Capítulo 15 – Máquinas Elétricas

Potência e Rendimento energético

Máquina: qualquer engenho destinado a transformar uma forma de energia em outra.

Ex.:

pilha: ε química → ε elétrica

Usina hidrelétrica: ε mecânica → ε elétrica

Lâmpada: ε elétrica → ε luminosa + ε térmica

Motores: ε elétrica → ε mecânica

Características objetivas das máquinas

Potência: rapidez da máquina para realizar a tarefa para a qual foi criada.

Rendimento: quantidade de energia envolvida no processo.

Potência e Rendimento

Potência de uma máquina é o quociente da energia que ela transforma no seu processo de

funcionamento e o intervalo de tempo em que isso ocorre (Δt)

P = 𝜀

𝛥𝑡 =

𝐽

𝑠 = W no SI

Rendimento

Energia Total → Máquina {𝜀 ú𝑡𝑖𝑙: 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑙𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑒𝑓𝑎

𝜀 𝑑𝑖𝑠𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎: 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑛ã𝑜 é 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎 𝑡𝑎𝑟𝑒𝑓𝑎

Princípio da Conservação da Energia

εTotal = εútil + εdissipada

Logo num mesmo intervalo de tempo temos:

𝜀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝛥𝑡=

𝜀ú𝑡𝑖𝑙

𝛥𝑡+

𝜀𝑑𝑖𝑠𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑎

𝛥𝑡

Ou seja

Ptotal = P útil + Pdissipada

Rendimento = eficiência (ή)

ή = 𝑃ú𝑡𝑖𝑙

𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (Sem unidade de medida e 0 ≤ ή ≤ 100%)

Energia elétrica e Potência Elétrica (KWh)

1W = 1 𝐽

1 𝑠

1 KW = 1000 W = 1000 J/ s

1 h = 3600 s

P = 𝜀

𝛥𝑡 logo ε = P . Δt

1 KWh = 1000 W . 3600 s = 1000 J/s . 3600 s

1 KWh = 3.600.000 J = 3,6 . 106𝐽 = 3,6 𝑀𝐽

Exemplo de cálculo

Equipamento: {𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = 4,5 𝐾𝑊

𝛥𝑡 𝑢𝑠𝑜 = 10,5ℎ

Calcule

1. Consumo de energia em J?

2. Consumo de energia em KWh?

Δt = 10,5 h = 10,5 (3600) = 37.800 s

4,5 KW = 4500 W

ε = P . Δt = 4500 J/ s . 37800 s

1. ε = 170.100.000 J = 1,701 . 107J

2. ε = P . Δt = 4,5 KW . 10,5h = 47,25 KWh

Custo em reais com o consumo de energia

chuveiro de 3,5 KW

família de 5 pessoas

2 banhos diários de 6 minutos cada

6 min . 2 banhos . 5 pessoas = 60 min/ dia = 1 h/ dia

Uso Mensal do chuveiro = 30 horas

ε = P . Δt = 3,5 KW. 30 h = 105 KWh

Se 1 KWh = R$ 0,50

Custo = 105 KWh . 0,50 = 52,50

Medidas de Economia de Energia

Usar aparelhos mais eficientes

Lâmpadas fluorescentes (ligar apenas à noite)

Paredes claras

Apagar as luzes quando sair dos ambientes

Ligar ar condicionado com portas e janelas fechadas

Chuveiros regulados e banhos curtos

Borracha íntegra da porta da geladeira

Máquinas de lavar e de secar usadas somente quando estiverem cheias de roupas

Acumular roupas para passar de uma só vez

Não dormir com a TV ligada

Usar descanso de tela. Manter periféricos desligados

Segurança na rede elétrica

Evitar uso de benjamins

Sanar problema antes de substituir o fusível

Disjuntor desligado durante os reparos

Não tocar o interior da TV nem partes metálicas do soquete

Fios adequados isolados, em emendas improvisadas

Capítulo 16 – Magnetismo

É mágica para Einstein

“o importante é nunca parar de questionar”

Onde há ímãs: bússola, HD, alto-falantes, motores elétricos, ressonância magnética, usinas

hidrelétricas.

O ímã atrai objetos ferrosos, níquel, cobalto ou ligas destes metais.

