Aula02

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Nesse outro exemplo, o trabalho realizado pela pessoa sobre o palito
de fósforo, a partir do repouso, variou sua energia cinética e sua
energia térmica, a ponto de a elevação de temperatura permitir o
início da combustão.
Matematicamente:
Pode-se intuir, a partir dos exemplos apresentados, que uma forma
geral de se expressar matematicamente a relação entre trabalho,
energia mecânica e energia térmica é:
Obviamente, tanto o trabalho realizado/sofrido por um sistema como
as variações das energias envolvidas podem ter sinal positivo ou
negativo.
Vejamos agora o exemplo de um balão de ar quente em ascensão.
O ar frio fora do balão realiza trabalho sobre ele devido à força de
empuxo, aumentando sua energia mecânica.
Já o aumento da energia térmica do ar no interior do balão não tem
relação com o empuxo, mas sim com o calor liberado na combustão
do gás do maçarico.
Assim, para se realizar adequadamente o balanço energético, é
necessária a adição do termo Q na equação anterior, o qual
representa o calor proveniente da combustão:
Essa equação também se aplica a outras formas de energia, como a
química e a elétrica pois, no nível microscópico, elas se resumem a
dois tipos básicos de energia, que são a cinética e a potencial.
Essa equação é uma das mais importantes da Física, a qual veremos
mais adiante nesse curso. Ela é conhecida como a Primeira Lei da
Termodinâmica.
Essa Lei diz, basicamente, que se não houver variação de massa
de um sistema, a única forma de se variar a sua a energia total é
através da realização de trabalho sobre/pelo sistema e/ou através da
adição/retirada de calor ao/do sistema.
Ou, simplesmente:
sendo E a energia total do sistema.
Portanto, de forma geral, pode-se escrevê-la como:
Um caso particular da Primeira Lei da Termodinâmica muito
interessante é aquele em que o sistema não realiza trabalho sobre o
entorno e nem sofre trabalho deste (W = 0) e também não cede nem
recebe calor do entorno (Q = 0). Consideremos, também, que a massa
do sistema não varie.
.
Nesse caso, temos que W + Q = 0 e dizemos que o sistema é isolado
ou fechado. Assim:
Esse último resultado é muito importante e é conhecido, na Física,
como o Princípio de Conservação da Energia. Em última instância,
pode-se concluir que:
“ A quantidade total de energia em um sistema isolado com massa
constante sempre permanecerá constante ou, seja, a energia total é
conservada.”
Vamos olhar novamente a equação anterior:
.
Embora a quantidade total de energia do sistema não varie (E =0),
nesse sistema isolado deverão ocorrer conversões (ou
transformações) da energia de uma forma para outra. Veja o exemplo
a seguir (despreze o atrito):
Definição clássica de potência
Potência representa um fluxo de energia por unidade de tempo ou a
taxa em que se executa trabalho (Goldemberg, 2008).
t = 5 min t = 0,5 min
No exemplo ao lado, o trabalho é o
mesmo para subir de escada ou de
elevador, mas a potência do
elevador é muitas vezes maior que
a potência humana! Por quê?
Unidade básica de Potência
Logo, no SI:
Assim, 1 watt corresponde à realização de um trabalho de 1 J durante 1 
segundo ou ao consumo de 1 J de energia a cada 1 segundo.
Uma outra unidade de potência, muito empregada em países de
língua inglesa, é o horse-power ou HP.
Temos que 1 HP  746 W
(Goldemberg, 2008)
(Goldemberg, 2008)
Cuidado: é comum confundir potência com energia. Para você
não cometer esse erro, lembre-se desse exemplo:
Aparelho 1: Chuveiro elétrico – Potência: 6.000 W ou 6 kW
Tempo diário de uso: 15 min ou 0,25 h
Aparelho 2: Lâmpada incandescente– Potência: 100 W ou 0,1 kW
Tempo diário de uso: 15 h
Qual desses equipamentos utiliza mais energia elétrica diariamente?
Chuveiro: E = P.∆t = 6 kW.0,25 h =1,5 kWh
Lâmpada: E = P. ∆t = 0,1 kW.15h = 1,5 kWh
Ou seja, ambos utilizam a mesma quantidade, porém o chuveiro o faz
em um tempo muito menor!
