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DEFINIÇÃO
O conceito básico de energia, as formas de energia convertidas em aplicações tecnológicas,
fontes de energia importantes para a matriz energética, energia nuclear, eólica e solar.
PROPÓSITO
Identificar a origem e as escalas de energia com ênfase nas formas de energia associadas à
matriz energética das nações, da forma de sua geração e do impacto ambiental.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, acesse uma tabela de constantes físicas e tenha em
mãos uma calculadora científica. Recomenda-se, ainda, uma pesquisa sobre os conceitos
básicos de Cinemática e Mecânica, caso considere necessário.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Relacionar o conceito físico de energia ao funcionamento de tecnologias utilizadas para
geração de energia elétrica
MÓDULO 2
Identificar o conceito de energia nuclear e como explorá-la
MÓDULO 3
Identificar o conceito de energia eólica e como explorá-la
MÓDULO 4
Identificar o conceito de energia solar e como explorá-la
INTRODUÇÃO
A definição de energia em Física é surpreendentemente complicada. Apesar de ser um dos
conceitos mais intuitivos — todos nós sabemos comparar um sistema com muita energia e
outro com pouca –, a definição científica de energia se dá por meio da descrição de trabalho.
Logo, a energia de um corpo é a capacidade desse corpo em realizar trabalho.
MÓDULO 1
 Relacionar o conceito físico de energia ao funcionamento de tecnologias utilizadas para
geração de energia elétrica
CONCEITOS SOBRE TRABALHO E ENERGIA
Trabalho, do ponto de vista científico, é uma definição matemática:
Dado um corpo que segue uma certa trajetória retilínea de comprimento sob ação de uma
força externa paralela à trajetória, o trabalho é definido como:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 ATENÇÃO
Note que particularizamos bastante essa definição, pois nem toda trajetória será retilínea, nem
toda força externa é paralela à trajetória. Em breve utilizaremos essa definição para um caso
mais geral.
Mas vamos primeiro interpretar essa equação.
Em um exemplo simples, podemos analisar o caso de um tijolo de 3kg abandonado de uma
altura de 5 metros. Nesse caso, o movimento se dá sob a ação da força-peso, a qual é paralela
ao movimento do tijolo, que é retilíneo. Podemos, então, dizer que .
Calculando a força-peso baseado na aceleração da gravidade na superfície da Terra
 temos , em que N é a unidade de força
Δs
F
∥
ext 
τ = F
∥
ext Δs
τ = F
∥
ext Δs
g ≈ 9,8m/s² P = mg ≈ 3kg ⋅ 9, 8m/s2 = 29, 4N
no Sistema Internacional, chamada de newton. Assim, o trabalho vale
.
Com relação à unidade usada aqui, utilizamos a definição de trabalho (que incidentalmente
servirá também para energia) de acordo com o Sistema Internacional.
Essa unidade é o joule, sendo representada por J. Ela é equivalente ao trabalho realizado por
uma força de 1N em um corpo que se desloca por 1m.
Note que, entretanto, quase todas as áreas da ciência utilizam outras definições de energia, de
acordo com sua conveniência. Alguns exemplos incluem:
ergs (comum em astronomia).

elétron-volts (em Química e Física de Materiais).

kWh ou quilowatt-hora (comum em aplicações comerciais e Engenharia de Produção).
 SAIBA MAIS
Comumente, utiliza-se tabelas de conversão entre unidades de energia, que podem ser
facilmente encontradas na internet ou em livros. O Sistema Internacional permanece sendo o
mais conveniente por ser aquele que é compreendido por quaisquer cientistas e engenheiros,
além de ser naturalmente resultante das equações quando utilizado de forma consistente.
ENERGIA E SUA CONSERVAÇÃO
De posse de uma boa compreensão do significado de trabalho, o significado de energia segue
como a capacidade de um corpo em realizar trabalho. A energia de um corpo é, então,
quantificada como todas as formas possíveis de trabalho que tal corpo pode realizar.
τ = F
||
extΔs = 29, 4N ⋅ 5m = 147J
Tal capacidade de realizar trabalho em última análise pode vir de duas formas: energia cinética
ou potencial.
 COMENTÁRIO
Veremos que os múltiplos exemplos de energia, como, eólica, elétrica, gravitacional, térmica
etc., são representações diferentes dessas duas formas de energia.
O principal resultado que dá significativo peso ao conceito de energia é o teorema energia-
trabalho. Ele relaciona as mudanças na energia cinética de um corpo à realização de trabalho.
Assim, a quantidade de energia total de um corpo sempre se conserva, pois, em todo
movimento, qualquer perda de energia potencial se converte em energia cinética e vice-versa.
TRABALHO E CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Em outras palavras, em qualquer fenômeno da natureza a energia se conserva.
ENERGIA MECÂNICA
A energia mecânica é aquela associada ao movimento e posição dos objetos.
Ela é composta de energia cinética e potencial.
 ATENÇÃO
A soma dessas duas quantidades, conforme dito anteriormente, é mantida constante de uma
forma universal, entretanto, apenas se estudarmos todos os corpos envolvidos nas interações,
o que geralmente não é o caso de interesse.
Assim, na prática, sempre há desvios da conservação de energia perfeita para qualquer
sistema, devido ao fato de ele não estar isolado do seu ambiente.
A ENERGIA CINÉTICA É A PARTE DA ENERGIA ASSOCIADA À
VELOCIDADE DOS CORPOS.
Ela é definida como , em que m é a massa e v a velocidade do corpo.
Note que a velocidade aparece como um quadrado, de modo que o caráter vetorial da
velocidade não aparece aqui ( ), e que seu valor é sempre um número positivo.
Sua unidade, assim como qualquer outra forma de energia e trabalho, é o joule (pode
pronunciar-se “jaule” ou “jule”).
Ecin = mv2
2
→v ⋅ →v = |→v|2
Fonte: ShutterStock
A energia potencial, como o próprio nome diz, é devida à posição do corpo que permite que as
forças que atuam sobre ele, potencialmente, realizem trabalho, caso o corpo siga por uma
trajetória.
POR EXEMPLO:
Fonte: ceramicasecco.com.br
Um tijolo sendo segurado à altura de 5m, como no exemplo do início deste módulo, tem o
potencial de cair e ter trabalho realizado sobre ele pela força-peso. Portanto, dizemos que o
tijolo tem energia potencial gravitacional Egrav = mgh, em que mg é a força-peso e h é a parte
vertical da trajetória (altura).
Note que usamos apenas h e não o comprimento total da trajetória Δs, pois no caso de uma
trajetória curvilínea, apenas a componente da trajetória paralela à força externa é contabilizada.
Repare que o conceito de uma trajetória que o corpo poderia potencialmente seguir é um tanto
abstrato. De fato, nada impede, por exemplo, que o tijolo ao cair não pare na altura do chão,
mas que alcance o subsolo. Nesse caso, ao definir a altura inicial h, subestimamos quanto
trabalho a força-peso poderia realmente realizar.