Inseparabilidade dos Polos de um Ímã

Linhas de indução de um Campo Magnético

Na proximidade dos polos a intensidade do campo magnético é maior pois as linhas de campo

estão bem mais próximas.

Capítulo 17 – Eletromagnetismo

Corrente Elétrica cria Campo Magnético?

Experimento de Oersted

Chave aberta: a bússola indica o norte geográfico (=sul magnético) da Terra

Chave fechada: bússola indica uma direção diferente

Conclusão: a corrente elétrica que passa pelo fio condutor cria um campo magnético que

interfere no alinhamento da bússola.

Campos magnéticos podem criar corrente elétrica?

Experimento de Faraday

As alterações da indicação da bússola numa bobina dependem da distância do Ímã em relação a

outra bobina. Quanto mais próximo mais intenso o campo magnético e maior a movimentação na

agulha da bússola.

Conclusão: o campo magnético do ímã que passa pela bobina gera corrente elétrica no fio que

por sua vez gera um outro campo magnético na outra bobina onde está a bússola (ver esquema

na apostila nas páginas 302 e 303). Logo a leitura sofre interferência deste campo magnético

criado pela corrente elétrica.

Material magnetizável: ferro, aço, etc.

Ferro: afastando o ímã os átomos tendem à posição inicial desfazendo os polos criados.

Aço: afastando-se o imã o material permanece com a orientação produzida (ímã permanente).

Novo Ímã criado (ex.: agulhas, chave de fendas, etc)

Capítulo 18 – Ondas Eletromagnéticas

Ninguém pode vê-las. Grandes físicos (Newton e Huygens) já divergiram sobre sua natureza em

seus modelos explicativos. Até hoje a ciência não tem uma noção muito precisa do que sejam as

ondas eletromagnéticas.

Newton estudou a reflexão da luz e outros fenômenos ópticos com o da decomposição da luz

branca (prismas) e o da refração (passagem da luz de um meio para outro com desvio de

direção)

Huygens alavancou a óptica melhorando os telescópios. Foi o primeiro a reconhecer os anéis de

Saturno e o descobridor de Titã, o satélite deste planeta.

Quando ondas do mar (por exemplo) encontram um obstáculo elas passam a contornar a sua

borda. É um comportamento típico de onda chamado difração. A luz é uma onda

eletromagnética.

Experimento de Hertz

Comprova a ideia de Maxuell

Ondas eletromagnéticas são geradas pela oscilação de elétrons livres que neste processo

perdem energia para a onda.

Quando as ondas eletromagnéticas atingem elétrons livres eles tendem a oscilar e neste

processo absorvem energia da onda.

Toda onda eletromagnética é composta de duas ondas que oscilam juntas sendo uma elétrica e

outra magnética. E uma não existe sem a outra.

Espectro Eletromagnético

A velocidade de propagação de uma onda depende do meio em que ela se propaga e de sua

natureza (v = λ . f).

λ = comprimento da onda

f = frequência da onda

Tudo isso vale para as ondas eletromagnéticas. Ondas diferentes possuem frequências

diferentes (rádio, raio X, micro-ondas)

Quanto maior a amplitude da onda maior a quantidade de energia transportada por ela e

portanto maior será sua intensidade.

No vácuo todas as ondas eletromagnéticas tem a mesma velocidade (3.108𝑚/𝑠) que é

a maior encontrada na natureza.

Não estão associadas à perturbação de um meio pois se propagam também na

ausência dele.

Para cada frequência diferente a diminuição da velocidade em um meio também é

diferente.

Quanto maior a frequência menor o comprimento de onda e vice-versa.

Fontes eletromagnéticas diferentes emitem ondas eletromagnéticas diferentes. As vezes

mais de um tipo deles (Sol emite todas).

Corpos mais quentes emitem ondas com frequência maior. Corpos mais frios, frequência

menor.

Prótons, íons e núcleos atômicos também conseguem emitir ondas eletromagnéticas.

Radiação Infravermelha (IV)

Sua faixa é mais larga que o espectro visível. Logo há mais “cores” de IV do que cores no arco-

íris.

