As Leis da Termodinâmica e as Usinas Termoelétricas

 

Para fazermos qualquer esforço na natureza requer um gasto físico (perda e ganho de energia). 

Esse esforço pode ser associado à energia que move o mundo. Com o desenvolvimento técnico havido na indústria capitalista, desde as primeiras máquinas a vapor (segunda metade do século XVIII) e os primeiros motores a combustão interna (século XIX), tornou-se factível a geração de eletricidade através do acionamento dos dínamos e depois, dos modernos geradores. Podemos dividir nesse primeiro momento em dois tipos de geração de energia, as provenientes de quedas d’água nos cursos dos rios, geleiras e de alguns lagos de altitude, denominada de hidroeletricidade, e as geração por meio de expansão gasosa obtido pela queima controlada de combustíveis, denominada termoeletricidade.

O processo de eletrificação se fundamenta na construção e operação de usinas elétricas, mas significa muito mais que isso, algo mais integrado, historicamente, geograficamente, socialmente. Mesmo quando adotamos estritamente o ponto de vista técnico, o processo de eletrificação compreende várias etapas acopladas à geração de eletricidade, que é feita nas usinas. A começar pelas etapas de construção e montagem das usinas. Exigem grandes encomendas de insumos e de partes, feitas a vários setores da indústria (construção civil, construção pesada, metalurgia do aço e ferro-ligas, cobre, alumínio, caldeiraria, montagem mecânica, eletromecânica e elétrica de grande peso e montagens de grande precisão).

De modo similar, a transmissão de eletricidade em alta voltagem e a longas distâncias exige também investimentos pesados na construção de subestações com transformadores e vários outros implementos, e em “eletrovias”, sistemas de cabos (em geral aéreos e suportados por “torres”, estruturas e pórticos metálicos). E, chegando próximo da extremidade dessa cadeia produtiva, falta a distribuição local de eletricidade pelas ruas, avenidas, estradas, logradouros públicos, a qual também exige investimentos em mais sub estações, e redes de fiação com postes em área urbana e em área rural.

 

Usinas hidrelétricas

As usinas hidrelétricas são instalações que transformam energia hidráulica em energia elétrica e para isso acontecer, é necessário existir um desnível hidráulico natural ou criado por uma barragem, para captação e condução da água à turbina, situada sempre em nível tão baixo quanto possível em relação à captação.

Uma usina hidrelétrica é composta de reservatório, da casa de força e da subestação elevadora. O reservatório é formado pelo represamento das águas do rio, por meio da construção de uma barragem. Na barragem é construído o vertedor da usina, por onde sai o excesso de água do reservatório na época das chuvas. A casa de força é o local onde são instalados os equipamentos que vão produzir a energia. Na subestação elevadora são instalados os transformadores elevadores onde a energia elétrica tem suas características transformadas para melhor transportá-la através das linhas de transmissão.

E como chega eletricidade em nossas casas?

A produção de energia elétrica ocorre em várias etapas. Primeiramente, captasse água em um reservatório. Então, ela é conduzida sob pressão por tubulações forçadas até a casa de máquinas, onde estão instaladas as turbinas e os geradores. A turbina é formada por um rotor ligado a um eixo. A pressão da água sobre as pás do rotor da turbina produz um movimento giratório do eixo da turbina, transformando a energia hidráulica em um trabalho mecânico, que por sua vez aciona o gerador. O gerador é um equipamento composto por um eletroímã e por um fio bobinado. O movimento do eixo da turbina produz um campo eletromagnético dentro do gerador, produzindo, assim, a eletricidade, levada para o consumidor por meio das linhas de transmissão. 

 

Usinas termoelétricas

O funcionamento das centrais termelétricas é semelhante com as da usina hidrelétrica, independentemente do combustível utilizado. O combustível é armazenado depósitos adjacentes, de onde é enviado para a usina, onde será queimado na caldeira. Esta gera vapor a partir da água que circula por uma extensa rede de tubos que revestem suas paredes. A função do vapor é movimentar as pás de uma turbina, cujo rotor gira juntamente com o eixo de um gerador que produz a energia elétrica.

Essa energia é transportada por linhas de alta tensão aos centros de consumo.

O vapor é resfriado em um condensador e convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando início a um novo ciclo.

A água em circulação que esfria o condensador expulsa o calor extraído da atmosfera pelas torres de refrigeração, grandes estruturas que identificam essas centrais. Parte do calor extraído passa para um rio próximo ou para o mar.

Para minimizar os efeitos contaminantes da combustão sobre as redondezas, a central dispõe de uma chaminé de grande altura (algumas chegam a 300 m) e de alguns precipitadores que retêm as cinzas e outros resíduos voláteis da combustão. As cinzas são recuperadas para aproveitamento em processos de metalurgia e no campo da construção, onde são misturadas com o cimento.

A potência mecânica obtida pela passagem do vapor através da turbina – faz com que esta gire - e no gerador - que também gira acoplado mecanicamente à turbina - é que transforma a potência mecânica em potência elétrica.

A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo.

Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequados para utilização pelos consumidores.

 

Na caldeira, a água se vaporiza à pressão constante, aumentando seu volume, numa transformação isobárica – (4 → 1); nesse momento há aumento da energia interna da água.

Na turbina, o vapor se expande realizando trabalho. Como as hélices da turbina e o vapor estão à mesma temperatura, não há trocas de calor, numa expansão adiabática – (1 → 2) .

No condensador, o vapor passa para o estado líquido, trocando calor com o meio e diminuindo o volume à pressão constante – (2 → 3). 

