ATIVIDADE

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1) PROBLEMATIZAÇÃO (2)

Petrobrás inaugura no Rio a maior termelétrica a gás do país A Petrobras inaugurou, em 31 de maio, a Usina

Termelétrica (UTE) Governador Leonel Brizola, a antiga TermoRio, em Duque de Caxias (RJ), a maior termelétrica do Brasil a gás natural com co-geração e em ciclo combinado. Tem capacidade para produzir até 400 toneladas/hora de vapor e potência instalada de 1.036 MW (22% da energia consumida no estado do Rio de Janeiro), energia suficiente para abastecer uma cidade com 4,5 milhões de pessoas.

O investimento total na construção foi de US$ 715 milhões. A usina tem seis turbinas a gás e três a vapor. Sua operação é através de ciclo combinado, sistema com maior eficiência energética. Através de uma linha de transmissão com 13,7 km, a energia elétrica produzida pela termelétrica será transportada à subestação de São José, de Furnas, em Belford Roxo (RJ), passando a integrar o Sistema Interligado Nacional (SIN). O vapor produzido abastece, por meio de dutos, a Refinaria Duque de Caxias, também da Petrobras. A produção de vapor a partir do gás natural vai emitir menos gases poluentes e particulados que processos realizados com outros combustíveis, melhorando a qualidade do ar. Responsabilidade ambiental

A usina construiu uma Estação de Monitoramento da Qualidade do Ar e Meteorológica com o objetivo de medir as condições ambientais da bacia aérea de Campos Elíseos. Além disso, firmou convênio com o governo estadual para a ampliação das calhas dos rios em quatro regiões da Baixada Fluminense, com contenção de encostas, troca de travessias e ações de educação ambiental, visando à prevenção de enchentes. Em outro convênio com o governo estadual, a termelétrica se comprometeu a implantar e gerir os parques de Três Picos (o maior do Estado), de Ilha Grande e de Guaxindiba. Também atuou na mobilização e conscientização da sociedade para a conservação e compensação pelo uso das águas da Bacia do Rio Paraíba do Sul.

Além da área ambiental, a UTE Governador Leonel Brizola está investindo em projetos de infra-estrutura urbana, de conservação de energia e em projetos de geração de energia elétrica através de fontes alternativas (eólica, solar, produção do chamado "carvão verde"), como forma de compensação tributária.

2) PERGUNTAS-CHAVE

• O que é e como funciona uma usina termelétrica? • Por que é usada a designação “termelétrica”? • Qual a importância do calor neste tipo de usina? • Você acha correto afirmar: uma usina termelétrica “gera” energia?

3) CONCEITOS-CHAVE

A problematização inicial, a respeito da termelétrica e da “geração” de energia, permite uma contextualização bastante ampla por vários conceitos da Termodinâmica e da conservação de energia. Em relação ao estudo da Termodinâmica devem ser enfatizados os conceitos de calor e as Leis da Termodinâmica. 3.1) Calor (Q) Forma de energia em trânsito, determinada pela diferença de temperatura entre dois sistemas. 3.2) Energia Interna (∆U)

Todos os corpos são constituídos por partículas (moléculas) que estão sempre em movimento e em interação entre si. A soma das energias cinética e potencial de todas as partículas do corpo é a energia interna do corpo. No caso mais simples de energia interna, considera-se uma massa de um gás monoatômico: só haverá energia cinética de translação das moléculas que a compõem; assim, a energia interna será a soma das energias cinéticas de translação de todas as moléculas dessa massa gasosa. 3.3) Trabalho (W) No estudo da Termodinâmica, trata-se de uma forma de energia em trânsito, determinada pela ação de uma força em movimento. 3.4) Leis da Termodinâmica 3.4.1) 1ª Lei da Termodinâmica Um sistema (durante certa transformação) pode trocar energia com o meio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado dessas trocas energéticas, a energia interna do sistema pode ou não sofrer alterações.

A 1ª Lei da Termodinâmica, expressa na Equação 1, é uma Lei de Conservação da Energia, podendo ser enunciada da seguinte forma: A variação da Energia Interna de um sistema é expressa por meio da diferença entre a quantidade de calor trocada com o meio externo e o

trabalho realizado durante certa transformação.