Tal ambiguidade é resolvida permitindo que a energia potencial seja positiva ou negativa.
Assim sendo, no caso do tijolo, o movimento que ultrapasse o chão (h=0) começa a ser
contado como uma altura negativa, e a lei de conservação de energia permanece igualmente
válida
 VOCÊ SABIA
Armazenamento de energia hidrelétrica
Diversos países adotam o modelo de hidroeletricidade de armazenamento bombeado. Esse
sistema se baseia em utilizar a energia gerada nos picos de produção para bombear água para
enormes tanques construídos no alto de morros e montanhas. Quando a geração de energia se
reduz (por exemplo no inverno, quando a falta de chuvas desabastece hidrelétricas e a falta de
sol reduz a efetividade de células fotovoltaicas), a energia armazenada na forma de potencial
gravitacional da água é aproveitada.
Outro exemplo de energia potencial de grande importância é a energia potencial elástica. Ela
está associada à deformação de uma mola ou elástico, que causam uma força restaurativa,
comumente aproximada pela Lei de Hooke:
Fonte: Autor
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Aqui, K é chamada de constante da mola, e representa quão dura uma mola é, ou seja, quanta
força amola é capaz de fazer para restaurar sua forma original. Note que a força é proporcional
à deformação da mola x. É, portanto uma força que se altera ao longo do trajeto e requer o uso
da definição de trabalho na forma integral.
Imagine que começamos o movimento a partir de uma deformação inicial x = Δx, e que
encerramos o movimento com a mola relaxada em x = 0.
Neste caso, a energia elástica da mola é expressa por:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Fmola = −Kx
Eel =
KΔx2
2
 ATENÇÃO
Caso não seja familiarizado com cálculo, você pode apenas reconhecer o importante uso que
ele tem nesse tipo de exemplo, no qual as forças não são constantes.
VARIAÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA
Como dito anteriormente, em última análise, todas as formas de energia são potenciais ou
cinéticas.
EXEMPLIFICANDO:
Fonte: Pexels
Da mesma forma, nos parece que acelerar um carro aumenta a sua energia ao aumentar sua
velocidade, sem necessariamente requerer uma descida ladeira abaixo ou algo do tipo.
Entretanto, o princípio de funcionamento do carro envolve a queima de gasolina, que aproveita
a energia potencial química armazenada nas longas cadeias de carbono para gerar o
movimento dos pistões que impulsionam as rodas do carro.
Ainda assim, é importante definirmos variações de energia de um subsistema. Para isso,
definimos o conceito de potência, que nada mais é do que a variação de energia com o tempo.
Ela é definida como Pot = ΔE/Δt, podendo também ser generalizada no caso de taxas de
perda/ganho de energia variáveis utilizando o conceito de derivada Pot = dE/dt. A potência é
medida no sistema internacional em watts (W).
É comum também vermos outras medidas, como cavalos para carros, ou volt-ampère em
sistemas elétricos (note que o volt-ampère é idêntico ao watt, sendo apenas um jargão da
área).
ENERGIA TÉRMICA
Fonte: Shutterstock
A energia térmica está associada ao agito e à interação entre moléculas que compõem a
matéria.
 COMENTÁRIO
Chamamos essa energia, geralmente, de energia interna, para diferenciá-la do trabalho
realizado pela pressão de um gás e do calor trocado entre corpos.
Tais moléculas possuem energia cinética muito reduzida devido à sua pequena massa, mas
quando um grande número dessas moléculas é contabilizado, a energia térmica se revela um
valor considerável. Além disso, existe a energia potencial de interação entre os átomos e
moléculas.
Em geral, tal energia não é acessível do ponto de vista termodinâmico, gerando efeitos como a
elasticidade dos corpos. Mas ao ocorrer uma transição de fase, o arranjo molecular pode se
modificar de forma definitiva, liberando ou absorvendo, assim, tal energia potencial na forma de
calor. Veremos a seguir mais detalhes desses processos.
Para um gás, esse agito térmico é identificado como a temperatura no contexto da teoria
cinética dos gases.

Isso porque um gás ideal consiste em partículas movendo-se livremente sem interagir umas
com as outras
Por consequência, a única forma de energia associada a elas é a cinética. A correlação entre a
energia cinética média e a temperatura, no caso de gases ideais monoatômicos, é dada por:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que é a constante de Boltzmann.
O fator é associado ao movimento das moléculas em 3 dimensões ( para cada
dimensão).
Moléculas poliatômicas podem possuir um número maior de graus de liberdade devido ao
movimento interno dos átomos que a compõem, alterando nesses casos o valor do pré-fator
⟨Ecin⟩ = = kBT
m⟨v2⟩
2
3
2
kB = 1.380649 ⋅ 10−23J/K
3
2
kBT
2
para 2, 5/2, e assim por diante.
 COMENTÁRIO
Para um número grande de moléculas, cuja ordem de grandeza é igual ou maior que o número
de Avogadro ~1023, essa energia torna-se grande o suficiente para que possa ser aproveitada
em motores, entre outros.
Dois corpos com temperaturas diferentes, quando entram em contato, tendem a alcançar o
equilíbrio, situação na qual a temperatura dos dois corpos se torna idêntica.
Como sabemos, a temperatura está associada à energia, o que significa que houve troca de
atividade entre os dois corpos. Essa energia térmica trocada entre corpos recebe o nome de
calor.
Uma tarefa importante em muitas aplicações de Engenharia é otimizar ou retardar a
transferência de calor através do uso de trocadores de calor ou de isolantes térmicos,
respectivamente. Essa troca pode se dar de três formas:
Por transferência condutiva, convectiva e radiativa.
TRANSFERÊNCIA CONDUTIVA
O calor é conduzido pela interação direta entre as moléculas. Por exemplo, ao segurarmos um
garfo próximo ao fogo, os átomos da ponta do talher se agitam e colidem com átomos
vizinhos, que passam a se agitar e colidir com os próximos, sucessivamente.
O calor é conduzido sem que os átomos mudem de posição, chegando a nossa mão.
Fonte: Freepik
 EXEMPLO
Materiais Termoelétricos
Os termoelétricos são materiais semicondutores que geram corrente elétrica a partir de uma
diferença de temperaturas. Apesar de gerar uma quantidade relativamente pequena de energia,
o fato de que diferenças de temperaturas estão presentes em todo nosso arredor faz dessa
aplicação uma interessante abordagem. Por exemplo, um celular equipado com uma capa
termoelétrica poderia utilizar a temperatura do nosso corpo para se carregar enquanto o
levamos no bolso.
TRANSFERÊNCIA CONVECTIVA
Na transferência convectiva, por outro lado, os átomos ativamente se misturam sem
forçosamente necessitarem de uma interação.