A bomba, ao comprimir a água, aumenta sua pressão até que se iguale à pressão interior da caldeira. Pelo fato de a água ser praticamente incompreensível, podemos considerar este processo isométrico – (3 → 4).

Uma usina do tipo termelétrica usa o calor da queima do carvão (ou outro combustível fóssil) para gerar energia. Este calor liberado aquece água no estado líquido que, por sua vez, transforma-se em vapor que movimenta a turbina. Este tipo de produção consiste na transformação de energia térmica em elétrica.

 As usinas termoelétricas produzem energia elétrica por meio do aquecimento da água e consequente movimentação de pás dos geradores em caldeiras, onde se queimam produtos altamente combustíveis, como carvão mineral, madeira, gás natural, óleo diesel e outros. Existem, no entanto, alguns tipos de usinas termoelétricas que não queimam combustíveis, como o caso das usinas termo solares, que concentram a luz solar em grandes reservatórios de água usando um conjunto de espelhos côncavos.

 Quando a água evapora e continua confinada em um reservatório, sua pressão aumenta grandemente, após a sua liberação, o vapor d'água tem velocidade suficiente para mover as grandes pás de um gerador, produzindo, dessa forma, a energia elétrica.

Quais as vantagens e desvantagens de cada usina ?

Alguns fatores são favoráveis para a utilização de determinado tipo de usina, porém nem tudo e favorável na totalidade, existem vantagens e desvantagens do uso das usinas. A tabela abaixo mostra as vantagens e desvantagens do uso de cada usina ilustrada anteriormente.

  

Energia termoelétrica é toda e qualquer energia produzida por uma central cujo funcionamento ocorre a partir da geração de calor resultante da queima de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos. Os principais combustíveis utilizados nas usinas termoelétricas são o carvão mineral, a nafta, o petróleo, o gás natural e, em alguns casos, a biomassa.

O funcionamento de uma usina termoelétrica – também chamada de usina térmica – ocorre da seguinte forma: a queima do combustível propicia o aquecimento de água armazenada no reservatório, o que forma um vapor, que, por sua vez, é direcionado para as turbinas do gerador responsável pela produção de eletricidade.

Em geral, as fontes de energia utilizadas pelas termoelétricas não são renováveis, sendo a maioria de origem fóssil, o que eleva a preocupação sobre a disponibilidade desses recursos a médio e longo prazo. Além disso, questiona-se também a geração de poluentes para a produção de energia termoelétrica, que emite uma grande quantidade de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera.

Rendimento de uma Usina:

A fórmula do rendimento de uma usina termelétrica (η) é:

O rendimento será sempre inferior a 100%, já que só uma parte da energia térmica disponível é convertida em trabalho.

 

Exemplo: Numa termelétrica onde são gerados 300 J de trabalho a cada 1.000 J de calor consumidos de uma fonte, qual será o rendimento?

1)      Relembre a fórmula do rendimento de uma usina termelétrica:

 

2) Encontre os dados do enunciado:

τ = 300 J

Q = 1.000 J

 

3) Substitua na fórmula e calcule:

η = 300/1000

η = 30%

 

4) O que acontecerá com o restante?

Os 700 J não transformados em trabalho serão rejeitados para um absorvedor de calor (ou fonte fria).

 

Atividades:

 1) A figura a seguir representa o diagrama de uma usina termelétrica no qual foram identificados seus componentes principais. 

Com base nesse diagrama, responda: 

a) Qual é a função da queima da substância que representa a fonte de energia?

            (A) Produzir aumento da energia interna das moléculas da água na caldeira. 

            (B) Realização de trabalho na caldeira.

            (C) Aumentar a pressão na caldeira.

            (D) Manter o volume e a temperatura constantes na caldeira.

b) Qual é a substância de operação nessa usina?

            (A) Água no estado de vapor.

            (B) Mistura água e gasolina.

            (C) Mistura gasolina e etanol.

            (D) Gás comprimido em alta pressão.

c) Que trabalho é realizado pela substância de operação? 

            (A) O vapor de água à alta pressão choca-se com as pás da turbina, produzindo movimento de rotação.  

            (B) A mistura de água e gasolina entram em combustão, expandindo-se pelos dutos condutores até a turbina e produzindo movimento de rotação na mesma.

            (C) A mistura gasolina e etanol entram em explosão na caldeira, gerando um gás em alta pressão movendo as roldanas da turbina.

            (D)  O gás ideal comprimido em alta pressão se expande, provocando movimento em todo sistema.

d) Onde o trabalho ocorre?

            (A) O trabalho é realizado na turbina.

            (B) O trabalho é realizado na caldeira.

            (C) O trabalho é realizado na fonte de calor.

            (D) O trabalho é realizado na bomba de condensação.

e) Onde ocorrem e quais são as mudanças de estado físico da substância de operação? Indique a afirmativa FALSA:

            (A) Na caldeira há mudança do estado da água, de líquido para vapor (vaporização).

            (B) No condensador, o vapor de água é resfriado e retorna ao estado líquido (condensação ou liquefação).

            (C) A água no estado líquido é lançado da bomba condensadora na caldeira. 

            (D) Na turbina a força da água em estado líquido move as pás da turbina.

2) No diagrama abaixo estão sendo analisadas as duas modalidades mais comuns de usinas elétricas, as hidroelétricas e as termoelétricas. 

No Brasil, a construção de usinas hidroelétricas deve ser incentivada porque essas:

        (A) utilizam fontes renováveis, o que não ocorre com as termoelétricas que utilizam fontes que necessitam de bilhões de anos para serem reabastecidas.

