Componente de Física

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1 Componente de Física Módulo Inicial Das Fontes de Energia ao Utilizador 1. Situação energética mundial: degradação de energia O que é a energia? Sabemos que nos rodeia e que é imprescindível a todas as actividades diárias e à nossa própria existência, para além da indispensabilidade para a vida em si. Sabemos também que a tecnologia permite a sua transformação, o que leva á contínua evolução da nossa sociedade e da nossa qualidade de vida. Sabemos também que existe à nossa volta sob diversas formas e é proveniente de diversas fontes. Mas é muito complicado definir o que é a energia! 1.1 Fontes de energia. A tecnologia e o impacto ambiental Quem segue o noticiário constata que o preço do petróleo não pára de subir (com algumas pequenas descidas de preço, mas em geral nos últimos anos, o preço do barril tem aumentado substancialmente). A nossa sociedade depende do petróleo, e seus derivados, o qual é extraído por alguns países, e depois refinado para suprir as nossas necessidades energéticas, que aumentam constantemente. Se bem que não haja falta de petróleo, nem vá acabar durante as próximas décadas, então porque é que o seu preço não pára de subir? Porque a capacidade actual das refinarias para o transformar nas formas utilizadas pela indústria é limitada e está praticamente no limite máximo! Então, não seria boa ideia recorrer a outras fontes de energia que nos fizessem diminuir a dependência do petróleo? Sim. O Sol é a nossa fonte principal de energia. Fornece energia indispensável para a sobrevivência dos seres vivos. Mas a sua utilização directa para outros fins, como para fornecer energia eléctrica a equipamentos, a habitações, ou a povoações, a qual já é Paulo José Santos Carriço Portugal Página 1 de 9

2 feita, é difícil, pois não se tratam de processos muito rentáveis, do ponto de vista económico, e com muitas limitações ainda ao nível tecnológico. No entanto, Portugal e muitos outros países, têm vindo a recorrer, cada vez com mais frequência, a outras energias que, como o Sol, se dizem renováveis, porque não se esgotam, como a energia do vento, da água em movimento ou da água naturalmente quente, proveniente de zonas de natureza vulcânica. Assim, as fontes de energia podem classificar-se em: renováveis não renováveis Tipo Vantagens Desvantagens Tipo Vantagens Desvantagens solar Impacto mínimo Baixa capacidade no ambiente de resposta a baixos custos de uma variação de construção e energia hídrica Boa capacidade Desaparecimento de resposta a uma de vales e aldeias variação de energia biomassa Boa capacidade de resposta a uma petróleo Boa capacidade Emissão de CO 2, de resposta a SO 2 e NO x uma variação Altos custos de de energia construção e carvão Boa capacidade Emissão de CO 2, de resposta a SO 2 e NO x variação de Elevadas custos uma variação Altos custos de energia de construção e de energia construção e eólica Custos médios de Baixa resposta a gás natural Boa capacidade Emissão de CO 2 construção e uma variação de de resposta a Altos custos de baixos custos de energia uma variação construção e de energia geotermia Impacto mínimo Altos custos de nuclear Boa capacidade Resíduos no ambiente e boa construção e de resposta a radioactivos, capacidade de uma variação dificuldade no resposta a uma de energia armazenamento variação de energia e médios custos de construção e Altos custos de construção e Emissão de CO 2, SO 2 e NO x Paulo José Santos Carriço Portugal Página 2 de 9

3 As fontes de energia ditas renováveis são aquelas que não se esgotam com a sua utilização diária. As fontes de energia não renováveis são aquelas cujos recursos são limitados podendo esgotar-se dentro de algumas décadas, como o caso do petróleo, ou de 100 a 200 anos, como o caso do carvão. Os recursos nucleares possibilitam uma exploração mais longa. No entanto, o principal fim destes recursos energéticos é a sua possibilidade de transformação para a produção de energia eléctrica, vital para o desenvolvimento económico e social, a qual é produzida em diversos tipos de centrais. 1.2 Degradação e conservação de energia A quantidade total de energia existente no Universo é constante, i.e., hoje existe a mesma quantidade de energia que existia no início da formação do mesmo, é o que diz a Lei da Conservação da Energia. Como dizia o químico francês Antoine Lavoisier: A energia não se cria nem se perde, apenas se transforma e transfere entre sistemas. Mas então parece haver uma contradição. Como explicar as campanhas de poupança de energia? Não existe contradição. A quantidade de energia existente é constante, o que não é constante é a quantidade de energia com qualidade para ser por nós utilizada. Esta perda de qualidade, que acontece em todos os fenómenos reais, envolvendo transferência e/ou transformação de energia, degradação de energia, reflecte-se numa diminuição de energia útil, energia disponível para ser utilizada. Em qualquer fenómeno real a quantidade de energia útil é sempre inferior á quantidade de energia útil que lhe deu origem. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 3 de 9