Equação 1 Para aplicar esta Lei, que envolve as grandezas calor, trabalho e

energia interna, é preciso fazer um balanço energético, isto é, saber quando essas grandezas assumem valores positivos, negativos ou nulos. Observe abaixo: i) Calor (Q):

• Recebido: Q>0; • Cedido: Q<0; • Não trocado: Q=0 (transformação adiabática, ∆U=-W).

ii) Trabalho (W):

• Realizado: W>0 (volume aumenta); • Recebido: W<0 (volume diminui); • Não realizado nem recebido: W=0 (volume constante, transformação

isocórica, ∆U=Q). iii) Energia Interna (∆U)

• Aumentada: ∆U>0 (temperatura aumenta); • Diminuída: ∆U<0 (temperatura diminui); • Constante: ∆U=0 (temperatura constante, transformação isotérmica,

Q=W). 3.4.2) 2ª Lei da Termodinâmica A 2ª Lei da Termodinâmica estabelece as condições em que é possível a transformação de calor em trabalho, completando, dessa forma, a 1ª Lei, que trata apenas da relação entre calor e trabalho: O calor passa espontaneamente dos corpos de maior temperatura para

os de menor temperatura.

Um outro enunciado da 2ª Lei diz o seguinte:

Só é possível transformar calor em trabalho utilizando-se duas fontes de calor em temperaturas diferentes.

Para se obter esse trabalho é necessário um dispositivo que opera em ciclos, retirando calor da fonte quente e transformando parte desse calor em trabalho. A parte restante é cedida à fonte fria. Tal dispositivo chama-se máquina térmica e opera em ciclos transformando calor em trabalho. Abaixo (Figura 1(3)), a apresentação esquemática desse ciclo:

Figura 1

Obs.: Como a problematização inicial é a respeito de uma usina termelétrica e uma das perguntas-chave é sobre o funcionamento dela, é necessário que o professor também faça uma explicação sobre o funcionamento da mesma. Neste projeto aula há, em anexo, um artigo sobre o funcionamento básico de uma termelétrica (TEXTO ADICIONAL 1, no site: http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.html&conteudo=./energia/termeletrica.html).

4) ATIVIDADES EM GRUPO 4.1) Seqüência das atividades

• Pedir aos alunos que se dividam em grupos e respondam às Perguntas-chave com as respostas que forem consenso no grupo;

• Aprofundar os conceitos abordados na atividade, pedindo aos grupos que verifiquem novamente as suas respostas;

• Iniciar a exploração e montagem do kit experimental (conforme item 5), auxiliando os alunos e permitindo que eles apresentem as suas previsões acerca do experimento.

• Sugerir a leitura dos TEXTOS ADICIONAIS 2 e 3 (respectivamente nos sites: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/HC_02.asp> e <http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/main.asp?cod=2>), pedindo para que eles dêem outros exemplos de máquinas térmicas que facilitem o trabalho das pessoas na sociedade.

• Ler juntamente com os alunos o TEXTO ADICIONAL 4, a respeito do equivalente mecânico do calor (no site: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/HC_03.asp>), e propor a eles a resolução das questões do item 6.

5) CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO KIT (4) 5.1) Material Utilizado

• Latinha de tinta, ou fermento em pó, vazia, ou qualquer outro tipo de lata metálica pequena com tampa;

• Lata de sardinha vazia sem a tampa; • Canudo plástico ou fio de cobre (Fino) • Turbina experimental (pode ser um “cata-vento” de papel) que possa

girar com facilidade em torno de seu eixo; • Água; • Uma Vela; • Fósforo; • Base de madeira 25 cm x 20 cm; • Arame flexível; • Quatro pregos grandes, de comprimento de 10 cm.

5.2) Construção e Montagem do kit 5.2.1) Construção da caldeira da máquina térmica

Limpar bem o interior da lata. Em seguida, deve ser feito um pequeno furo na tampa da lata para encaixar o canudo ou o fio (Figuras 2 e 3). É importante evitar qualquer vazamento na lata (em torno do furo e na tampa)!

Fazer um apoio para a caldeira (que ficará na horizontal), fixando os quatro pregos inclinados na madeira. 5.2.2) Construção da fornalha Cortar a vela em quatro pedaços iguais e posicioná-las, formando um quadrado, na direção do centro da lata de sardinha (Figura 4).

Uma outra sugestão é usar 3 pedaços de giz escolar embebidos em álcool; neste caso, evita-se a formação de fuligem na lata. 5.2.3) Construção da Turbina Fazer um furo no centro da turbina de papel ou do cata-vento, por onde irá passar o arame que deverá ser fixado na madeira (Figura 5). 5.2.4) Montagem.

Por a caldeira, parcialmente cheia de água, sobre a fornalha. Colocar a turbina na altura do canudo ou fio. 5.3) Funcionamento do kit Com a turbina, a caldeira e a fornalha em suas posições, acender as velas. Após alguns minutos verifica-se que a turbina passa a girar (Figura 6). 5.4) Exploração do kit Deve-se questionar aos alunos os princípios da Termodinâmica que justificam o fenômeno observado, assim como as formas de energia envolvidas, fazendo uma comparação com o funcionamento das usinas termelétricas.