        (B) apresentam impacto ambiental nulo, pelo represamento das águas no curso normal dos rios.

        (C) aumentam o índice pluviométrico da região de seca do Nordeste, pelo represamento de águas.

        (D) tem maior número de rentabilidade de geração de energia elétrica no Brasil.

 

3) No processo de obtenção de eletricidade nas usinas termoelétrica, ocorrem várias transformações de energia. Considere três delas:

I. química em térmica;

II. térmica em cinética.

III. cinética em elétrica.

  

Analisando o esquema anterior, é possível identificar onde esses tipos de energia se encontram:

        (A) energia química do combustível → energia térmica da caldeira → energia cinética da turbina → energia elétrica do gerador.

        (B) energia elétrica dos transformadores → energia química da turbina → energia térmica da caldeira → energia cinética do vapor d’água.

        (C) energia interna da turbina → energia térmica da caldeira → energia química do combustível → energia elétrica do gerador.

        (D) energia química do vapor d’água → energia cinética da caldeira → energia térmica da turbina → energia elétrica do transformador.

 

4) Vários processos físicos envolvem transformações entre diferentes formas de energia.

Associe a coluna superior com a coluna inferior:

 Dispositivo mecânico ou gerador:

1) Pilha de rádio

2) Gerador de usina hidrelétrica

3) Chuveiro elétrico

4) Alto-falante

5) Máquina a vapor

 

Transformação de tipo de energia:

a) Elétrica em Sonora

b) Elétrica em Térmica

c) Térmica em Cinética

d) Química em Elétrica

e) Cinética em Elétrica

 

5) Na figura a seguir está esquematizado um tipo de usina utilizada na geração de eletricidade:

Analisando o esquema, é possível identificar que se trata de uma usina:

     (A) hidrelétrica, porque a água corrente baixa a temperatura da turbina.

     (B) hidrelétrica, porque a usina faz uso da energia cinética da água.

     (C) termoelétrica, porque no movimento das turbinas ocorre aquecimento.

     (D) eólica, porque a turbina é movida pelo movimento da água.

     (E) nuclear, porque a energia é obtida do núcleo das moléculas de água.

 

6) Termelétrica que funciona com gás, diesel ou gasolina, instalada em hospitais, shopping centers etc., cuja função é entrar em operação apenas quando há falta de energia elétrica. Trata-se de um:

     (A) acumulador de energia.

     (B) gerador de energia.

     (C) distribuidor de energia.

     (D) fonte natural de energia. 

 

Aprofunde-se:

Diversos tipos de Fontes de Energia:

Renováveis ou não renováveis

Renováveis → Rápida reposição natural.

Exemplos: energia das marés, geotérmica, biomassa, eólica, hidrelétrica e solar.

Não renováveis → Longo período para reposição. Ou seja, no tempo histórico, elas não se renovarão.

Exemplos: Combustíveis fósseis.

 

Outras classificações

Primária → vem de modo direto da matéria-prima.

Secundária → deriva de outra forma diferente da sua origem.

Ex.: a gasolina é um combustível que vem do petróleo.

Energia convencional → matérias como o petróleo e o carvão

Energia alternativa → eólica e solar.

São opções diferentes das que derivam do petróleo.

Energia eólica

Formada a partir da intensidade e frequência dos ventos.

Necessita da construção de aerogeradores em parques eólicos (como na imagem).

Desvantagens: muito barulho, alto custo e podem mudar a rota das aves.

 

Energias hidrelétrica e solar

Energia solar → Pode ser usada tanto em residências como em empresas.

Desvantagem: Ainda custam muito caro.

Energia hidrelétrica → formada pela força da água dos rios.

Precisa da construção de barragens com grandes desníveis.

Essas barragens causam grandes alagamentos e danos ambientais locais.

 

Maremotriz e biomassa

Energia de biomassa → usa a queima de material orgânico.

A palha do milho e o bagaço da cana são os mais usados.

Pode agravar o efeito estufa, caso o uso não seja equilibrado.

Maremotriz → usa a força das marés.

Para isso, são feitos diques, barragens e eclusas.

Um grande exemplo do uso desse tipo de energia vem do Japão.

 

Energias nuclear e fóssil

Combustíveis fósseis → o carvão mineral, o petróleo e o gás natural são os principais.

Boa parte dos conflitos geopolíticos está relacionada ao interesse por recursos.

Energia nuclear → gerada através de usinas nucleares.

Apesar produzirem resíduos tóxicas, são muito eficazes.

Atividades:

1) “No ano passado, 45,8% da energia usada pelos brasileiros veio de fontes renováveis (…). É a matriz mais equilibrada entre as nações mais populosas ou ricas do planeta. A média mundial de uso de energias renováveis é de 12,7%; essa média cai para 6,2% entre os 30 países-membros da Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico (OCDE), que inclui os Estados Unidos e as mais ricas nações do globo”.

MONTÓIA, P. Brasil: Energia múltipla. Planeta Sustentável. Disponível em: http://planetasustentavel.abril.com.br. Acesso em: 05 jun. 2015.

Os recursos naturais renováveis e não renováveis, respectivamente, mais utilizados como fontes de energia no Brasil são:

        (A) gás natural e carvão mineral – petróleo e etanol

        (B) ventos e luz solar – gás natural e hidroeletricidade

        (C) água e biomassa – petróleo e gás natural

        (D) átomo e etanol – carvão vegetal e gás de xisto

        (E) energia atômica e hidrelétrica – petróleo e carvão mineral

 

2) (Enem 2011) “Águas de março definem se falta luz este ano”. Esse foi o título de uma reportagem em jornal de circulação nacional, pouco antes do início do racionamento do consumo de energia elétrica, em 2001. No Brasil, a relação entre a produção de eletricidade e a utilização de recursos hídricos, estabelecida nessa manchete, se justifica porque:

        (A) a geração de eletricidade nas usinas hidrelétricas exige a manutenção de um dado fluxo de água nas barragens.