4 O esquema acima mostra, genericamente, o que acontece numa central termoeléctrica. Neste tipo de central, o combustível utilizado é o fuelóleo, um produto destilado do petróleo, e a energia armazenada nas ligações químicas das suas moléculas é transformada em energia eléctrica: o combustível reage exotermicamente com o oxigénio do ar, vaporizando água que, no estado gasoso, acciona turbinas, as quais levam à produção de energia eléctrica. Mas atenção! Nem toda a energia inicial é utilizada para a produção de electricidade. Existe energia térmica na água quente que sai da central, nas peças, as quais aquecem devido ao atrito entre elas, e nos gases que são emitidos pelas chaminés da central. O que se passa numa central termoeléctrica, que utiliza fuelóleo, é o que se passa também numa central a gás, ou a carvão, também centrais termoeléctricas. Numa central nuclear utiliza-se a energia do urânio 235, ou outro combustível nuclear, através de reacções de fissão, acontecendo o mesmo que o anteriormente referido com excepção da emissão de efluentes gasosos. Em suma, nestas centrais apenas uma parte da energia armazenada no combustível é transformada em energia eléctrica, pelo que a energia perde qualidade. A grandeza que mede o grau de eficácia de qualquer processo é o rendimento e, como consequência da degradação da energia, é sempre inferior a 100%. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 4 de 9

5 Define-se então o rendimento do processo como o quociente entre a quantidade de energia útil e a quantidade de energia necessária para a sua realização, ou seja, Eu η = 100, sendo E u a energia útil e E total). t E t a energia inicialmente fornecida (energia A situação seguinte descreve, genericamente, descreve o funcionamento de uma cafeteira eléctrica com o rendimento de 90%. Por cada 100 unidades iniciais de energia fornecida à cafeteira (energia eléctrica), 90 dessas unidades servem para aquecer a água, i.e., aumentar a sua energia térmica, e o restante, 10 unidades, é perdida para a vizinhança, fazendo aumentar a energia térmica desta. Convém aqui relembrar que a unidade SI de energia é o joule (J ). 90 Assim, η = 100, ou seja, η = 90%(0,90). 100 Como foi dito anteriormente a nossa sociedade está ainda dependente dos recursos energéticos não renováveis. O que podemos fazer para contribuir para uma maior eficácia na sua gestão, e diminuição do impacto ambiental negativo devido à sua exploração e utilização? Devemos seguir a política dos 3 R s: Reciclar Reduzir Reutilizar. Reciclar separação do papel, cartão, plásticos, embalagens de metal, vidro, pilhas,... Reduzir diminuição do consumo de energia (poupança da energia disponível) Reutilizar utilização repetida de embalagens em bom estado de conservação Realização da actividade proposta pelo manual (páginas 14 a 16) Paulo José Santos Carriço Portugal Página 5 de 9

6 2. Conservação da Energia 2.1 Lei da Conservação da Energia Num sistema isolado, a quantidade total de energia permanece constante. O Universo é um sistema isolado e, como tal, nele a sua energia permanece constante, i.e., não sofre variação ao longo do tempo, apesar de não ser mensurável. Já referimos, todavia, que essa energia sofre transformações e experimenta transferências entre diferentes sistemas (podemos considerar o grande sistema que é o Universo constituídos por sistemas mais pequenos), degradando-se, ou seja, perdendo a sua capacidade de ser útil. Das partículas subatómicas às galáxias verifica-se sempre a Lei da Conservação da Energia: Num sistema isolado, a quantidade total de energia permanece constante, ou seja, a quantidade total de energia que existe antes de qualquer transferência ou transformação é a mesma que existe depois. Como já foi dito, a energia transfere-se entre sistemas. Um sistema separa-se das vizinhanças por uma fronteira, uma superfície real ou imaginária. Dependendo do material que constitui a fronteira, esta permite uma maior ou menor transferência de energia, durante um certo tempo, entre o sistema e as suas vizinhanças. 2.2 O que sabemos sobre energia Sabemos que a energia associada a um corpo em movimento se designa por energia cinética, a qual é uma medida da massa do corpo e do quadrado da sua velocidade tal que, E c = mv. Sabemos também que os corpos estão sujeitos a interacções, i.e., forças, e que a certos tipos de interacções está associada um tipo de energia, a energia potencial, a qual se manifesta quando essa interacção actua. Assim: Interacção gravítica resulta da acção de um campo gravítico sobre qualquer corpo com massa energia potencial gravítica Paulo José Santos Carriço Portugal Página 6 de 9