Figura 2: Construção da caldeira Figura 3: Posição da caldeira

Figura 4: Construção da fornalha Figura 5: Posição da Turbina (“cata-vento”)

Figura 6: Funcionamento do kit experimental

6) SUGESTÕES PARA AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM

• Agendar uma visita da turma, orientada pelo professor, a uma usina termelétrica (podendo ser a mesma citada na Problematização que, por se tratar de uma empresa federal, permite visitas agendadas). Realizar alguma atividade de aprendizagem relacionada ao que foi abordado na visita.

• Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa a respeito de outros tipos de usinas de “geração” de energia (hidrelétrica, nuclear, etc.) a fim de reforçar o conceito de conservação da energia.

7) QUESTÕES PARA A AVALIAÇÃO DA APRENDIZAGEM 7.1) (FUVEST) Adote: calor específico da água = 4 J/g°C. A Figura 7 esquematiza o arranjo utilizado em uma repetição da experiência de Joule. O calorímetro utilizado, com capacidade térmica de 1600J/°C, continha 200g de água a uma temperatura inicial de 22,00°C. O corpo de massa M=1,5kg é abandonado de uma altura de 8m. O procedimento foi repetido seis vezes até que a temperatura do conjunto água+calorímetro atingisse 22,20°C.

Figura 7

a) Calcule a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura do conjunto água+calorímetro. b) Qual fração da energia mecânica total, liberada nas seis quedas do corpo, foi utilizada para aquecer o conjunto? 7.2) Um certo número de pequenas esferas de chumbo é colocado no interior de um tubo vertical de PVC com 60 cm de altura. O calor específico do chumbo é 0,3 Kcal/Kg ºC, g=10 m/s² e 1 cal=4,2 J. Sabendo-se que o tubo é virado de cabeça para baixo 21 vezes sucessivas, determine o aumento na temperatura das esferas. Considere que o sistema não sofre perdas de energia.

8) PROPOSTA INTERDISCIPLINAR

Como o conteúdo da Termodinâmica está muito relacionado ao conceito de Energia, deve-se também reconhecer a importante relação deste tema com o desenvolvimento do setor energético para um país. Por outro lado, a disciplina de Geografia faz uma análise da produção de energia sob os aspectos econômico, geopolítico e social, o que é retratado no TEXTO ADICIONAL 5, em anexo no final da atividade. Outra abordagem está relacionada à poluição atmosférica causada pela combustão ocorrida

nas usinas termelétricas e o que elas têm feito para minimizar os efeitos dessa degradação ambiental.

TEXTO ADICIONAL 5

1 – ENERGIA: GEOPOLÍTICA E ESTRATÉGIA (5)

Quando o homem realiza qualquer tipo de trabalho, cortando cana em uma plantação, locomovendo-se numa bicicleta ou operando uma máquina, ele está gastando uma energia que é limitada por seus dotes físicos. Assim, desde a Pré-História até os dias de hoje, o homem, ao sentir-se limitado na execução de suas tarefas diárias, busca formas de utilização de novas fontes de energia que potencializem sua capacidade de trabalho. A princípio, usava-se apenas a energia de energia de animais para arar a terra ou transportar mercadorias. À medida que os progressos técnicos foram avançando, a utilização de novas fontes energéticas se aprimorou e tornou o trabalho humano mais eficiente.

Desde a Revolução Industrial, quando a produção e o transporte de mercadorias passou a contar com o apoio das máquinas, o trabalho humano vem se tornando cada vez menos necessário e tem sido substituído cada vez mais pelas máquinas. Quando uma máquina é aperfeiçoada, a produtividade aumenta e, como, hoje em dia, a energia já não é mais tão barata quanto era até o primeiro “choque” do petróleo, em 1973, o homem, paralelamente às preocupações com os níveis de produtividade, passou a se preocupar com formas de economizá-la. Atualmente, o desenvolvimento tecnológico busca meios de produzir e transportar mais mercadorias gastando menos energia, cujo consumo vem aumentando sem parar desde a Revolução Industrial e principalmente após a Segunda Guerra Mundial.

O consumo mundial de energia primária é maior nos países ricos que em relação aos países subdesenvolvidos. Esse fato está diretamente relacionado à qualidade de vida da população residente no país, já que reflete, além do grau de industrialização, o nível de consumo residencial em aparelhos domésticos (freezer, ar-condicionado, máquina de lavar roupa ou louça, geladeira, etc.).

No mundo inteiro, o setor energético é considerado estratégico. Quase sempre, ele é controlado pelo Estado, através da política de planejamento da produção, concessão de exploração a grupos privados ou intervenção direta na produção através da atuação de empresas estatais.