        (B) o sistema de tratamento da água e sua distribuição consomem grande quantidade de energia elétrica.

     (C) a geração de eletricidade nas usinas termelétricas utiliza grande volume de água para refrigeração.

        (D) o consumo de água e de energia elétrica utilizadas na indústria compete com o da agricultura.

        (E) é grande o uso de chuveiros elétricos, cuja operação implica abundante consumo de água.

  

2) (ENEM- 2010) Deseja-se instalar uma estação de geração de energia elétrica em um município localizado no interior de um pequeno vale cercado de altas montanhas de difícil acesso. A cidade é cruzada por um rio, que é fonte de água para consumo, irrigação das lavouras de subsistência e pesca. Na região, que possui pequena extensão territorial, a incidência solar é alta o ano todo. A estação em questão irá abastecer apenas o município apresentado. Qual forma de obtenção de energia, entre as apresentadas, é a mais indicada para ser implantada nesse município de modo a causar o menor impacto ambiental?

        (A) Termoelétrica, pois é possível utilizar a água do rio no sistema de refrigeração.

        (B) Eólica, pois a geografia do local é própria para a captação desse tipo de energia.

        (C) Nuclear, pois o modo de resfriamento de seus sistemas não afetaria a população.

        (D) Fotovoltaica, pois é possível aproveitar a energia solar que chega à superfície do local.

        (E) Hidrelétrica, pois o rio que corta o município é suficiente para abastecer a usina construída. 

Transformadores e Geradores de Energia

  

O experimento de Oersted mostra que, ao aplicar uma corrente elétrica variável em um fio, é possível gerar um campo magnético a sua volta.

Um transformador elétrico de tensão é um instrumento criado com um núcleo de ferro e composto por duas bobinas com números de espiras diferentes, sendo utilizado para variar a voltagem.

Podemos definir um transformador elétrico de tensão como sendo um instrumento criado para modificar voltagens.

Protege aparelhos que necessitam trabalhar em uma tensão inferior a tensão das tomadas do local.

Potencializa o uso de um aparelho que foi criado para operar em uma tensão superior a tensão local das tomadas.

 

Funcionamento

Enrolamento primário é o nome dado quando uma tensão alternada é aplicada em uma das bobinas.

 

Enrolamento secundário é o nome dado quando uma corrente alternada é produzida como consequência da variação do fluxo do campo que acontece devido uma tensão alternada aplicada no transformador.

Por fim, quando ocorre variação do campo magnético no enrolamento primário pode-se produzir uma tensão (força eletromotriz induzida) e corrente induzidas no enrolamento secundário.

O princípio de funcionamento do transformador baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética. O aparelho é capaz de induzir uma corrente elétrica no circuito secundário quando a corrente for variável no circuito primário ligado à fonte de energia elétrica. Alterando-se o número de voltas de fio do circuito secundário em relação ao número de voltas de fio do circuito primário em torno do núcleo de ferro, obtém-se uma mudança no valor da tensão elétrica induzida no circuito secundário. Em consequência, a corrente elétrica também muda de intensidade em relação a seu valor no circuito primário.  

 

Produção de Energia Elétrica

Agora que sabemos algumas coisas sobre os ímãs e sobre a interação entre correntes elétricas, vamos conhecer duas leis físicas que nos ajudarão a entender como produzimos energia elétrica.

 

Você sabe como se produz energia elétrica? Vamos começar buscando entender um gerador elétrico simples. A figura a seguir mostra que temos um ímã permanente que gera um campo magnético uniforme entre os polos magnéticos. Através da movimentação da espira, localizada entre os polos do ímã, o fluxo do campo magnético que atravessa a espira varia, induzindo uma corrente elétrica alternada pela espira.

 

Veja que no gerador é a energia mecânica que se transforma em energia elétrica.

 

Quanto mais rápido a espira girar, maior será a frequência da corrente elétrica induzida e isso pode fazer até uma lâmpada elétrica se acender!

Hidrelétricas, termelétricas e usinas nucleares são os tipos de usinas elétricas mais comuns no Brasil, são elas que geram a energia necessária para não nos deixar na escuridão completa. Todas as três funcionam de forma similar, precisando de um impulso (que varia entre as três), que gira uma grande turbina, acoplada a um ímã, que, em seguida, gera energia por meio de um gerador, ou bobina.

O que diferencia todas é justamente o tipo de impulso feito à turbina.

Nas grandes usinas geradoras de energia elétrica, a espira é substituída por uma bobina enorme fixada ao redor de um eixo, ambos envolvidos por um gigantesco ímã permanente. Nessas usinas de geração, um campo magnético variável na região onde estão as bobinas do gerador produz uma tensão (força eletromotriz induzida).

 

As bobinas são fixadas ao redor de um eixo e formam um tipo de anel. Ao redor desse anel, sobre o eixo móvel há outro circuito, ligado a uma fonte de energia elétrica. 

Nesse circuito fechado, uma corrente elétrica cria um campo magnético na região onde se encontram as bobinas fixas. 

Quando a parte do gerador fixado ao eixo gira, o campo magnético criado pela corrente elétrica varia na região onde se encontram as bobinas fixas, induzindo nelas uma corrente elétrica, quando o circuito estiver fechado, ou uma força eletromotriz em seus terminais, se o circuito permanecer aberto.

