Fonte Quente T 2 : Temp. Fonte Fria máx T 1 2 T 1 Para η=100% T 2 = 0 K

45 Enem 2011 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. CARVALHO, A. X. Z. Física Térmica. Belo Horizonte: Pax, 2009 (adaptado). 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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