Com isso, a nova velocidade média das partículas contém contribuições das altas velocidades
da porção originalmente quente e moléculas de mais baixa velocidade da porção fria, tornando
a temperatura conjunta um valor intermediário.
Fonte: Pexels
Um exemplo disso é ao misturarmos leite frio no café quente, o que cria uma mistura com
temperatura intermediária.
TRANSFERÊNCIA RADIATIVA
A última forma de transferência depende da emissão de calor na forma de radiação. Essa
forma é um pouco menos cotidiana, exceto pelo exemplo do Sol.
Sem entrarmos em contato direto com o Sol, seu calor chega a nós através de sua luz emitida.
Outros exemplos incluem as estações de aquecimento de pratos em buffets e restaurantes,
assim como alguns aquecedores utilizados em ambientes externos e estádios de futebol.
Fonte: Pexels
É claro que para alcançar certa temperatura, a quantidade de calor que um corpo deve receber
depende da massa de suas moléculas e da quantidade de moléculas que esse corpo possui.
Em outras palavras, o calor total necessário para elevar por um grau a temperatura de um corpo
depende da massa desse corpo. Chamamos de calor específico c de um material a quantidade
de calor necessária para aumentar de um grau a temperatura de um corpo de um quilograma.
Assim, escrevemos:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que m é a massa total do corpo, Q o calor recebido e ΔT sua temperatura.
O efeito do recebimento de calor por um corpo pode ser o aumento de sua temperatura como
no caso discutido acima, mas também pode ser o rearranjo de suas moléculas. Chamamos de
calor latente L a quantidade de calor necessária para converter uma quantidade Δm de massa
entre uma fase e outra. Assim:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Note que essa expressão não possui nenhum efeito de variação de temperatura.
De fato, ao atingir a temperatura de transição de fase, um corpo permanece nessa condição até
que toda a sua matéria se converta de uma fase a outra, quando começa então a mudar de
temperatura novamente. Isso desde que o processo ocorra lentamente o suficiente para que
esteja sempre em equilíbrio térmico.
 EXEMPLO
Derretimento do gelo
Q = mcΔT
Q = LΔm
Ao colocarmos um copo com gelo num ambiente externo, primeiramente o Sol aquece o gelo
de sua temperatura no freezer (tipicamente próxima de -20°C) até a temperatura defusão do
gelo que é 0°C. A partir daí, o gelo passa a se derreter. Toda a mistura de água e gelo
permanecerá a 0°C até que o derretimento completo tenha ocorrido, para só então a água
começar a se aquecer.
Uma forma drástica de emissão de calor em uma mudança de estado da matéria ocorre nas
reações químicas.
O exemplo mais típico é a reação de queima. Hidrocarbonetos são moléculas longas, cuja
energia de ligação (associada ao potencial eletrostático que liga seus átomos) é relativamente
fraca.
O oxigênio do nosso ar, entretanto, tem energia baixa demais para penetrar na molécula de
hidrocarboneto. Caso seja feita uma ignição (calor inicial), o oxigênio consegue energia
suficiente para penetrar nessas moléculas e oxidá-las, formando CO2.
Fonte: Freepik
O CO2 é uma molécula com energia de ligação muito maior, o que significa que ela tem uma
energia potencial muito mais baixa (menos vantagens energéticas em os átomos do oxigênio
seguirem uma trajetória que desfaça a molécula de CO2). Essa diferença de energia é emitida
na forma de calor, o que realimenta o processo gerando ignição para outras moléculas
queimarem.
Esse princípio é utilizado em usinas termoelétricas, assim como nos carros a gasolina e a
álcool e nos geradores elétricos. Todos eles se baseiam na queima de cadeias de
hidrocarbonetos longas, como no óleo, na madeira e no carvão.
Essa forma de geração de energia é extremamente poluente, pois gera CO2 que é uma
molécula muito estável e de alto calor específico C. Essa molécula, portanto, torna a nossa
atmosfera capaz de prender o calor do Sol de forma mais eficiente, no que é chamado de efeito
estufa.
 SAIBA MAIS
Outros problemas associados a essa forma de energia são relacionados a questões
geopolíticas. As fontes naturais de hidrocarbonetos cuja queima é altamente eficiente são
fósseis.
Portanto, existe um limite para consumirmos todo o combustível fóssil disponível. Além do
mais, tal combustível é encontrado em poços que são mais abundantes em alguns países e
menos em outros, o que cria uma dependência da cadeia produtiva na estabilidade política e
social de algumas poucas sociedades.
ENERGIA ELÉTRICA
A energia elétrica é uma das formas mais convenientes de se transportar e armazenar
energia.
A rede elétrica consegue dar conta de um consumo altíssimo de energia com baixa
manutenção, sem envolver emissões poluentes e transferida de forma quase instantânea.
Entretanto, gerar energia elétrica diretamente é muito difícil. Em geral, a energia elétrica é
gerada através da transformação de outras formas de energia, utilizando o princípio da indução
eletromagnética.
Mais uma vez, a energia elétrica tem forma cinética e potencial. A energia potencial surge
quando os elétrons são expostos a um campo elétrico. Imediatamente, os elétrons passam a
ter o potencial de ter trabalho realizado sobre eles pela força eletrostática (força de Coulomb).
javascript:void(0)
Conforme os elétrons se aceleram, ganham energia cinética, movendo-se de regiões de maior
energia potencial para regiões de menor energia potencial.
É comum também utilizar o conceito de potencial eletrostático V, que é relacionado à energia
potencial eletrostática Epot através da equação Epot = qV, em que q é a carga do corpo sob
estudo, nesse caso q = -e = -1,6 × 10-19C é a carga fundamental dos elétrons.
FORÇA DE COULOMB
Força de Coulomb, ou força eletrostática, é a força entre partículas puntiformes
carregadas. Vale F = K q1 q2/r2 para dois corpos com carga q1 e q2 afastados de uma
distância r.
A unidade de carga elétrica C, no Sistema Internacional, é chamada de coulomb (letra
minúscula para unidades, mesmo sendo nomes de pessoas).

Enquanto para o potencial eletrostático a unidade é o volt.

Energia potencial continua sendo medida em joule
Assim, um volt é o potencial de uma carga de 1C cuja energia potencial vale 1J. Mais uma vez,
a energia potencial está definida de forma dependente da escolha de referencial, de modo que
só faz sentido estudar diferenças de potencial (costumeiramente chamados de tensão ou de
d.d.p, com o símbolo ΔV = Va - Vb entre os pontos a e b).
Conforme os elétrons se aceleram ganhando energia cinética, eles começam a colidir com as
impurezas e imperfeições de um fio elétrico com frequência cada vez maior, o que atua nos
elétrons como uma força de arrasto, similar à força sentida quando colocamos a mão para fora
do carro. Tal força, que é proporcional à velocidade, faz com que haja uma velocidade máxima
que os elétrons possam alcançar, que é proporcional ao campo elétrico externo aplicado.