 

Nessas proporções, para fazer o eixo da bobina girar é necessário muita energia! Concorda? Se tratando de uma usina hidrelétrica, na outra extremidade do eixo há uma turbina que é movimentada pela queda de água represada há uma certa altura.

Essa enorme quantidade de água está cheia de energia mecânica que se transformará, ao final do processo, em energia elétrica.

 

A corrente elétrica induzida numa espira ou numa bobina só é possível devido a um fenômeno chamado indução eletromagnética. Esse fenômeno foi descoberto por Michael Faraday (1791–1867), depois de várias tentativas de experimentos.

Faraday observou que a movimentação de um ímã ou de um eletroímã no interior de uma solenoide gerava corrente elétrica alternada. A única condição para criar uma corrente elétrica induzida num circuito seria variar as linhas de campo magnético no interior da solenoide. Portanto, é possível pensar que, também podemos induzir uma corrente elétrica num circuito quando a solenoide se movimenta ao redor do ímã ou eletroímã.

Essas ideias reunidas ficaram conhecidas como a Lei de Faraday.

Em relação ao sentido da corrente elétrica induzida, outra lei complementa o entendimento da indução eletromagnética. Conhecida como Lei de Lenz, ela estabelece que o campo magnético criado pela corrente elétrica opõe-se à variação do campo magnético que a produziu.

 

Quando o ímã entra com polo norte na bobina, o campo magnético criado nela tem polos magnéticos opostos ao do ímã que a originou. Então, o sentido da corrente elétrica induzida é anti-horário, de acordo com a regra da mão direita. 

Quando o ímã se afasta da bobina, o sentido da corrente induzida é horário.

Resumindo esses fatos, a Lei de Lenz pode ser enunciada como:

O sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético que ela produz se opõem à variação do fluxo magnético que a produziu.

Exemplo: O detector de metais utilizado nos aeroportos é uma simples bobina e um medidor de campo magnético. Na bobina circula uma corrente elétrica gerando um campo magnético conhecido e que serve como campo magnético de referência. Ao ser aproximado de um objeto metálico, o campo magnético registrado no medidor fica diferente daquele de referência, disparando o alarme sonoro, pois detectou a presença de algum metal. Como funcionamento do detector de metais pode ser explicado?

A variação do fluxo do campo magnético através do objeto metálico induz nesse objeto correntes elétricas que geram um campo magnético diferente do campo de referência. 

As usinas hidrelétricas funcionam por meio da repressão de um grande volume de água. Geralmente, a profundidade dos rios represados pode chegar à casa das centenas de metros.

Tamanha medida faz com que a água adquira uma grande energia potencial gravitacional. Ao abrirem-se as comportas dessas usinas, a água adquire energia cinética rapidamente, e a sua passagem, através das turbinas geradoras, produz energia elétrica.

1 — Reservatório

2 — Barragem

3 — Turbina

4 — Gerador

5 — Transformador

6 — Distribuição

A corrente elétrica que é produzida pelos geradores das usinas hidrelétricas é chamada de corrente alternada, pois o seu sentido é rapidamente invertido, com frequência de 60 Hz. No momento de sua geração, essa corrente elétrica tem intensidade muito alta, por isso, a fim de evitar-se grandes perdas da energia produzida, ela é direcionada para um conjunto de transformadores que a abaixa para menores intensidades, reduzindo as perdas decorrentes do efeito Joule. Para tanto, essa corrente elétrica tem o seu potencial elétrico elevado para valores de alta tensão.

As usinas hidrelétricas, as mais populares no país, usam a força da água para o movimento da turbina. São construídas barragens em rios geralmente já encachoeirados. A pressão da água faz o movimento, transformando a energia cinética, propiciada pela força das águas, em elétrica.

Por conta da nossa grande e rica hidrografia, o Brasil acaba por utilizar as hidrelétricas como fonte principal de energia. A maior usina deste tipo do mundo é a Itaipu Binacional, pertencente a Brasil e Paraguai.

Atividades 

1) Uma bobina está ligada num amperímetro de zero central. Um ímã permanente é introduzido na bobina e retirado em seguida pelo mesmo lado. 

Nessas condições, observamos o ponteiro do amperímetro:

    (A) estático nos dois casos.

    (B) defletir somente para um dos lados.

    (C) defletir para um lado e depois para outro.

    (D) defletir somente na introdução do ímã.

 

2) Suponhamos uma bobina cujos extremos sejam ligados a um galvanômetro G. Aproximando-se da bobina um ímã, ou introduzindo nela um ímã, ela vai ficar num campo magnético.

a) Deslocando-se o ímã, o fluxo magnético que atravessa as espiras da bobina _____________.

b) A variação do fluxo provoca o aparecimento de uma _____________, que o galvanômetro acusa. 

Selecione a alternativa que supere as omissões nas afirmações que seguem:

      (A) permanece nulo; força eletromotriz induzida.

      (B) permanece nulo; força magnética para esquerda.

      (C) varia; uma força magnética direita.

      (D) varia; uma corrente elétrica induzida.

 

3) A lei de Lenz afirma que a corrente induzida:

    (A) aparece num sentido impossível de ser determinada.

    (B) aparece somente quando alteramos a forma de uma bobina.

    (C) surge num sentido que tende a anular a causa que lhe deu efeito.

    (D) surge num sentido que tende a reforçar a causa que lhe deu origem.

 

4) O polo norte de um ímã aproxima-se de uma espira circular, conforme a ilustração a seguir: 

Considerando apenas as interações de caráter eletromagnético entre o ímã e a espira, é correto afirmar que haverá:

      (A) atração entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido horário para um observador que esteja acima do plano da espira.

