Geração de Energia Elétrica

Nesse post você vai aprender um conteúdo que envolve duas matérias dentro da Física: Energia e Eletrodinâmica. A geração de energia elétrica é dos problemas do mundo contemporâneo, pois não existe vida moderna sem energia elétrica. Por outro lado, é necessário elaborar um processo de conversão de outra modalidade de energia em energia elétrica e é neste momento que surgem os problemas de impacto ambiental.
Pré requisitos:Tipos de Energia” e “Geradores e Receptores Elétricos
Dica de vestibular: Em geral, esse assunto é abordado como um conhecimento geral ou então nos enunciados de questões de eletrodinâmica. Assunto bastante recorrente no ENEM.

1. Esquema Geral da Geração de Energia Elétrica:

A maior parte dos modos de geração de energia elétrica segue a seguinte sequência:
I) Há na natureza alguma modalidade de energia de movimento (cinética, térmica ou ondulatória) capaz de fazer girar um rotor.
Observação: Rotor é um nome que designa todos os equipamentos que giram em torno de seu próprio eixo produzindo movimentos de rotação. Exemplos: turbinas, redutores, compressores, etc.
II) O rotor movimentado está envolvido por ímãs que, através da indução eletromagnética, faz energia de movimento ser convertida em energia elétrica.

Esquema geral de produção de energia elétrica
Esquema geral de produção de energia elétrica

2. Usinas que seguem o esquema geral:

a) Usina Hidrelétrica:

Esquema simplificado de uma usina hidrelétrica
Esquema simplificado de uma usina hidrelétrica

A água é represada e a energia potencial gravitacional é convertida em energia cinética para movimentar o rotor.
Impacto ambiental: apesar de ser considerada uma “energia limpa”, essa usina gera um grande impacto ao represar a água para fazer o reservatório, pois dispersa a fauna da região e submerge a flora, que posteriormente vai liberar COe outros gases decorrentes da decomposição dos seres vivos.

b) Usinas movidas à vapor de água:

As usinas apresentadas a seguir seguem o esquema geral, porém em todas elas o objetivo é fazer o aquecimento da água e utilizar o vapor de água para girar o rotor.

b.1) Usina Termelétrica:

Esquema simplificado de uma usina termelétrica
Esquema simplificado de uma usina termelétrica

Utiliza a queima de combustíveis fósseis (em geral carvão) para aquecer a água na caldeira.
Impacto ambiental: libera COe outros gases que intensificam o efeito estufa e poluem o ar.

b.2) Usina Nuclear:

Esquema simplificado de uma usina nuclear
Esquema simplificado de uma usina nuclear

Utiliza as reações nucleares para aquecer a água na caldeira.
Impacto ambiental: libera grande quantidade de calor na água (do rio ou do mar) que irá refrigerar o sistema; se perder o controle das reações nucleares pode ocorrer um acidente nuclear.

b.3) Usina Geotérmica:

Esquema simplificado de uma usina geotérmica
Esquema simplificado de uma usina geotérmica

Utiliza o calor das regiões abaixo da crosta terrestre para aquecer a água na caldeira.

c) Usina Eólica:

Esquema simplificado de uma usina eólica
Esquema simplificado de uma usina eólica

Utiliza o vento para girar o rotor.
Impacto ambiental: Aves podem ser mortas quando atravessam as hélices.

3. Usina Fotovoltaica:

A energia solar funciona de modo diferente das anteriores, pois ela não segue o esquema geral. Seu funcionamento está fundamentado na captação das ondas eletromagnéticas do sol por células fotovoltaicas. Tais células já fazem a conversão da energia solar em energia elétrica.