É comum tratar essa relação em termos de quantidades mais fáceis de medir – em particular, a
corrente elétrica e a d.d.p. – no que é chamado de Lei de Ohm:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que i é a corrente elétrica medida em ampère (A) e R é a resistência elétrica, medida em
ohm (Ω).
 ATENÇÃO
A corrente elétrica é uma medida de quanta carga atravessa uma certa secção do fio elétrico
por unidade de tempo (logo o ampère equivale ao coulomb/segundo).
A resistência é uma propriedade do material do fio, de seu comprimento e espessura, e mede
quanta força de resistência ao movimento o fio exerce sobre os elétrons. Note que essa força
é dissipativa, então ao longo do movimento dos elétrons em um fio sempre há dissipação de
energia.
Tal dissipação de energia pode ser proposital ou indesejada. Aquecedores de filamento elétrico,
como em chuveiros ou torradeiras, utilizam-se dessa dissipação de energia para emitir calor, no
que é chamado de efeito Joule (agora, sim, com letra maiúscula).
A ação da força de arrasto dissipa continuamente energia, de modo que faz mais sentido
descrevê-la em termos de potência dissipada (energia dissipada por unidade de tempo).
ΔV = Ri
Fonte: Wikimedia Commons
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Note que, dada a Lei de Ohm, podemos ainda escrever (demonstre como um exercício).
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Isso leva a uma conclusão curiosa.
A primeira equação parece nos dizer que quanto maior a resistência, mais potência é dissipada,
o que é um efeito naturalmente esperado.

Pdiss = Ri2
Pdiss = ΔV ⋅ i = ΔV 2
R
Já na última equação, a resistência aparece no denominador, sugerindo que quanto menor a
resistência, maior a potência dissipada.
Essa aparente incongruência se deve ao simples fato de que, sob d.d.p constante ΔV, a corrente
será menor para altas resistências. Desse modo, caso a constante do problema seja a d.d.p
(como é o caso de nossa rede elétrica residencial de 110V ou de 220V), quanto menor a
resistência, maior a dissipação.
Qualquer pessoa que tenha visto a resistência no interior de um chuveiro elétrico pode
confirmar que esses são fios grossos de cobre que possuem baixíssima resistência.
O desafio maior para a utilização de energia elétrica está na geração dos campos elétricos. Os
corpos são naturalmente neutros na natureza, de modo que não há como obter uma fonte de
campos elétricos desta.
Precisamos, então, gerar campos elétricos nos utilizando de alguma outra forma de energia e
convertendo-a para eletricidade. O exemplo mais comum é o de turbinas.
Ao girar uma espira (fio elétrico em forma de loop) sob a ação de um campo magnético fixo de
um ímã, induz-se um campo elétrico ao longo da espira de forma eficiente. A turbina utiliza
qualquer forma de energia para criar tal giro da espira, como por exemplo através do vento ou
do vapor de água atravessando as hélices de uma turbina.
Exploraremos adiante alguns dos métodos mais utilizados em nossa matriz energética.
Fonte:Shutterstock
CONVERSÃO DE ENERGIA: ENERGIA
HIDRELÉTRICA, DAS MARÉS E DAS ONDAS
Fonte: Pexels
O BRASIL É UM DOS LÍDERES MUNDIAIS EM USO DE ENERGIA
GERADA POR USINA HIDRELÉTRICA, QUE É UMA ENERGIA LIMPA
E RENOVÁVEL.
Seu impacto ambiental está em geral associadoà alteração da hidrografia local, incluindo o
alagamento de regiões ribeirinhas. Comparado com outras formas eficientes de geração de
energia, as hidrelétricas são reconhecidas como uma das fontes mais ecologicamente viáveis.
O princípio de funcionamento das usinas hidrelétricas, assim como usinas baseadas em marés
e energia de ondas, é o aproveitamento do deslocamento de grandes massas de água, que
impulsionam turbinas induzindo campos elétricos.
Em geral, seleciona-se rios caudalosos, em regiões que não experimentem secas significativas
e cuja topografia gere uma queda d’água significativa, garantindo, assim, uma pressão alta para
impulsionar as turbinas.
A potência elétrica de fontes hídricas é dada por:
Pot = η[(ρ ) gΔh]ΔV
Δt
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que:
η é um fator de eficiência da conversão entre formas de energia que varia de 0 (totalmente
ineficiente) até 1 (perfeitamente eficiente);
ρ é a densidade da água ρ=1000kg/m3;
 é a vazão de água atravessando a turbina em m3/s;
g = 9,8m/s2 é a aceleração da gravidade;
Δh é a altura da queda d’água.
Note que ρV é a massa da água que atravessa a turbina, de modo que ρV g Δh seria a energia
potencial gravitacional dessa massa de água.
Naturalmente, a potência é associada a quanta massa de água atravessa a turbina por unidade
de tempo O fator η depende dos detalhes da turbina. Apesar de esse valor variar em princípio
entre 0 e 1, na realidade é impossível que toda a energia da água seja perfeitamente convertida
em eletricidade. Parte dessa energia se converte em energia térmica dissipada pelas
engrenagens.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. ENQUANTO TOMAVA BANHO, UMA PESSOA TOCOU A PARTE EXTERNA DE
UM RÁDIO METÁLICO. O CAMINHO PERCORRIDO PELA CORRENTE ELÉTRICA
DO RÁDIO, ATRAVESSANDO O CORPO DA PESSOA E CHEGANDO AO
ENCANAMENTO ATERRADO POSSUI UMA RESISTÊNCIA DE 4000Ω.
SABENDO-SE QUE UMA CORRENTE DE 100MA PODE CAUSAR FIBRILAÇÃO
VENTRICULAR (CONDIÇÃO CARDÍACA POTENCIALMENTE FATAL), QUAL É A
MENOR VOLTAGEM NO RÁDIO QUE TRAZ RISCO A ESSA PESSOA?
A) 110V
B) 220V
ΔV
Δt
V̇
C) 400V
D) 400.000V
2. NA USINA HIDRELÉTRICA BINACIONAL DE ITAIPU, A ENERGIA É GERADA
POR 20 TURBINAS QUE PRODUZEM 700W DE POTÊNCIA CADA UMA. A
QUEDA D’ÁGUA EM CADA UMA DESSAS TURBINAS É DE 118,4M E A VAZÃO
DE ÁGUA É 690M3/S.
A EFICIÊNCIA Η DESSAS TURBINAS VALE, APROXIMADAMENTE:
A) 0,125
B) 0,5
C) 0,875
D) 1,14
GABARITO
1. Enquanto tomava banho, uma pessoa tocou a parte externa de um rádio metálico. O
caminho percorrido pela corrente elétrica do rádio, atravessando o corpo da pessoa e
chegando ao encanamento aterrado possui uma resistência de 4000Ω.