      (B) repulsão entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido horário para um observador que esteja acima do plano da espira.

      (C) atração entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido anti-horário para um observador que esteja acima do plano da espira.

      (D) repulsão entre eles e será gerada uma corrente induzida no sentido anti-horário para um observador que esteja acima do plano da espira.

      (E) atração entre eles e não haverá corrente induzida na espira.

 

5) A figura representa uma espira circular de raio r, ligada a um galvanômetro G com "zero" central. O ímã NS pode mover-se nos sentidos C ou D.

Considere as afirmativas e indique a afirmativa FALSA:

        (A) Se o ímã se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A. 

        (B) Se o ímã se afastar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A.

        (C) Se os polos do ímã forem invertidos e o mesmo se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com sentido B.

        (D) Se os polos do ímã forem invertidos e o mesmo se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com sentido A.

  

6) O princípio de funcionamento do gerador de energia em uma usina hidrelétrica é melhor explicado pela:

    (A) Conservação da carga elétrica.

    (B) Indução eletrostática.

    (C) Lei de Coulomb.

    (D) Indução eletromagnética.

 

7) Em suas experimentações, Faraday também observou que existe uma força eletromotriz realizada entre as extremidades de uma espira que fica sujeita a uma mudança do fluxo de campo magnético criado por um imã. A força eletromotriz induzida pode ser obtida pela variação temporal do fluxo magnético e é melhor definida como:

    (A) o campo de indução magnética constante.

    (B) o nome dado ao potencial elétrico (tensão) que é produzido pela indução eletromagnética.

    (C) a variação do fluxo de campo magnético que induz a formação de correntes elétricas.

    (D) a superfície de fluxo magnético que diminui o campo de indução magnética.

 

8) Faz-se o polo norte de um imã aproximar-se da extremidade de um solenoide, em circuito aberto, conforme ilustra a figura abaixo.

Nestas condições, durante a aproximação, aparece:

       (A) uma corrente elétrica que circula pela bobina.

        (B) um campo magnético paralelo ao eixo da bobina e contrário ao campo do ímã.

        (C) uma força eletromotriz entre os terminais da bobina.

        (D) um campo magnético perpendicular ao eixo da bobina.

 

9) Um dos dispositivos utilizados como detector de veículos nas “lombadas eletrônicas” é conhecido como laço indutivo. Quando um veículo em movimento passa por um laço indutivo, a plataforma metálica inferior do veículo (chassis) interage com um campo magnético preexistente no local, induzindo uma corrente elétrica num circuito ligado ao processador de dados. O sistema laço indutivo e a plataforma metálica em movimento geram um sinal eletromagnético obedecendo à lei de Faraday, que pode ser enunciada da seguinte maneira:

     (A) Campo magnético que varia no tempo é fonte de campo elétrico.

     (B) Massa é fonte de campo gravitacional.

     (C) Campo elétrico que varia no tempo é fonte de campo magnético.

     (D) Carga elétrica é fonte de campo elétrico.

     (E) Corrente elétrica é fonte de campo magnético.

 

10) Um transformador tem seu circuito primário ligado a uma fonte de energia elétrica F. Seu circuito secundário está aberto e não há conexão com nenhum aparelho elétrico. O circuito elétrico primário tem o dobro de voltas de fio que o circuito secundário. Nessas condições é correto afirmar que: 

        (A) não haverá tensão no circuito secundário se a fonte for de corrente elétrica alternada.

        (B) não haverá variação do fluxo magnético no circuito secundário se a fonte de energia elétrica for de corrente alternada.

        (C) se for uma pilha, haverá corrente elétrica induzida no circuito secundário.

        (D) se a fonte for um gerador de corrente alternada o transformador é rebaixador de tensão. 

11) (ENEM-1998) Na figura abaixo está esquematizado um tipo de usina utilizada na geração de eletricidade.

 

Analisando o esquema, é possível identificar que se trata de uma usina:

        (A) hidrelétrica, porque a água corrente baixa a temperatura da turbina.

        (B) hidrelétrica, porque a usina faz uso da energia cinética da água.

        (C) termoelétrica, porque no movimento das turbinas ocorre aquecimento.

        (D) eólica, porque a turbina é movida pelo movimento da água.

        (E) nuclear, porque a energia é obtida do núcleo das moléculas de água.

12) Assinale a alternativa que apresenta apenas dispositivos que funcionam por meio do fenômeno da indução eletromagnética:

       (A) Transformadores, fornos de indução, panela elétrica.

      (B) Geradores, ferro de passar, chuveiro elétrico.

      (C) Televisão, rádio, lâmpada incandescente.

       (D) Transformadores, detectores de metal, motores elétricos.

13) (Enem-2011) Segundo dados do Balanço Energético Nacional de 2008, do Ministério das Minas e Energia, a matriz energética brasileira é composta por hidrelétrica (80%), termelétrica (19,9%) e eólica (0,1%). Nas termelétricas, esse percentual é dividido conforme o combustível usado, sendo: gás natural (6,6%), biomassa (5,3%), derivados de petróleo (3,3%), energia nuclear (3,1%) e carvão mineral (1,6%). Com a geração de eletricidade da biomassa, pode-se considerar que ocorre uma compensação do carbono liberado na queima do material vegetal pela absorção desse elemento no crescimento das plantas. Entretanto, estudos indicam que as emissões de metano (CH4) das hidrelétricas podem ser comparáveis às emissões de CO2 das termelétricas.

