Caro aluno, estudamos anteriormente a forma de energia existente em máquinas térmicas. Porém não existe somente um tipo de energia, iremos estudar agora outras formas de energia.
Em qualquer atividade que fazemos utilizamos energia. A energia pode ser dividida em três tipos, a energia potencial gravitacional, a energia potencial elástica e a energia cinética. Vamos então estudar cada uma delas.
A energia potencial gravitacional é a energia dependente da ação gravitacional do planeta nos corpos e a altura que o mesmo está de um determinado referencial. Podemos escrever a energia potencial gravitacional (E pg) da seguinte forma:
Onde: m = massa do corpo
g = aceleração da gravidade
h = altura em relação a um referencial
A energia potencial elástica (E pel) depende do armazenamento de energia em corpos elásticos, tais como molas, elásticos e qualquer outro material que tem elasticidade:
A expressão que determina a energia potencial elástica é:
Onde: k = constante elástica do material
x = deformação elástica do corpo
E por fim, a energia cinética (Ec) é aquela que depende da movimentação dos corpos, é a energia que um corpo possui em virtude do movimento. Podemos sintetizar a energia cinética da seguinte expressão:
Onde: m = massa do corpo
v = velocidade do corpo
A unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule, assim como a unidade de trabalho de uma força. Essa unidade foi em homenagem a James Prescott Joule, um físico britânico. Ele estudou a natureza do calor e descobriu as relações com o trabalho mecânico. Outra grandeza que também utiliza a mesma unidade de energia é o trabalho.
O esforço necessário para exercermos qualquer atividade pode ser denominado de trabalho. O trabalho de uma força aplicada em um corpo para movê-lo de um ponto a outro pode ser definido por:
Assim que o menino lança a flecha, há transformação de um tipo de energia em outra. A transformação, nesse caso, é de energia:
a) potencial elástica em energia gravitacional.
b) gravitacional em energia potencial.
c) potencial elástica em energia cinética.
d) cinética em energia potencial elástica.
e) gravitacional em energia cinética.
Comentário: A partir do momento em que o arqueiro utiliza um instrumento elástico e puxa a flecha, o mesmo esta utilizando da energia potencial elástica, e quando a flecha sai do arco ganha velocidade transformando a energia potencial elástica em energia cinética. Resposta: C.
Vamos praticar um pouco?
1) Em um curso de segurança de trânsito, um deseja mostrar a relação entre o aumento de velocidade de um carro e a energia associada ao mesmo. Considere um carro acelerado do repouso até 72 km/h (20 m/s), gastando uma energia E1, cedida pelo motor.
Após, o mesmo carro é acelerado de 72 km/h (20 m/s) até 144 km/h (40 m/s), portanto, com a mesma variação de velocidade, gastando uma energia E2. A alternativa correta que mostra a relação entre as energias E2 e E1 é:
A) E2 = 4E1
B) E2 = 2E1
C) E2 = E1
D) E2 = 3E1
E) E2 = 7 E1
2) Ao lançar uma pedra de 10 kg para o alto, a mesma alcança uma altura de 5 m. Sabendo que a aceleração gravitacional é de g=10m/s2 , determine a energia gasta pela pedra ao alcançar esta altura:
3) Uma mola de um carrinho de brinquedo é deslocada 10cm da sua posição de equilíbrio, sendo a constante elástica desta mola equivalente à 50N/m, determine a energia potencial elástica associada a esta mola em razão desta deformação sofrida em uma trepidação do carrinho:
Alunos, identificamos as formas de energia na aula anterior, agora vamos estudar as energias atuando em conjunto, a denominada energia mecânica de um sistema. Na natureza nada se perde tudo se transforma!
A energia é um exemplo disso. Ao perder energia cinética um objeto estará transformando essa perda em outro tipo de energia. Podemos então definir a energia mecânica como a soma das energias atuantes num sistema, da seguinte forma:
A energia mecânica e um sistema são pontuais, ou seja, em cada ponto analisaremos as energias presentes.
Exemplo 1: Em uma montanha russa um carrinho de massa 500 kg é abandonado do ponto mais alto situado a 10 m de altura.
Determine a energia cinética do carrinho quando o mesmo estiver na metade da altura:
Comentário: Analisaremos a situação acima em dois pontos distintos, o ponto A no local mais alto, e um ponto B na metade da altura. Iremos calcular as energias mecânicas de cada ponto.
Como em A não existe velocidade, pois o carrinho fora abandonado, a energia cinética é nula, e como está a uma altura, a energia potencial é gravitacional. E Em B possuímos as duas energias:
Utilizando o princípio de conservação de energia, igualaremos as energias mecânicas:
Substituindo os valores dados no enunciado da questão, poderemos calcular a energia cinética:
Caro aluno, agora vamos pensar e exercitar sobre o que acabamos de estudar.