A estrutura energética insere-se diretamente no campo da economia e da geopolítica: a produção industrial, os sistemas de transportes, de

segurança; de saúde, de educação, de lazer, o comércio, a agricultura, todo o funcionamento do país, enfim, depende de disponibilidade de energia. Qualquer colapso na produção ou a elevação de custos afeta o cotidiano de todas as atividades desenvolvidas no país. Qualquer sobressalto no setor energético interfere na posição do país dentro do comércio mundial, já que, na composição dos custos de produção, a energia gasta é necessariamente um fator que pode tornar a mercadoria mais ou menos competitiva no cenário das trocas mundiais.

Assim, todas as nações do globo almejam atingir a sonhada auto-suficiência e baixos custos na produção de energia, para que as atividades econômicas – e também as militares – não fiquem sujeitas às oscilações de preço do mercado internacional nem dependam da boa vontade de terceiros para o fornecimento de energia.

Sabe-se que o petróleo é a principal fonte de energia do planeta, sendo seguido pelo carvão mineral e pelo gás natural. Tal situação é inquietante, já que aproximadamente 90% da energia consumida no planeta provém de fontes não-renováveis, ou seja, que um dia vão se esgotar. As três principais fontes de energia consumidas hoje no planeta formaram-se através de um lento processo geológico de produção, enquanto o ritmo de consumo se acelera a cada dia. Isso, porém, não indica que um dia faltará energia no mundo, mas que haverá, necessariamente, um penoso e caro período de transição para nos acostumarmos com a utilização de um novo tipo de energia. Essa transição envolverá reformas e readaptações, principalmente no sistema de transportes (seja ele rodoviário, hidroviário ou aéreo), na produção industrial, através da reestruturação das máquinas a um outro tipo de energia, e na readequação das usinas termelétricas (que produzem energia elétrica a partir da combustão de petróleo ou carvão) a uma nova fonte de energia primária.

1.1- Produção e consumo de energia no mundo entre 1985 e 1996 (6)

Relatórios, estudos, análises e dados comparativos sobre produção e consumo de energia no mundo tem grande importância para a definição das bases da gestão energética mundial e entendimento da geopolítica estratégica de energia no mundo. Para o aprofundamento dessas análises o mundo é dividido em regiões, como mostrado abaixo:

� América do Norte � América Central, América do Sul e Caribe � Europa Ocidental � Europa Oriental e ex - União Soviética � Oriente Médio

� África � Ásia e Oceania

1.1.1- Maiores produtores e consumidores Os três países maiores produtores de energia primária do mundo são: USA, Rússia e China, com 39 % da energia produzida no mundo, seguidos de Arábia Saudita e Canadá, que somam mais 8,3 %. Portanto, cinco países concentram 49,3 % da produção de energia primária mundial. Os maiores consumidores de energia do mundo são USA, China e Rússia com 41 %, seguidos por Japão e Alemanha. Os cinco maiores consumidores de energia totalizam 50,8 % do consumo mundial.

1.1.2- Comportamento das regiões mundiais na última década As regiões apresentaram o seguinte comportamento perante a energia no período entre 1985 e 1996:

• América do Norte, América do Sul e Caribe, África, Ásia e Oceania, apresentaram expressivo aumento de consumo e produção.

• Oriente Médio apresentou expressivo aumento de produção e leve aumento de consumo.

• Europa Ocidental apresentou produção estável e aumento de consumo, principalmente em gás natural.

• Europa Oriental, e ex-União Soviética, com redução tanto em produção como consumo de energia primária.

(1) Proposta elaborada pelo licenciando em Física, Jean Anderson Piedade Rodrigues Pinheiro na disciplina Produção de Material Didático e Estratégias para o Ensino de Física I, durante o primeiro semestre letivo de 2005.

(2) Extraído de: http://www2.petrobras.com.br/ri/port/noticias/noticias/Not_Termeletrica.asp. Acesso em: 31 de maio de 2005.

(3) Disponível em: http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u1.jhtm. Acesso em: 09 de junho de 2008.

(4) Adaptado de: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp. Acesso em 31 de maio de 2005.

(5) Sene, Eustáquio de; Moreira, João Carlos. Geografia Geral e do Brasil – Espaço geográfico e globalização. São Paulo: Editora Scipione. P.238-240.

(6) Adaptado de: http://209.85.215.104/search?q=cache:42fWhOSRlXkJ:www.apsassessoria.com.br/Panorama%2520energ%C3%A9tico%2520mundial%2520atual.doc+Produ%C3%A7%C3%A3o+e+consumo+de+energia+no+mundo&hl=pt-BR&ct=clnk&cd=2&gl=Br. Acesso em: 09 de junho de 2008.