Esquema simplificado de uma usina solar
Esquema simplificado de uma usina solar

4. Exercício de Aplicação:

(ENEM 2010 – Questão 89 – Caderno 1 Azul) 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) Termelétrica, 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 sufi ciente para abastecer a usina construída.
Para saber a resposta dessa questão, clique em “ENEM 2010 – Questão 89 – Caderno 1 Azul” e acesse o gabarito oficial disponibilizado pela INEP (a resposta está na própria questão).
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Tipos de Energia

Nesse post você verá um panorama sobre os diversos tipos de energia existentes na natureza. Não é comum haver essa divisão nos tradicionais livros didáticos de Física, porém o conhecimento aprofundado do autor sobre o assunto permitiu fazer essa separação de modo coerente.
O principal objetivo é mostrar ao aluno um raciocínio que facilite a resolução das questões interdisciplinares e das questões de Física que misturam assuntos dentro da própria Física.
Dica de vestibular: Já apareceu em vestibular questões que pediam para calcular energia cinética de um elétron, também já houve ocorrência de questões de “Termologia” que utilizavam a energia potencial bioquímica dos alimentos como dado do problema. Diante desses casos, seria possível algum vestibular inventar alguma questão interdisciplinar envolvendo as energias de outras disciplinas com as energias estudadas em Física.
Observação: O presente resumo trata-se de um detalhamento do post publicado sobre “Energia e Trabalho (Visão Geral)”

1. Tipos de Energia: Energias de Movimento

a) Energia Cinética:

Energia de movimento associada à translação dos corpos.

Bicicleta em movimento.
Corpo que possui energia cinética

A Energia Cinética é estudada na Física como parte integrante do assunto de “Energia, trabalho e potência” e ela é determinada pela seguinte expressão:
E_c=\frac{m\cdot v^2}{2}
Em que:
m = massa do corpo em kg
v = velocidade do corpo em m/s

Casos Particulares:

Existem algumas energias cinéticas que recebem o nome do corpo que está em movimento, a seguir apresentamos alguns exemplos:
Energia Elétrica: movimento de elétrons. Assunto visto na matéria de “Eletrodinâmica“.
Energia Eólica: movimento de massas de ar (vento).

b) Energia Térmica:

Energia de movimento associada à vibração dos átomos e moléculas.
A Energia Térmica é tão vasta que ela é estudada em uma parte da Física chamada de “Termologia“.

c) Energia Ondulatória:

Energia de movimento contida na propagação das ondas.
A Energia Ondulatória é tão vasta que ela é estudada em uma parte da Física chamada de”Ondulatória“.

2. Energias Potenciais:

A palavra “potencial” é muito utilizada no nosso cotidiano para expressar situações que podem ocorrer, porém ainda não ocorreram.
Exemplo: Hoje você tem potencial para passar no vestibular, porém quando você ver o seu nome na lista de aprovados, o seu potencial de passar no vestibular deixará de existir, pois você já vai ter passado.
Deste modo, podemos dizer que as energias potenciais são aquelas que podem gerar algum tipo de movimento, porém ainda não geraram. Na Física, utilizamos apenas o termo “Energia Potencial”, porém, semanticamente, o modo mais correto seria dizer “Energia que tem potencial para gerar movimento”.

a) Energia Potencial Gravitacional:

Energia que tem potencial de gerar movimento de um corpo devido à ação de um campo gravitacional de um planeta ou algum outro astro ao qual ele está submetido.

Objeto sendo jogado do alto de um prédio.
Corpo que possui Energia Potencial Gravitacional

A Energia Potencial Gravitacional é determinada pela seguinte expressão:
E_{p,g}=m \cdot g \cdot h
Em que:
m = massa do corpo em kg
g = aceleração da gravidade em m/s2
h = altura do corpo em m

b) Energia Potencial Elástica:

Energia que tem potencial de gerar movimento de um corpo devido à deformação de uma mola ou de um elástico ao qual ele está submetido.

Uma mola sendo comprimida e outra sendo esticada.
Energia Potencial Elástica

A Energia Potencial Elástica é determinada pela seguinte expressão:
E_{p,el}=\frac{k\cdot x^2}{2}
Em que:
k = constante elástica da mola em N/m
x = deformação da mola em m

c) Energia Potencial Elétrica:

Energia que tem potencial de gerar movimento de um elétron quando esse está submetido a uma diferença de potencial elétrica (ddp). Esse tipo de energia é visto na disciplina de Física na matéria de “Eletrostática“.

d) Energia Potencial Química:

Energia potencial capaz de movimentar um corpo através das reações químicas. Esse tipo de energia é visto na disciplina de “Química“.

Exemplos de Energia Potencial Química

e) Energia Potencial Bioquímica:

É a energia potencial química quando utilizada pelos seres vivos para se movimentarem ou para o funcionamento do próprio corpo. Esse tipo de energia é visto na disciplina de “Biologia“.