MORET, A. S.; FERREIRA, I. A. As hidrelétricas do Rio Madeira e os impactos socioambientais da eletrificação no Brasil. Revista Ciência Hoje. V. 45, n.° 265, 2009 (adaptado).

No Brasil, em termos do impacto das fontes de energia no crescimento do efeito estufa, quanto à emissão de gases, as hidrelétricas seriam consideradas como uma fonte:

(A) limpa de energia, contribuindo para minimizar os efeitos desse fenômeno.

(B) eficaz de energia, tomando-se o percentual de oferta e os benefícios verificados.

(C) limpa de energia, não afetando ou alterando os níveis dos gases do efeito estufa.

(D) poluidora, colaborando com níveis altos de gases de efeito estufa em função de seu potencial de oferta.

(E) alternativa, tomando-se por referência a grande emissão de gases de efeito estufa das demais fontes geradoras.

14) “As usinas hidrelétricas suprem apenas 2,5% da energia total e 15% da eletricidade produzida pela humanidade”.

 (VESENTINI, J. W. Geografia: o mundo em transição. São Paulo: Ática, 2012. p.78).

Um dos requisitos necessários para a instalação de hidrelétricas e que impede a utilização desse sistema de produção de energia em todo o mundo é:

(A) a alta demanda por energia.

(B) o emprego de tecnologia avançada em geradores elétricos.

(C) a presença de grandes rios, preferencialmente de planaltos.

(D) a existência de condições climáticas favoráveis.

(E) um elevado índice de pluviosidade.

 

15) Apesar das muitas críticas e oposições, as usinas hidroelétricas são amplamente empregadas em países com elevado potencial hidráulico, tais como o Brasil, Estados Unidos, Rússia e China. Uma das vantagens de sua utilização em comparação com outras fontes de energia é:

(A) a utilização de fonte de energia gratuita e renovável.

(B) o maior grau de conservação dos ecossistemas locais.

(C) a remoção quase nula da vegetação circundante.

(D) a maior geração de empregos em todo o seu processo produtivo.

 Aprofunde-se:

  

Transmissão de Energia

A estrutura de distribuição de energia deve ser projetada para evitar acidentes, inclusive ambientais.

A energia gerada nas usinas possui características (tensão, corrente, frequência, etc) não adequadas à transmissão em longa distância e uso doméstico.

Após ser gerada, a eletricidade é transmitida a uma subestação que aumenta a tensão (reduzindo a corrente), entre 70 e 230 KV, e estabiliza a frequência (60 Hz), tornando-a adequada para transmissão.

Nas cidades, outra subestação reduz a tensão (entre 1.000 e 69.000 V) e segue para a rede de distribuição.

Rede de distribuição

A rede de distribuição pode ser aérea (por postes) ou subterrânea. Em alguns pontos da rede, há transformadores que reduzem a tensão (para 127 ou 220 V).

Do transformador, a energia segue para o local de consumo, onde passa por um medidor chamado de “padrão” ou “relógio de luz”. Depois é distribuída pelo imóvel.

É importante que a rede doméstica seja bem projetada e dimensionada. Uma má instalação elétrica, além de apresentar riscos de acidentes, também pode desperdiçar energia de forma silenciosa.

 

Acidentes

Acidentes podem acontecer quando ligações clandestinas são feitas na rede de distribuição.

O contato acidental com redes aéreas de transmissão de energia pode ocorrer através de linhas de pipas e de objetos manuseados próximos a rede.

Por isso não devemos soltar pipas próximo à rede elétrica e devemos tomar muito cuidado em obras.

Em redes subterrâneas, há risco em casos de perfurações. Por isso, sempre ao perfurar o solo, é preciso verificar se não há uma rede de distribuição no local.

 

Pequena produção

Há formas de produção de energia que podem ser instaladas próximas ao local de consumo.

Grandes concessionárias de energia ocasionalmente produzem energia de origem Solar e Eólica, porém, é possível que o próprio consumidor tenha pequenos geradores para suprir suas necessidades.

No Brasil, o consumidor que gera a própria energia pode “vender” a energia excedente para a concessionária, gerando créditos para utilizar em meses de menor produção e até pagar a conta de energia de outro imóvel.

 

1) Qual a frequência utilizada na transmissão de energia?

      (A) 30 Hz       (B) 120 Hz        (C) 90 Hz         (D) 60 Hz

 

2) Quando aumentamos a tensão elétrica, o que acontece com a corrente elétrica?

      (A) É aumentada.

      (B) É reduzida.

      (C) Permanece igual.

 

3) (ENEM-2014) O funcionamento dos geradores de usinas elétricas baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética, descoberto por Michael Faraday no século XIX. Pode-se observar esse fenômeno ao se movimentar um ímã e uma espira em sentidos opostos com módulo da velocidade igual a v, induzindo uma corrente elétrica de intensidade i, como ilustrado na figura.

A fim de se obter uma corrente com o mesmo sentido da apresentada na figura, utilizando os mesmos materiais, outra possibilidade é mover a espira para a:

       (A) a esquerda e o ímã para a direita com polaridade invertida.
       (B) direita e o ímã para a esquerda com polaridade invertida.
       (C) esquerda e o ímã para a esquerda com mesma polaridade.
       (D) direita e manter o ímã em repouso com polaridade invertida.
       (E) esquerda e manter o ímã em repouso com mesma polaridade.