Bandas IV λ (vácuo) Ocorrência

Próximo De 0,7μm a 5,0 μm Controle remoto da TV Portas automáticas

Intermediário De 5,0μm a 40 μm Câmera fotográfica

Longínquo De 40μm a 1000 μm Corpos com temperatura entre – 180ºC e 250ºC (radiação térmica)

Todo corpo com temperatura superior a - 273ºC (Zero Absoluto) emite radiação IV. Cerca de

50% da energia emitida pelo Sol é de natureza IV mas grande parte é absorvida pela atmosfera.

Radiação Ultravioleta (UV)

Bandas IV λ (vácuo) Ocorrência

UV-A De 400 nm a 315 nm 95% da UV que atinge a Terra (pode ser cancerígeno) Lâmpada de luz negra

UV-B De 315 nm a 280 nm Responsável pelo vermelhão ardido da praia

UV-C De 280 nm a 100 nm Quase não atinge a Terra. Esterilização de instrumentos médicos, dentários, ar e água.

A UV associa-se à fotossíntese e à fabricação de polímeros (resinas, plásticos e borrachas) da

indústria química.

Capítulo 19 – A Energia Elétrica de cada dia

O ser humano desenvolveu processos para acumular e usar maiores quantidades de energia

aumentando nossa capacidade de produção e locomoção.

IDH e Consumo de Energia

IDH: indicador social que considera a longevidade da população (expectativa de vida), a

escolaridade, o PIB per capita e o poder de compra. Varia entre zero e um.

IDH Faixa

Baixo 0,0 – 0,5

Médio 0,5 – 0,79

Alto 0,79 – 1,0

Quanto maior o IDH maior o consumo de energia. A maior concentração de países está na faixa

entre 0 e 2 TEP/ capita.

TEP = Tonelada equivalente de petróleo)

1 TEP = 10.000 Mcal = 10.000.000 Kcal

O IDH de determinada região está relacionado, em parte, às suas condições geográficas (relevo,

clima, hidrografia). Por outro lado é função da capacidade científico-tecnológica e da vontade

política dos gestores.

Matrizes energéticas

Fontes renováveis: dependem de características geográficas e se explorados em grande escala

proporcionam impactos ambientais maiores. A produção/ emissão de gases de efeito estufa é

menor. Usados para gerar energia elétrica. Os biocombustíveis são usados no transporte.

Fontes não-renováveis: são finitas. Sua queima libera gases de efeito estufa e material

particulado. Interfere no clima e polui o ar. O vazamento de material radioativo pode causar

danos ambientais irreparáveis. Sua queima libera grande quantidade de energia. Seus derivados

são variados e flexíveis.

Fonte Uso

Carvão natural Siderúrgicas e termoelétricas

Urânio Usinas nucleares

Derivados de petróleo Pequenas termoelétricas, agroindústria e agricultura, transporte

Matriz Elétrica

Diferentes fontes usadas na oferta de energia elétrica de um país.

Hidroelétricas: aproveitam potencial hidráulico de um rio para gerar energia elétrica. Depende da

vazão do rio (largura, inclinação, obstáculos e quedas, regime de chuvas local)

No Brasil usam-se barragens que determinam lagos artificiais (represa). Por tubos a água chega

à casa de força onde estão as turbinas que acionam os geradores que produzem energia

elétrica.

Vantagens Diminuem o impacto ambiental (se planejado corretamente) Diminuem o custo.

Desvantagens Invadem áreas extensas Alteram o microclima local e a dinâmica da população que vive na região

Termelétricas: uso da energia térmica proveniente da combustão de fontes não-renováveis

(combustíveis fósseis) ou renováveis (biomassa = bagaço da cana/ biocombustíveis) para

produzir a energia elétrica. Caldeiras a vapor e turbinas convertem parte da energia térmica em

energia elétrica.

Vantagens Menor custo do que as hidrelétricas e nucleares Independência das condições atmosféricas do local Podem ser construídas próximo dos grandes centros de consumo (o que diminui os custos de transmissão e de distribuição)

Desvantagens Liberação de CO2 e de óxidos de enxofre além de material particulado (fuligem)

Nucleares: também usam água para produzir vapor mas o calor para tanto provém da liberação

de energia durante a fissão do núcleo do urânio.