Grupos de alimentos.
Exemplos de Energia Potencial Bioquímica

Observação:

Foram relacionadas aqui apenas alguns exemplos de energia potencial, sendo possível adicionar outras energias nesse grupo.
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Energia e Trabalho (Visão Geral)

Nesse post veremos a parte da física que estuda energia e trabalho. Iremos apresentar uma abordagem diferente do que se costuma ensinar nos livros, mostrando ao estudante uma didática mais simples e visando facilitar a resolução de exercícios. Vale lembrar que esse resumo tem o objetivo de apresentar uma visão geral sobre “Energia e Trabalho” e, caso necessite, o estudante poderá acessar os resumos de detalhamento que é apresentado nos tópicos pertinentes.
Dica de vestibular: Energia e trabalho é um assunto extremamente incidente nos principais vestibulares do país, sendo praticamente certa a ocorrência desse assunto no ENEM.

1. Introdução:

De forma simples, podemos dizer que energia é uma grandeza física escalar que mede a capacidade de algo ou alguém realizar uma ação de movimento.
Sabemos que as palavras “energia” e “trabalho” possuem o mesmo significado, a diferença entre elas ocorre porque energia foi uma adaptação linguística de grafia e trabalho é uma tradução da palavra para a língua portuguesa.
Em Física a diferença entre elas é sutil, a ponto de alguns autores preferirem explicar primeiro o conceito de trabalho para depois explicar o conceito de energia. Porém aqui vamos explicar “Energia” primeiro e posteriormente explicar “Trabalho”, pois desse modo você verá o aprendizado da matéria de modo mais natural.
A unidade de medida de energia e trabalho no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o J (joule).

2. Tipos de Energia:

Apesar do ensino tradicional de física não fazer a divisão apresentada a seguir, percebe-se que tal divisão pode facilitar bastante o aprendizado do aluno.

a) Energias de Movimento:

São as energias associadas ao movimento dos corpos.

b) Energias de Potencial:

São energias que podem fazer um corpo entrar em movimento, porém o corpo ainda não realizou essa ação. Por isso, tem o potencial de gerar movimento.
Observação: Para mais detalhes sobre esse tópico clique aqui e acesse o nosso resumo sobre “Tipos de Energia”

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3. Conservação da Energia Mecânica:

Normalmente, os exercícios de vestibulares abordam o assunto em questão restringindo o conteúdo às energias mecânicas, que são elas:

  • Energia Cinética (corpo possui velocidade):

E_c=\frac{m\cdot v^2}{2}

Bicicleta em movimento
Corpo que possui Energia Cinética
  • Energia Potencial Gravitacional (corpo está a uma altura):

E_{p,g}=m\cdot g\cdot h

Objeto sendo jogado do alto de um prédio
Corpo que possui Energia Potencial Gravitacional
  • Energia Potencial Elástica (mola deformada):

E_{p,el}=\frac{k\cdot x^2}{2}

Uma mola sendo comprimida e outra sendo esticada.
Energia Potencial Elástica

Quando se analisa um sistema conservativo, no qual as energias potenciais se convertem integralmente em energia cinética e vice versa, tem-se que a soma das energias no início do movimento é igual a soma das energias no final do movimento.
Isso pode ser equacionado pela seguinte expressão:

\sum E_{Mecanica,Inicial}+\sum E_{Mecanica,Final}=04. Trabalho de uma força:

Quando estudamos conservação da Energia Mecânica, basicamente estamos falando de um corpo que possui energia potencial e transforma em energia de movimento do próprio corpo. Mas como fazer se esse corpo deseja utilizar a sua energia potencial para movimentar outro corpo?
A resposta desse questionamento pode ser obtida quando olhamos para o mundo real e vemos que é impossível transferir a energia de um corpo para outro sem que haja uma força atuando por uma determinada distância.
Raciocinando deste modo, pode-se inferir que o trabalho é o modo de transferir energia potencial convertida em energia cinética em outro corpo, sendo expresso pela seguinte equação:
\tau =F\cdot d\cdot \cos \theta
Onde:
θ é o ângulo formado entre os vetores F (força aplicada) e d (deslocamento do corpo)

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