7 Interacção eléctrica resulta da acção de um campo eléctrico sobre qualquer carga eléctrica energia potencial eléctrica Interacção magnética resulta da acção de um campo magnético sobre cargas eléctricas em movimento energia potencial magnética Aquela que certamente recordas é a energia potencial gravítica, que se manifesta quando um corpo, sob a acção da força gravítica que a Terra exerce sobre ele, cai quando perde o suporte que o sustenta ou do qual se encontra suspenso, sendo o efeito dessa queda tanto maior quanto maior a massa do corpo e a sua distância ao solo. À soma das componentes cinética e potencial da energia de um sistema chamamos energia mecânica do sistema. À energia que um sistema possui pelo facto de ser constituído por partículas microscópicas, as quais estão em constante movimento, chamamos energia interna do sistema (energia cinética interna + energia potencial interna). A energia cinética interna é dada pela soma da energia do movimento de todas as partículas constituintes do sistema e a energia potencial interna resulta de todas as interacções que essas partículas exercem umas sobre as outras Transferências de energia: calor, trabalho e radiação Qualquer corpo possui energia térmica. A temperatura de um corpo é uma medida dessa energia térmica, uma medida da energia cinética média das partículas que constituem o corpo. Uma variação da temperatura de um corpo traduz uma variação na sua energia interna: um aumento de temperatura traduz um aumento de energia interna, um abaixamento de temperatura uma diminuição de energia interna. Dois corpos, colocados em contacto, e a diferentes temperaturas, experimentam uma transferência de energia, do corpo que está a maior temperatura para aquele que está a menor temperatura, transferência essa que cessa quando se atinge o equilíbrio térmico, i.e., quando ficam ambos à mesma temperatura. À energia transferida entre dois corpos, ou entre um corpo e as suas vizinhanças, devido a uma diferença de temperatura chamamos calor. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 7 de 9

8 A energia transferida sob a forma de calor é uma função da massa do sistema, da variação de temperatura que experimenta, fruto dessa transferência de energia, e de uma propriedade característica da substância ou material que constitui o sistema, a capacidade térmica mássica, tal que: Q = c.m. θ sendo Q a energia transferida sob a forma de calor, m a massa do sistema, θ a variação de temperatura do sistema e c a capacidade térmica mássica da substância ou material de que o sistema é constituído. Usualmente a energia transferida sob a forma de calor vem expressa em J, a massa do sistema em kg, a variação de temperatura experimentada em º C e a capacidade térmica mássica da substância ou material que entra na composição do sistema em 1 1 J kg º C. Outra forma de transferir energia entre sistemas, ou entre um sistema e as suas vizinhanças, é como trabalho. Sempre que a acção de uma força sobre um corpo resulta no deslocamento do seu ponto de aplicação existe realização de trabalho, conceito este que será adiante amplamente explorado. Uma terceira forma de transferir energia entre sistemas, ou entre um sistema e as suas vizinhanças, é sob a forma de radiação, visível ou não, a qual resulta numa variação da temperatura do sistema, implicando variação da sua energia interna. Não esqueçamos que a radiação é constituída por fotões, pacotes quantificados de energia, sendo a energia transportada por esses fotões uma função da frequência da radiação. Em suma: Um corpo não possui calor, trabalho ou radiação! Possui energia interna que pode aumentar e diminuir sempre que recebe ou perde energia, como calor, trabalho e/ou radiação. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 8 de 9

9 2.2.2 Taxa de transferência de energia: potência A potência é a grandeza física que mede a quantidade de energia transferida entre sistemas, ou entre um sistema e as suas vizinhanças, por unidade de tempo tal que: P = E t Resolução de aplicações propostas pelo manual (páginas 27 a 33) Realização da Actividade Laboratorial: Rendimento no aquecimento Paulo José Santos Carriço Portugal Página 9 de 9