Sabendo-se que uma corrente de 100mA pode causar fibrilação ventricular (condição cardíaca
potencialmente fatal), qual é a menor voltagem no rádio que traz risco a essa pessoa?
A alternativa "C " está correta.
Utilizando a Lei de Ohm, e convertendo a corrente de mA para o Sistema Internacional i = 0,1A,
obtemos ΔV = 4000 × 0,1 = 400V
2. Na usina hidrelétrica binacional de Itaipu, a energia é gerada por 20 turbinas que produzem
700W de potência cada uma. A queda d’água em cada uma dessas turbinas é de 118,4m e a
vazão de água é 690m3/s.
A eficiência η dessas turbinas vale, aproximadamente:
A alternativa "C " está correta.
Utilizando a equação discutida no texto podemos calcular
.
MÓDULO 2
 Identificar o conceito de energia nuclear e como explorá-la
ENERGIA NUCLEAR DE LIGAÇÃO
Prótons e nêutrons interagem entre si e uns com os outros através da força mais intensa
conhecida na natureza. O núcleo dos átomos é feito de prótons e nêutrons muito densamente
arranjados, cuja energia de ligação é determinada pelo seu arranjo espacial. Inicialmente,
adicionar prótons e nêutrons é energeticamente favorável, pois o núcleo ganha a energia de
ligação entre essas partículas.
A partir de certo ponto, novas partículas adicionadas se grudam ao núcleo fracamente, gerando
núcleos muito grandes e instáveis. Hidrogênio, o elemento mais leve, é feito de apenas um
próton, enquanto o urânio, que é o elemento natural mais pesado, possui 92 prótons.
O núcleo mais estável de todos é o do ferro.
Pot = −η [(ρ ) gΔh]ΔV
Δt
η = = 0, 875700
1000⋅690⋅9,8⋅118,4
Fonte: Encyclopædia Britannica
O nome dos átomos é associado exatamente a esse número de prótons, pois esse número
determina a estrutura dos elétrons para que o átomo fique neutro, e por consequência, todas as
propriedades químicas da ligação desse átomo a outros.

O número de nêutrons, por outro lado, impacta muito pouco a química de um elemento.
Entretanto, nêutrons são uma parte importante do núcleo, promovendo a estabilidade desses
núcleos.

Átomos com o mesmo número de prótons (ou seja, mesmo elemento químico), mas com
número diferente de nêutrons, são chamados de isótopos.
Muitos elementos possuem um isótopo particular mais estável, e outros isótopos que podem
ser estáveis ou instáveis, mas cuja ligação é menos efetiva.
Um exemplo é o carbono em suas formas 12C, que é o isótopo mais estável com 6 prótons e 6
nêutrons, totalizando 12 partículas no núcleo, e seu isótopo menos estável 14C.
O carbono-14, apesar de instável, leva muito tempo para decair (em média mais de 5000 anos).
ENERGIA NUCLEAR DE LIGAÇÃO
FUSÃO NUCLEAR
Dois prótons naturalmente se repelem por conta de suas cargas positivas. Essa força de
repulsão é muito grande, comparada com forças típicas que observamos no nosso cotidiano,
mas extremamente pequena, comparada com a força de ligação nuclear.
A analogia que pode ser traçada é com a de uma bola sendo arremessada fracamente em
direção a um vulcão profundo.
Com energia insuficiente para chegar ao cume, a bola retorna sendo expulsa do vulcão. .

Mas caso a bola tenha suficiente força para chegar ao olho do vulcão, ela tem um enorme poço
de energia potencial para explorar.
Da mesma forma, custa certa energia atirar dois prótons um contra o outro, de modo a superar
a repulsão coulombiana. Mas uma vez vencida, a energia que é liberada na forma de calor é
enorme.
Este é o princípio de geração de energia das estrelas como o Sol. Tal processo é tão eficiente
que o núcleo estelar chega a milhões de graus. Sua força gravitacional é grande o suficiente
para pressionar prótons uns contra os outros e gerar, assim, núcleos de hélio (daí a origem do
nome do elemento, vindo do nome do Sol na língua grega Helios).
Esse processo, caso adequadamente controlado, seria vastamente mais eficiente que a fissão
nuclear que utilizamos hoje em dia em usinas.
Cada fusão ocorre de forma muito mais eficiente, o insumo utilizado é o hidrogênio (ou seus
isótopos deutério e trítio), que é vastamente mais comum que o urânio ou plutônio, e o
subproduto é o inofensivo gás nobre hélio.
Fonte: Autor
 COMENTÁRIO
Em laboratório, cientistas possuem tecnologia, há muitos anos, suficiente para gerar fusão
nuclear. Entretanto, o processo é ainda ineficiente e custoso, sendo comercialmente inviável
para geração de energia.
FISSÃO NUCLEAR
Alguns isótopos podem ser fissionados sob demanda.
 EXEMPLO
O urânio-235 é um exemplo de um isótopo que é facilmente fissionado. Um nêutron na
proximidade do núcleo de 235U é absorvido, tornando o núcleo extremamente instável.
Imediatamente, esse núcleo se separa em dois núcleos mais leves e estáveis, chamados de
produtos da fissão. Dois ou três nêutrons também se soltam dos núcleos, podendo, então, ser
capturados pelos átomos restantes de 235U e iniciando uma nova fissão, e assim por diante.
A massa dos dois núcleos resultantes é menor do que a massa do núcleo de 235U, pois parte
de sua massa se devia à interação entre as 235 partículas do núcleo.
Essa relação entre a diferença de massa e a energia liberada pela fissão é dada pela equação
relativística:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que c = velocidade da luz.
Portanto, mesmo uma pequeníssima variação na massaresulta na liberação de uma grande
quantidade de energia.
E = mc2
Uma série de fissões seguidas é chamada de reação em cadeia. Se uma quantidade suficiente
de urânio é trazida a condições ideais, uma reação autossustentada ocorre, criando uma
grande quantidade de calor liberada.
Controlando a quantidade de nêutrons no meio, é possível controlar a velocidade dessa reação
e utilizá-la para gerar eletricidade.
Fonte: Wikimedia Commons
Usinas nucleares produzem eletricidade da mesma forma que qualquer outra usina de vapor-
eletricidade.
Água é aquecida e o vapor da água fervente gira uma turbina e gera eletricidade por
indução.
A principal diferença entre os tipos de usinas de vapor-eletricidade é a fonte de calor.
Em outras usinas, carvão, óleo ou gás são queimados para aquecer a água.
Nesse sentido, as usinas nucleares possuem um impacto ambiental menor, pois não geram gás
CO2 na sua queima.
Por outro lado, essas usinas geram subprodutos do decaimento radioativo, que em si é um
material de alto risco que deve ser gerenciado por um longo tempo até tornar-se inofensivo.
Além disso, há o risco de um acidente nuclear, cujas consequências catastróficas são bem
conhecidas a partir das experiências no desastre de Chernobyl, na Rússia, e mais recentemente
no maremoto de Fukushima, no Japão.