Outra relação entre energia (ou trabalho) e potência:
Note que a energia utilizada ou o trabalho realizado ao longo do
tempo, quando temos a expressão matemática ou o gráfico da
potência instantânea, pode ser obtido a partir da integral* de P em
relação a t. Isso equivale a encontrar a área sob o gráfico.
OU:
* Esse conceito será visto mais adiante no curso de FUV – Não se preocupe pois, no momento atual, será necessário apenas saber 
calcular áreas de figuras planas.
Objetivo: apresentar as fontes primárias e secundárias de energia mais 
importantes e alguns processos de conversão da energia
Sequência de atividades:
• Definições importantes
• Apresentação de algumas classificações das fontes de energia
• Discussão sobre a origem das principais fontes primárias
• Apresentação de algumas eficiências de conversão
• Apresentação de formulário básico
• Exercícios resolvidos
Conteúdos:
• Fontes de energia, quantificação de algumas formas de energia,
conversão da energia
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
Disciplina de Bases Conceituais da Energia
AULA 02 – De onde vem a Energia?
Energia primária: é aquela disponível na sua forma natural, antes de sofrer
qualquer conversão para uso final.
Energia secundária: é aquela que provém da conversão da energia primária
e que será efetivamente consumida pelo homem, satisfazendo suas
necessidades.
Fonte renovável de energia: trata-se de uma fonte primária de energia cujas
condições naturais permitem sua reposição em um curto horizonte de tempo.
Fonte não renovável de energia: é toda fonte primária que a natureza não
tem condições de repor em um horizonte de tempo compatível com seu
consumo pelos seres humanos.
Algumas definições importantes
Fonte: Goldemberg e Lucon (2008)
Frequentemente você verá o termo “fonte alternativa de energia” sendo
utilizado como sinônimo de fonte renovável de energia. Convém dizer, porém,
que a palavra alternativa faz alusão à substituição de uma fonte por outra.
Geralmente, a substituição de uma fonte convencional mais poluente por uma
mais moderna e menos poluente. Por exemplo, a substituição do carvão
mineral pela energia solar fotovoltaica, como forma de obter energia elétrica.
Porém, essa substituição nem sempre é feita a partir de fontes renováveis.
Por exemplo, para substituir o carvão, poderia ser utilizado gás natural, que é
uma fonte alternativa mas não renovável de energia! A substituição se
justificaria porque o gás natural é menos poluente que o carvão e as usinas
termoelétricas a gás de ciclo combinado apresentam boas eficiências frente
às termelétricas convencionais.
Importante
Fontes Tipo Energia primária Energia secundária
Não 
renováveis
fósseis
carvão mineral, 
petróleo e 
derivados, gás 
natural
termoeletricidade, calor, 
combustível
nuclear materiais físseis termoeletricidade
Renováveis
tradicionais
lenha de 
desmatamento
calor
convencionais
potencial hidráulico 
de médio e grande 
porte
hidreletricidade
modernas
potencial hidráulico 
de pequeno porte, 
lenha de 
reflorestamento, 
culturas energéticas 
(cana, óleos 
vegetais)
hidreletricidade, 
calor,biocombustíveis, 
termoeletricidade
outras
energia solar, 
energia geotérmica, 
energia eólica, 
energia maremotriz 
e das ondas
calor, eletricidade
Fonte: Goldemberg e Lucon (2008)
Classificação tradicional das fontes de energia
Conversão de Para Química Para Elétrica Para Calor Para Luz Para Mecânica
Química
alimentos, 
plantas
bateria, célula 
combustível
fogo, alimentos vela
foguete, 
músculo animal
Elétrica
eletrólise, 
galvanização
transistor, 
transformador
torradeira, 
lâmpada 
incandescente, 
vela de carro
lâmpada 
fluorescente, 
LED
motor elétrico
Calor
gaseificação, 
vaporização
termopar
bomba de calor, 
trocador de 
calor
fogo turbina a vapor
Luz
fotossíntese, 