Vantagens Facilidade de instalação Menores custos de produção da energia elétrica

Desvantagens Maiores custos de instalação e de manutenção Necessária alta segurança dos processos e do armazenamento dos resíduos (lixo atômico) Elevado risco de acidentes

Energia eólica: energia elétrica a partir da força dos ventos. A energia cinética é captada por

hélices ligadas às turbinas e aos geradores.

Vantagens Não emitem gases poluentes Sem inundações de terras produtivas Pode ser instaladas próximas dos grandes centro de consumo

Desvantagens Poluição sonora e visual Alteração da rota das aves migratórias Interferência eletromagnética nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (radio/ televisão) em suas proximidades

Energia solar: a energia que a Terra recebe do Sol anualmente é mais de 15 mil vezes maior do

que o consumo mundial de energia elétrica. Logo trata-se de uma fonte inesgotável.

Podemos aproveitar de duas formas: aquecendo um fluido especial que percorre tubulações de

um circuito exposto ao Sol. Os espelhos convergem a luz solar em regiões focais onde estão as

turbinas. O fluido (a mais ou menos 500ºC) troca calor com a água vaporizando-a. o vapor sob

pressão move as turbinas que são ligadas aos geradores. A quantidade de fluido excede á

demanda diurna de energia elétrica. Por isso parte dele é bombeada para um reservatório

termicamente isolado para vir a atender ao pico da demanda por energia elétrica que ocorre à

noite.

Outra forma de uso da energia solar: se dá pelo uso de painéis fotovoltaicos que convertem

diretamente a energia solar em energia elétrica. São pequenas placas compostas por

dispositivos construídas com materiais semicondutores. É um sistema caro de baixa eficiência

(25%).

Vantagens Não emitem gases poluentes Sem inundações de terras produtivas Pode ser instaladas próximas dos grandes centro de consumo Chegam em locais de difícil acesso

Desvantagens Tecnologia e implementos mais caros Produção interrompida à noite e prejudicada nas épocas de chuva. Capacidade limitada pelas horas de sol Ocupação de vasta região para a instalação das placas

Geração, Transmissão e Distribuição da Energia elétrica

Energia e Meio Ambiente

Considerando os aspectos positivos e negativos de todas as fontes de energia sempre haverá

um custo econômico, social e ambiental relacionado á exploração e utilização de energia.

Boa parte da produção mundial está baseada nos combustíveis fósseis. Reservas finitas que

vem diminuindo a cada ano. O mundo procura por fontes mais limpas em defesa da vida do

planeta.

Sustentabilidade implica equilíbrio do ser humano consigo mesmo e com o planeta e o universo.

A maior consciência ecológica ainda não determinou mudanças significativas no modelo

Gerador Subestação

Elevador

Vantagens Não emitem gases poluentes Sem inundações de terras produtivas Pode ser instaladas próximas dos grandes centro de consumo

Desvantagens Poluição sonora e visual Alteração da rota das aves migratórias Interferência eletromagnética nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (radio/ televisão) em suas proximidades

a

Cabos

Subestação

Elevador

Vantagens Não emitem gases poluentes Sem inundações de terras produtivas Pode ser instaladas próximas dos grandes centro de consumo

Desvantagens Poluição sonora e visual Alteração da rota das aves migratórias Interferência eletromagnética nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (radio/ televisão) em suas proximidades

a

Linhas

de

trans

missã

o

Elevação da ddp

(minimiza as perdas na

transmissão às longas

distâncias)

Diminuição da ddp

(adequação para as

diferentes demandas

dos clientes)

Indústrias

Comércio

Residências Transformadores

Energia

Primária

Energia Elétrica

econômico nem nas políticas governamentais. O sentido de nossa vida não separa-se do sentido

do próprio planeta. Devemos crer que a tecnologia pode nos tirar da crise sem que precisemos

mudar nosso estilo de vida poluidor e consumista ou devemos estabelecer uma nova relação

mais saudável com o planeta reconhecendo-nos como parte do mundo natural e buscando viver

em harmonia com o universo?

Precisamos fazer escolhas que definirão o futuro que teremos. Tecnologia e humanismo não são

caminhos opostos. Houve excessos no nosso estilo de vida que não são fruto da técnica mas do

modelo econômico. Este é que tem que ser posto em discussão.