Fonte: Pexels
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. UM MÉTODO COMUM DE DETERMINAÇÃO DA IDADE DE UM ACHADO
ARQUEOLÓGICO É A DATAÇÃO POR CARBONO-14. O PRINCÍPIO BÁSICO É
APROVEITAR-SE DO FATO DE QUE ESSE ISÓTOPO DO CARBONO É
RADIOATIVO, DE MODO QUE O PERCENTUAL DE 14C EM UM FÓSSIL É UMA
FUNÇÃO DE QUANTO TEMPO SE PASSOU DESDE QUE O SER VIVO FALECEU.
AO DECAIR, O CARBONO-14 PASSA POR UM PROCESSO QUE O ALTERA DE
QUAL FORMA?
A) O carbono se oxida ao ligar-se com dois átomos de oxigênio.
B) O carbono deixa de existir, tornando-se integralmente energia conforme a equação E = mc2.
C) Seu núcleo se altera, mudando o número de prótons e nêutrons e tornando-se outro
elemento.
D) O carbono se ioniza, perdendo um elétron de sua camada de valência.
2. A FISSÃO DE UM ÁTOMO DE PLUTÔNIO-239 LIBERA 3.318 × 10−11 J.
À QUAL VARIAÇÃO EM MASSA TOTAL ESSA ENERGIA CORRESPONDE?
A) 3,7×10-28 kg
B) 1,1×10-19 kg
C) 2,9×106 kg
D) 9,9×10-3 kg
GABARITO
1. Um método comum de determinação da idade de um achado arqueológico é a datação por
carbono-14. O princípio básico é aproveitar-se do fato de que esse isótopo do carbono é
radioativo, de modo que o percentual de 14C em um fóssil é uma função de quanto tempo se
passou desde que o ser vivo faleceu.
Ao decair, o carbono-14 passa por um processo que o altera de qual forma?
A alternativa "C " está correta.
A radioatividade é o processo de alteração espontânea do núcleo. O carbono-14 altera seu
núcleo. Nesse caso em particular, a alteração se dá através da conversão de um nêutron em
um próton, transformando o carbono em nitrogênio e emitindo um pósitron.
2. A fissão de um átomo de plutônio-239 libera 3.318 × 10−11 J.
À qual variação em massa total essa energia corresponde?
A alternativa "A " está correta.
Utilizando a equação relativística E = mc2, obtemos m = 3,7×10-28 kg
MÓDULO 3
 Identificar o conceito de energia eólica e como explorá-la
MECÂNICA DOS FLUIDOS
A energia eólica se vale de turbinas movidas pelo vento para gerar eletricidade. A energia
cinética da massa de ar é convertida parcialmente em energia elétrica.
Podemos começar pensando em um certo volume V de ar com uma velocidade média v. Sua
energia cinética vale, então:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que ρ = 1,27kg/m3 é a densidade do ar seco a 20°C. Podemos calcular o volume V que
atravessa a turbina a cada intervalo de tempo Δt. Assuma que a turbina possui um raio R, ou
seja, que ela cobre uma área πR2. O volume que atravessa essa turbina é dado por um cilindro
cuja altura é vΔt e área da base πR2. Assim, obtemos:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Entretanto, veremos que é impossível aproveitar completamente a energia cinética do ar em
turbinas.
Ecin = mv2 = ρV v21
2
1
2
Ecin = ρπR2vΔtv21
2
FUNCIONAMENTO DINÂMICO DE TURBINAS EÓLICAS
De fato, se toda a energia cinética do ar fosse transferida para a turbina, a velocidade do ar iria
a zero, o que significaria que não haveria mais passagem de massas de ar.
Existe, portanto, uma diferença de velocidade do ar antes e depois da turbina que maximiza a
transferência de energia do ar para a turbina. Esse é chamado de critério de Betz.
Equacionando a eficiência de uma turbina eólica em termos de sua potência, obtemos:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Ou seja, a variação de energia cinética é uma fração η da energia cinética total , em
que η é a eficiência.
 ATENÇÃO
O critério de Betz estabelece que o valor máximo de η vale 16/27 = 0,59. Assim, o máximo
aproveitamento da energia do ar vale 59%.
As turbinas eólicas são competitivas economicamente com outras tecnologias como
hidrelétricas e termoelétricas, com um custo ligeiramente elevado comparado com a média.
Entretanto, a característica extremamente limpa e ecologicamente adequada desse modo de
geração de energia leva governos a estimular sua produção de energia através de subsídios e
taxação sobre o uso de combustíveis fósseis.
Pot = = η ρR2v3
ΔEcin
Δt
π
2
ρR2v3Δt
π
2
Fonte: Pexels
EXEMPLO
Vamos considerar uma turbina eólica tripla como mostra a figura acima.
Suponhamos que essa turbina possua 100m de altura, que as pás tenham 20m de
tamanho e que a velocidade do vento a essa altura seja de 85km/h constantes.
A densidade do ar nesta região é de 1,20kg/m³, por ser uma região de maior altitude e
possuir menor umidade nele.
Considerando que a energia gerada por essa turbina é de 150.000J a cada volta, e que a
sua eficiência é de 58,5%.
Vamos, então, a partir desses dados, determinar a massa de ar necessária para fazer com que
a turbina complete uma única volta.
Primeiramente, temos que afirmar que a energia cinética do vento que gira na turbina não é a
energia aproveitada pela turbina. Os 150.000J correspondem a 58,5% da energia cinética do
vento que atinge a turbina. Assim, para achar o valor total da energia cinética, temos que fazer
uma proporção da seguinte maneira:
A energia de 256.410,26J corresponde à energia cinética total da massa de ar (vento) que gira
a turbina, e neste caso, a faz dar uma única volta.
Outra consideração importante é realizar a conversão da velocidade de km/h para m/s para que
possamos trabalhar com as unidades no Sistema Internacional de Medidas, o S.I. Então,
dividindo 85km/h por 3,6, temos:
Agora, podemos utilizar a equação:
Com essa equação, vamos conseguir determinar o volume de ar que passa pela turbina.
Acompanhe:
Isolando V, temos:
Para determinar a massa, devemos fazer o produto entre a densidade e o volume de ar:
Agora que sabemos a massa de ar, a 85km/h, que faz a turbina dar uma única volta, podemos
determinar o tempo que leva para a turbina completar uma volta. Utilizando a equação:
Conhecemos todos os parâmetros, exceto o tempo, assim, vamos isolar o tempo, desta forma:
150.000 = 58, 5%
x = 100%
x = = 256.410, 26J
150.000 ⋅ 100%
58, 5%
v = = 23, 61m/s
85
3, 6
Ecin = ρV v2
1
2
Ecin = ρV v2
1
2
256.410, 26 = ⋅ 1, 20V (23, 61)2
1
2
V = = 766, 64m3256.410, 26 ⋅ 2
1, 20 ⋅ (23, 61)2
m = ρV
m = 1, 20 ⋅ 766, 64 = 919, 97kg
Ecin = ρπR2vΔtv2
1
2
ocorre em 0,03s, com uma velocidade angular de 209,31rad/s e com uma
frequência de 33,33Hz.