filme fotográfico
célula 
fotovoltaica
coletor solar 
térmico
laser
Absorção de 
fótons por 
elétrons
Mecânica
célula de calor, 
cristalização
gerador, 
alternador
freio de fricção faísca de pedrapêndulo, roda 
d'água
Exemplos de conversão da energia
Fonte: Adaptado de Hinrichs, Kleinbach e Reis (2014)
Processo Eficiência (%)
Geradores elétricos 70-99
Motor elétrico 50-90
Fornalha a gás 70-95
Turbina eólica 35-50
Usina termoelétrica fóssil 30-40
Usina nuclear 30-35
Motor de automóvel 20-30
Lâmpada fluorescente 20
Lâmpada incandescente 5
Célula fotovoltaica 5 a 28
Aquecedor solar 40-60
Célula a combustível 40-60
Alguns valores de eficiência na conversão de energia
Fonte: Adaptado de Hinrichs, Kleinbach e Reis (2014)
Formulário básico para conversões da energia
Formulário básico para quantificar algumas formas da energia
Formulário básico para quantificar algumas formas da energia
Poder calorífico de alguns combustíveis
Uma residência utiliza lâmpadas incandescentes para iluminação, cuja eficiência
na conversão de energia elétrica em energia luminosa é de 5%. A energia elétrica
que alimenta a residência provém de uma usina termelétrica a gás natural, cuja
eficiência na conversão de calor em energia elétrica é de 36%. Como a usina fica
a 300 km da cidade onde a residência está situada a residência, a energia gerada
é transmitida em alta tensão e consumida em baixa tensão, sendo que as perdas
com transmissão e transformação de tensão são de 15% e 4%, respectivamente.
Sendo assim, para cada kWh liberado pelas lâmpadas, na forma de energia
luminosa, quantos kWh de calor provenientes da queima do gás, na usina
termelétrica, são necessários?
Exemplo 1
Uma máquina de moagem de uma usina de etanol opera 24 h por dia, com potência
elétrica de 150 kW. A energia elétrica que alimenta o equipamento provém da
queima do bagaço da cana-de-açúcar da própria usina, cujo valor energético é de
2.200 kcal/kg. Considerando-se a eficiência global de conversão da energia química
do bagaço em calor e posteriormente em eletricidade de 25%, determine a
quantidade diária de bagaço, em toneladas, consumida para fornecer eletricidade à
máquina de moagem.
Exemplo 2
Uma represa possui 100 milhões de m3 de água armazenada, formando um lago
raso e de grande diâmetro. Da abertura da saída de água até uma turbina
hidráulica, há um desnível de 80 m. A água escoa pela tubulação, no sentido da
turbina, com uma vazão constante de 2,5 m3/s.
a) Determine a máxima potência elétrica instalada, em kW, que essa usina
hidrelétrica poderia ter, sabendo-se que a eficiência de conversão da energia
mecânica em elétrica é de 80%.
b) Determine a velocidade com que cada volume de água chega à turbina
Despreze as perdas por calor durante todo o tempo em que a energia é apenas
mecânica.
Dados: g = 9,8 m/s2; água = 1.000 kg/m3.
Exemplo 3
Um aquecedor elétrico é utilizado para aquecer a água de um reservatório, desde
a temperatura ambiente de 20 ºC até 60º C. A potência elétrica P ao longo do
processo de aquecimento, que durou 10 horas, pode ser vista na figura a seguir.
Considerando-se a eficiência de conversão da energia elétrica do aquecedor em
calor absorvido pela água de 95%, determine:
a) o volume de água aquecido, em litros. Dado: água = 1.000 kg/m3 = 1 kg /L.
b) a temperatura final de equilíbrio térmico, se esse volume de água for
misturado, em um recipiente isolado, a 500 L de água a 5°C.
Exemplo 4
Uma barra de cereais de 30 g contém 138 kcal de valor energético. Considerando
que toda essa energia pudesse ser utilizada para os processos abaixo, determine
o resultado solicitado. Use g = 9,8 m/s2.
a) Qual a massa de gelo a 0°C que poderia ser derretida?
b) Que massa de água a 100 °C poderia ser evaporada?
c) A que altura um carro de 800 kg poderia ser elevado em relação ao solo?
Exemplo 5