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).
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:
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:
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
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.
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.
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