 

4) (ENEM-2011) O manual de funcionamento de um captador de guitarra elétrica apresenta o seguinte texto:

Esse captador comum consiste de uma bobina, fios condutores enrolados em torno de um ímã permanente. O campo magnético do ímã induz o ordenamento dos polos magnéticos na corda da guitarra, que está próxima a ele. Assim, quando a corda é tocada, as oscilações produzem variações, com o mesmo padrão, no fluxo magnético que atravessa a bobina. Isso induz uma corrente elétrica na bobina, que é transmitida até o amplificador, e daí, para o alto-falante.

Um guitarrista trocou as cordas originais de sua guitarra, que eram feitas de aço, por outras feitas de náilon. Com o uso dessas cordas, o amplificador ligado ao instrumento não emitia mais som, porque a corda de náilon:

      (A) isola a passagem de corrente elétrica da bobina para o alto-falante.

     (B) varia seu comprimento mais intensamente do que ocorre com o aço.

      (C) apresenta uma magnetização desprezível sob a ação do ímã permanente.

      (D) induz correntes elétricas na bobina mais intensas que a capacidade do captador.

      (E) oscila com uma frequência menor do que a que pode ser percebida pelo captador.

Questões de aprofundamento de Geradores e Transformadores

1) Quais são as partes que constituem um gerador de usina?

Os geradores das usinas são constituídos de duas partes: uma móvel (o eixo) e uma fixa. Na móvel, um circuito elétrico é conectado a uma fonte de energia elétrica; na fixa, instalam-se os circuitos na área em que a corrente elétrica ou a tensão serão induzidas quando o eixo for colocado em movimento.

 

2) Como a lei de Faraday explica o surgimento de tensão induzida nos terminais de um espira de um gerador de usina?

A corrente elétrica no circuito preso ao eixo cria um campo magnético na região em que estão os circuitos fixos. Com o giro do eixo, a campo magnético na região em que estão esses circuitos varia, induzindo uma corrente elétrica se o circuito fixo está fechado, isto é, se um aparelho elétrico está conectado a ele. Se o circuito fixo estiver aberto, uma tensão será induzida em seus terminais.

 

3) Por que a corrente elétrica induzida é do tipo alternada num gerador de usina?

Porque o sentido da corrente e sua intensidade variam em virtude das variações de fluxo de campo magnético por unidade de tempo responsável por seu surgimento.

 

4) Do que depende a frequência de alternância da corrente e da força eletromotriz (tensão elétrica) induzida?

Depende da velocidade de giro do eixo e do número de pares de polos do campo magnético criado pela corrente elétrica no circuito fixado ao eixo.

 

5) O que diferencia uma usina hidrelétrica de uma termelétrica?

Na maneira como é obtido o giro do eixo do gerador de eletricidade. Na hidrelétrica é a queda d’água que gira as pás da turbina cujo eixo é acoplado ao do gerador; na termelétrica, é o vapor de água à alta pressão que provoca o giro.

 

6) Qual é a principal diferença entre uma usina termelétrica e uma usina nuclear?

É a forma como se obtém o aquecimento da água até sua vaporização. Na usina termelétrica, a vaporização é obtida com a queima de um combustível (carvão, óleo); na usina nuclear, a anergia para a vaporização provém de uma reação nuclear (das forças do núcleo dos átomos).

 

7) Por que é necessário elevar a tensão elétrica antes de ser iniciada a distribuição da energia elétrica?

Para evitar grande perda de energia elétrica devido ao efeito Joule: quanto maior a corrente elétrica no circuito, maior será a perda de energia (P = R∙i²). Para amenizar essa perda, a tensão elétrica é elevada e, consequentemente, a corrente no circuito é diminuída do mesmo fator (P = U∙i).

 

8) Um transformador recebe uma tensão elétrica de 800V em seu circuito primário. Sabendo que o número de voltas no núcleo de ferro desses circuito é de 1.600, qual deverá ser o número de voltas do circuito secundário desse transformador para que a tensão nos terminais desse circuito seja de 110V?

V₁ = 800V

N₁ = 1.600 voltas

V₂ = 110V

N₂ = ?

 

V₁ / N₁ = V₂ / N₂

800 / 1.600 = 110 / N₂

1 / 2 = 110 / N₂

N₂ = 2 x 110

N₂ = 220

Logo, no circuito secundário deverá ter 220 voltas.

 

9) Num transformador, a razão entre o número de espirais no circuito primário (N₁) e o número de espiras no circuito secundário (N₂) é N₁ / N₂ = 20. Aplicando-se uma diferença de potencial alternada V₁ no circuito primário, a diferença de potencial induzida no circuito secundário é V₂. Supondo tratar-se de um transformador ideal, qual a relação entre V₂ e V₁?

Se V₁ / N₁ = V₂ / N₂ então V₁ / V₂ = N₁ / N₂.

V₁ / V₂ = 20

V₁ = 20 ∙ V₂

O número de voltas do primário é 20 vezes maior que a do secundário. 

 

10) (ENEM-2017) Para demonstrar o processo de transformação de energia mecânica em elétrica, um estudante constrói um pequeno gerador utilizando:

ü  um fio de cobre de diâmetro D enrolado em N espiras circulares de área A;

ü  dois ímãs que criam no espaço entre eles um campo magnético uniforme de intensidade B; e

ü  um sistema de engrenagens que lhe permite girar as espiras em torno de um eixo com uma frequência f.

Ao fazer o gerador funcionar, o estudante obteve uma tensão máxima V e uma corrente de curto-circuito i.

Para dobrar o valor da tensão máxima V do gerador mantendo constante o valor da corrente de curto i, o estudante deve dobrar o(a)

        (A) número de espiras.

        (B) frequência de giro.

        (C) intensidade do campo magnético.

        (D) área das espiras.

        (E) diâmetro do fio.