Outra informação importante que podemos retirar também com esses dados é a potência útil
dessa turbina. Como conhecemos a energia útil transformada em energia elétrica, e o tempo
que a turbina leva para completar uma única volta, temos:
Ou seja, a cada volta, a turbina gera 5.000.000 de watts de potência útil, ou seja, a cada volta,
a turbina gera 5 megawatts de energia elétrica.
Δt =
2Ecin
ρπR2v3
Δt =
2 ⋅ 256.410, 26
1, 20 ⋅ π ⋅ 202 ⋅ (23, 61)3
Δt = 0, 03s
f =
1
Δt
f = = 33, 33Hz
1
0, 03
ω = 2πf
ω = 2 ⋅ 3, 14 ⋅ 33, 33 = 209, 31rad/s
Pot = = = 5.000.000W
E
Δt
150.000
0, 03
RESOLUÇÃO DO EXERCÍCIO DA TURBINA
EÓLICA
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. IMAGINE QUE UMA TURBINA EÓLICA GERA 22KW DE ENERGIA ELÉTRICA,
OPERANDO MUITO PRÓXIMO AO LIMITE DE BETZ. ESSA TURBINA ESTÁ
INSTALADA NO FAROL DO CALCANHAR, NO RIO GRANDE DO NORTE, QUE
CONSISTENTEMENTE APRESENTA VENTOS DE 8M/S.
QUAL DEVE SER O COMPRIMENTO APROXIMADO DAS PÁS DESTA TURBINA?
A) 2m
B) 4m
C) 6m
D) 8m
2. A ENERGIA EÓLICA POSSUI UMA LIMITAÇÃO NA MÁXIMA EFICIÊNCIA
CAPTURADA PELO CRITÉRIO DE BETZ.
A QUE SE DEVE ESSA LIMITAÇÃO?
A) Ao fato de o vento ser, em geral, muito fraco.
B) Ao fato de que a velocidade do vento não pode ter toda sua energia cinética convertida em
elétrica, pois sua vazão iria a zero.
C) À baixa qualidade das turbinas eólicas, quando comparadas com turbinas de vapor-
eletricidade.
D) Ao fato de que não compreendemos bem o movimento de fluidos, que são descritos pela
complexa equação de Navier-Stokes.
GABARITO
1. Imagine que uma turbina eólica gera 22kW de energia elétrica, operando muito próximo ao
limite de Betz. Essa turbina está instalada no Farol do Calcanhar, no Rio Grande do Norte, que
consistentemente apresenta ventos de 8m/s.
Qual deve ser o comprimento aproximado das pás desta turbina?
A alternativa "C " está correta.
Utilizando a equação
encontramos R2 = 36,5, logo, a reposta que mais se aproxima é R = 6m.
2. A energia eólica possui uma limitação na máxima eficiência capturada pelo critério de Betz.
A que se deve essa limitação?
A alternativa "B " está correta.
A condição de Betz se refere ao fato de que a queda de velocidade do vento depois de passar
pela turbina representa quanta energia cinética foi passada para a turbina, mas também
representa uma redução na vazão. Existe um ponto ideal na queda de velocidade, que leva a
uma máxima eficiência de pouco menos de 60%.
MÓDULO 4
 Identificar o conceito de energia solar e como explorá-la
RADIAÇÃO SOLAR
O Sol emite radiação de alta potência sobre a Terra, chegando a 1000W/m2 na superfície
terrestre.
Essa quantidade de energia é suficiente para atender grande parte das necessidades da
sociedade moderna. Entretanto, aproveitar essa energia de forma eficiente é muito difícil.
Parte dos desafios em aproveitar a luz solar são de caráter prático.
Pot = η ρR2v3 = 0, 59 ⋅ ⋅ 1, 27 ⋅ 83 ⋅R2 = 22.000
π
2
π
2
Fonte: Freepik
Fonte: Pexels
Primeiramente, como a radiação solar só dura metade do dia, é necessário armazenar
eficientemente a energia para uso noturno.
Fonte: Freepik
Além disso, dependendo das condições meteorológicas, pode haver períodos prolongados de
pouca iluminação, tornando essa forma de energia inconstante.
Fonte: Pexels
Finalmente, há dificuldades práticas em instalar painéis solares que juntam poeira, reduzindo
sua eficácia, além de ocuparem grandes áreas.
Mas alguns desafios estão fundamentalmente ligados às características físicas da radiação
solar. O Sol gera radiação em seu núcleo, e tal radiação ricocheteia muitas vezes no plasma
que compõe o seu interior. Até chegar à borda do Sol, a radiação está em excelente equilíbrio
térmico com toda a estrela, significando que a luz emitida por ele possui características de um
corpo em equilíbrio térmico a certa temperatura, a que chamamos de corpo negro (o nome não
está associado à cor do Sol, e sim ao fato de que a luz ricocheteia muitas vezes no interior do
Sol antes de ser emitida).
Isso quer dizer que a intensidade da luz em diferentes comprimentos de onda segue uma forma
conhecida como Lei de Planck para a radiação de um corpo negro.
Essa forma de radiação somente pode ser explicada no contexto da Mecânica Quântica, e sua
característica é que, tanto para baixas frequências quanto para altas frequências, a potência
emitida por faixa de frequências é pequena, passando por um pico a frequências intermediárias
A posição exata do pico de emissão de um corpo negro é uma função da temperatura do corpo
dada no sistema internacional por:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que T = temperatura em Kelvin
Para a temperatura do corpo humano (T ≈ 300K), por exemplo, essa lei revela um pico na faixa
do infravermelho. Por essa razão, os óculos militares de visão noturna funcionam detectando
luz infravermelha – nosso corpo emite radiação nessa faixa.
vpico = 5, 879 ⋅ 1010T
Fonte:Shutterstock
 Intensidade da radiação de corpo negro para diversas temperaturas.
A temperatura da superfície do Sol é tal que essa radiação é mais fortemente detectada na
faixa da luz visível, com o pico ocorrendo para a luz verde. Entretanto, muito da radiação do Sol
se estende por toda a faixa visível e além, penetrando os espectros infravermelho (frequências
menores que o visível) e ultravioleta (frequências maiores que o visível) . Como veremos
adiante, fabricar materiais que absorvam eficientemente todo esse espectro é muito difícil.
ABSORÇÃO E UTILIZAÇÃO DE ENERGIA
TÉRMICA
Uma forma de se aproveitar a energia do Sol é utilizando-a para aquecer água diretamente. No
nosso cotidiano, utilizamos a radiação solar dessa forma – ao estendermos uma roupa para
secar, estamos utilizando a radiação solar para acelerar o processo de evaporação da água, por
exemplo.