1. Um garoto de massa m = 30 kg parte do repouso do ponto A do escorregador perfilado na figura e desce, sem sofrer a ação de atritos ou da resistência do ar, em direção ao ponto C:
Sabendo que H = 20 m e que g = 10 m/s2, calcule:
a) a energia cinética do garoto ao passar pelo ponto B;
b) a intensidade de sua velocidade ao atingir o ponto C
2. Em uma montanha russa um menino de 50 kg esta sentado em um carrinho de 500 kg, é abandonado de um ponto a 20 m de altura em relação ao solo. Sabendo que a aceleração da gravidade é 10 m/s2, determine a energia mecânica quando o carrinho atinge o solo:
3. Em uma olimpíada, um atleta de massa 90 kg com 2,0m de altura, consegue ultrapassar um obstáculo horizontal a 6,0 m do chão com salto de vara, deve –se chegar no ponto de inclinação da vara com uma velocidade de 10 m/s. Sabendo que a aceleração gravitacional é g = 10m/s2. Determine a variação de energia mecânica do atleta, neste salto para ultrapassar o obstáculo:
Aluno, para fazermos qualquer esforço na natureza requer um gasto físico. 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.
A produção de energia elétrica ocorre em várias etapas. Primeiramente, capta-se água em um reservatório. Então, ela é conduzida sobpressão 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.
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.
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.
Comentário: De acordo com a ilustração, a transformação da energia potencial gravitacional da água na superfície da barragem de altura h em energia cinética (do movimento) na turbina, que aciona o gerador. Resposta: B
Exemplo 2:
A energia térmica liberada em processos de fissão nuclear pode ser utilizada na geração de vapor para produzir energia mecânica que, por sua vez, será convertida em energia elétrica. Abaixo está representado um esquema básico de uma usina de energia nuclear:
A partir do esquema são feitas as seguintes afirmações:
I. a energia liberada na reação é usada para ferver a água que, como vapor a alta pressão, aciona a turbina;
II. a turbina, que adquire uma energia cinética de rotação, é acoplada mecanicamente ao gerador para produção de energia elétrica;
III. a água depois de passar pela turbina é pré-aquecida no condensador e bombeada de volta ao reator.
Dentre as afirmações acima, somente está (ão) correta (s):
a) I. b) II. c) III. d) I e II. e) II e III.
Comentário: Analisando item por item, chegamos as seguintes conclusões:
I- correta – a função do vapor é girar a turbina.
II- correta – Transforma a energia potencial gravitacional da água na superfície da barragem de altura h em energia cinética (do movimento) na turbina. A turbina aciona o gerador que, por sua vez, transforma energia cinética em elétrica
III- falsa – o condensador resfria e não aquece. Resposta: D
Agora aluno, vamos praticar e desenvolver seus conhecimentos.
1. No diagrama abaixo estão representadas 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:
I. utilizam fontes renováveis, o que não ocorre com as termoelétricas que utilizam fontes que necessitam de bilhões de anos para serem reabastecidas;
II. apresentam impacto ambiental nulo, pelo represamento das águas no curso normal dos rios;
III. aumentam o índice pluviométrico da região de seca do Nordeste, pelo represamento de águas.
Das três afirmações acima, somente:
a) I está correta
b) II está correta
c) III está correta
d) I e II estão corretas
e) II e III estão corretas
2. No processo de obtenção de eletricidade, ocorrem várias transformações de energia. Considere duas delas:
I. cinética em elétrica;
II. potencial gravitacional em cinética.
Analisando o esquema a seguir, é possível identificar que elas se encontram, respectivamente, entre:
a) I - a água no nível h e a turbina, II - o gerador e a torre de distribuição.
b) I - a água no nível h e a turbina, II - a turbina e o gerador.
c) I - a turbina e o gerador, II - a turbina e o gerador.
d) I - a turbina e o gerador, II - a água no nível h e a turbina.
e) I - o gerador e a torre de distribuição, II - a água no nível h e a turbina.
3. O Brasil utiliza o represamento das águas dos rios para a construção de usinas hidroelétricas na geração de energia elétrica. Porém, isso causa danos ao meio ambiente, como por exemplo:
- imensa quantidade de madeira nobre submersa nas águas;
- alteração do habitat da vida animal;
- assoreamento dos leitos dos rios afluentes.
Numa usina hidroelétrica existe uma transformação sequencial de energia. Esta sequência está indicada na alternativa:
a) cinética - potencial - elétrica;
b) química - cinética - elétrica;
c) cinética - elástica - elétrica;
d) potencial - cinética - elétrica;
e) potencial - química – elétrica