Tal método se baseia na absorção da radiação por corpos. Ao incidir sobre um corpo, a
radiação pode ser absorvida ou refletida, dependendo das propriedades das moléculas que a
compõem.
A reflexão dos corpos é o que confere a eles sua cor.
Um material que não reflita nenhuma luz visível nos parece preto.
Fonte: Pexels
Corpos que refletem pouca luz em todas as faixas do espectro solar são ideais para reter o
calor do Sol – esse é o efeito que faz com que sintamos mais calor em um dia ensolarado ao
usarmos uma roupa preta.
A propriedade dos corpos de refletir luz é chamada de albedo.
ELETRICIDADE SOLAR-TÉRMICA
Podemos ir além e tentar utilizar essa energia térmica da radiação para gerar eletricidade.
Para atingir potências suficientes para que a água evapore e impulsione uma turbina, é
necessário concentrar os raios solares em uma pequena região.
Isso é feito através de gigantescos sistemas de espelhos e lentes. Portanto, essa tecnologia de
geração de energia é tipicamente relegada a grandes projetos, e não à produção em pequena
escala como no exemplo das células fotovoltaicas (que serão discutidas adiante).
Chamamos de energia solar concentrada esse método de geração de eletricidade.
Fonte: Freepik
 VOCÊ SABIA
No mundo, o líder em uso dessa tecnologia é a Espanha, que gera cerca de 2300MW de sua
energia utilizando energia solar concentrada desde 2013.
No total, a capacidade instalada dessa tecnologia no mundo inteiro não passou de 5500MW em
2020.
De certa forma, grandes projetos de conversão de energia térmica solar em elétrica estão em
sua infância, com significativos desafios à sua frente para que se tornem economicamente
competitivos.
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Células fotovoltaicas se baseiam na absorção da luz em semicondutores, efeito que gera
corrente elétrica (efeito fotoelétrico). Essa forma de conversão de energia é altamente eficiente,
mas sofre com a dificuldade em aproveitar todo o espectro solar.
Nos semicondutores, os elétrons estão fracamente ligados aos seus átomos. A energia
necessária para liberaresses elétrons para que possam participar da corrente elétrica é
chamada de banda proibida, ou mais comumente, no inglês gap. Isso quer dizer que a parte da
luz solar com energia menor que esse gap não é absorvida. Além disso, luz com energia muito
maior que o gap é menos eficientemente absorvida.
O grande desafio é desenvolver materiais que aproveitem bem o espectro solar sem custar
muito para serem produzidos. Quanto maior a área coberta por esses painéis solares, melhor a
produção de energia. As células fotovoltaicas mais economicamente viáveis ainda são as
baratas e relativamente ineficientes células de silício multicristalino.
Em 2018, já havia mais de 515 gigawatts de capacidade instalada em células fotovoltaicas ao
redor do mundo. Devido a incentivos governamentais e pesquisa, painéis solares tiveram seu
custo de instalação reduzido a um décimo de seu valor no período de uma década. Hoje, a
energia fotovoltaica já é a opção mais economicamente atraente em regiões de alta insolação
(próximo ao equador). A maior usina de produção de energia solar do mundo está na Índia, com
capacidade de gerar 2050MW de energia.
Talvez o maior atraente das células fotovoltaicas seja a independência da rede, em locais com
infraestrutura limitada, edificações temporárias e aplicações avançadas, como em satélites.
O maior dificultador do uso de painéis solares é o fato de que a energia precisa ser armazenada
para uso noturno, o que cria a necessidade de uso de baterias caras e que produzem lixo de
difícil manuseio.
Fonte: Freepik
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. O APROVEITAMENTO DA ENERGIA TÉRMICA DEVIDA À RADIAÇÃO SOLAR
SE VALE EM GERAL DE CONJUNTOS DE ESPELHOS E LENTES.
QUAL É A FUNÇÃO DE TAL SISTEMA DE ESPELHOS E LENTES?
A) Desviar a luz do sol, de maneira que apenas o calor chegue à água e não à luz.
B) Armazenar a luz para que possa ser usada para gerar energia à noite.
C) Garantir que a luz do sol não escape e possa ferir algum animal ou pessoa.
D) Concentrar os raios solares em uma pequena região e aquecer a água suficientemente para
acionar turbinas.
2. AS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS SÃO MUITO ATRAENTES DO PONTO DE
VISTA ECONÔMICO, MAS POSSUEM UMA LIMITAÇÃO NA SUA CAPACIDADE
DE APROVEITAR TODA A ENERGIA DA RADIAÇÃO SOLAR.
A QUE SE DEVE ESSA LIMITAÇÃO?
A) Ao fato de que apenas a parte mais energética da luz é capaz de superar a energia mínima
para liberar elétrons condutivos.
B) Ao fato de que os semicondutores costumam ter cores vibrantes, o que significa que eles
refletem certas cores mais energéticas.
C) Ao fato de que elétrons têm pouca massa, e na verdade o núcleo é a parte mais útil do
átomo para gerar energia.
D) Ao fato de que o Sol só produz luz verde. Nem todo semicondutor é capaz de absorver essa
cor particular.
GABARITO
1. O aproveitamento da energia térmica devida à radiação solar se vale em geral de conjuntos
de espelhos e lentes.
Qual é a função de tal sistema de espelhos e lentes?
A alternativa "D " está correta.
A potência do Sol precisa ser concentrada em uma pequena região para poder vaporizar a
água. Tal método é chamado de energia solar concentrada.
2. As células fotovoltaicas são muito atraentes do ponto de vista econômico, mas possuem
uma limitação na sua capacidade de aproveitar toda a energia da radiação solar.
A que se deve essa limitação?
A alternativa "A " está correta.
A luz precisa ter energia superior ao gap do semicondutor para que possa começar a induzir
correntes.
CONCLUSÃO
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física, Volume 1. Rio de
Janeiro: LTC, 2014.
HEWITT, Paul G. Física Conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2011.
OKUNO, Emiko; CALDAS, Imberê L.; CHOW, Cecil. Física para Ciências Biológicas e Biomédicas.
São Paulo: Harper & Row do Brasil, 1982.
SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Física para cientistas e engenheiros ‒ Volume 4: Luz,
Óptica e Física Moderna. Boston: Cengage Learning, 2019.
SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Princípios de Física. v. 2. Boston: Cengage Learning,
2004.
TELLES, Dirceu D'Alkmin. Física com Aplicação Tecnológica: Mecânica. São Paulo: Blucher,
2011.
TIPLER, Paul A. Física para Engenheiros. v. 2. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física I: Mecânica. São Paulo: Pearson Education do
Brasil, 2016.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, pesquise na internet sobre
Energia nuclear
CONTEUDISTA
Andre Luiz Saraiva de Oliveira
 CURRÍCULO LATTES
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