Introducao ao Estudo Conversao de Energia 2015

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ENG / Engenharia Elétrica 
 
ENG 3511 - Conversão de Energia 
 
 
 
 
Introdução ao Estudo 
de Conversão de Energia 
 
"Notas de Aula – versão 2015" 
 
 
 
 
 
 
"Conhecimento algum pode ser alcançado sem ser buscado, nem a 
tranquilidade sem que se preocupe por ela, nem a felicidade senão através 
de tribulações. Todo investigador, em um momento ou outro, tem de 
sofrer um conflito entre deveres, uma conversão de coração." 
Mahatma Gandhi. 
(Do livro: "Bhagavad-Gita Segundo Gandhi") 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Carlos Medeiros 
https://sites.google.com/site/cx3medeiros 
 
1 
 
 
 
(“O segredo da fabricação das lâmpadas incandescentes agora foi revelado!”) 
 
 
O que é energia? 
 
 
 
O que é conversão de energia? 
 
 
 
Para que serve a energia? 
 
 
 
Como interage com o meio ambiente? 
 
 
 
Alguma relação com o desenvolvimento humano? 
 
 
 
O que significam energia e potência elétrica? 
 
 
 
O que é conversão eletromecânica de energia? 
 
 
 
 
 
Estas e outras questões serão discutidas na sequência... 
 
2 
 
Introdução ao Estudo de Conversão de Energia 
Conteúdo 
1) O que é Energia? ........................................................................................................................................... 3 
2) Conversão de Energia .................................................................................................................................... 3 
3) Fontes de Energia .......................................................................................................................................... 4 
4) Eficiência Energética ...................................................................................................................................... 5 
5) Algumas Unidades de Energia ....................................................................................................................... 6 
6) Noções de Conversão Eletromecânica de Energia ........................................................................................ 9 
7) Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento Humano ............................................................................... 11 
Exercícios ......................................................................................................................................................... 15 
Questões e exercícios gerais ................................................................................................................. 15 
Questões e exercícios para pesquisar ................................................................................................... 15 
Bibliografia ....................................................................................................................................................... 16 
 
 
3 
 
1) O que é Energia? 
 
Ver vídeo: 01)Energia.mp4 
 
 Noção intuitiva... movimento, esforço físico, calor, etc., (relacionamos a idéia de energia até com nosso 
estado de ânimo). 
 
Duas características fundamentais: 
 
Se manifesta de muitas formas (quais?). 
 
É convertível de uma forma para outra. 
 
Uma definição formal (da física): 
 
“capacidade que um corpo, uma substância ou um sistema físico têm de realizar trabalho” 
 
Etimologia: 
 gr. enérgeia,as 'força em ação', através do lat. energía,ae 'id.' e prov. difundido pelo fr. énergie 'id.' 
 
2) Conversão de Energia 
 
 
 
Portanto: 
 
 >>> o movimento da água de um rio (energia hidráulica); 
 >>> o vento (energia eólica); 
 >>> o calor da brasa de uma madeira (energia de biomassa); 
 >>> a luz do Sol (energia radiante). 
 
 SÃO QUATRO EXEMPLOS DE MANIFESTAÇÕES 
 DA ENERGIA SOLAR NA NATUREZA. 
 
Exemplos de formas ou tipos de energia, ver vídeo: 02)Tipos de Energia.mp4, 
Disponível em: http://youtu.be/wX9d9p9eb7c 
4 
 
3) Fontes de Energia 
 
 
Conversão: 
 >> na geração 
 >> na transmissão/transporte 
 >> no uso ou “consumo”. 
 
 Fontes gerais de energia e suas conversões: 
 
 
 
CONVERTER significa: transformar ou transformar-se, mudar. 
5 
 
 Leis das Conversões Energéticas: quaisquer que sejam os sistemas considerados e as formas de energia, 
todos os processos de conversão energética são regidos por duas leis físicas fundamentais. 
 
  Primeira Lei da Termodinâmica: a 
matéria e a energia podem ser transformadas de 
uma forma em outra, mas não podem ser criadas 
ou destruídas. 
  Segunda Lei da Termodinâmica: em todos 
os processos reais de conversão energética sempre 
existe uma parcela de energia térmica como 
produto, tendo-se portanto: 
 
 
 
rendimentos sempre inferiores a 100%: 
 parte da energia transforma-se em uma forma mais dispersa e menos útil 
do ponto de vista do ser humano. Por exemplo, as "perdas" que geram calor para o ambiente. 
 
 
Este entendimento é sumamente importante para o engenheiro, pois mostra a impossibilidade 
do chamado moto perpétuo, ou seja, de realizar trabalho sem "degradar" a energia. 
 
 
4) Eficiência Energética 
 
 A eficiência (ou rendimento) pode ser expressa por: 
 
EntradadeEnergia
ÚtilEnergia

 
 
 O exemplo abaixo calcula a eficiência do sistema, porém, expressando as grandezas em termos de 
potência ao invés de energia. 
 
 
 
6 
 
5) Algumas Unidades de Energia 
 Por razões históricas há muitas unidades de energia. As unidades são importantes em todo o 
estudo da ciência, visto que não é suficiente se ter uma ideia qualitativa e intuitiva das coisas e dos 
fenômenos naturais. EM CIÊNCIA É PRECISO MEDI-LOS, ISTO É, ASSOCIAR UM NÚMERO E UMA UNIDADE A 
UM CONCEITO. 
 
JOULE (J) 
 No Sistema Internacional de Unidades (SI) todo trabalho ou energia são medidos em joules. Ou 
seja, o SI reconhece o joule como a unidade padrão para a energia. 
 Um joule compreende a quantidade de energia necessária para aplicar a força de um newton 
atuando sobre a distância de um metro. Trata-se de uma unidade apropriada para medir o trabalho 
mecânico. 
 
2
2
2
1111
s
m
kgJ
s
m
mkgJ 
 
CALORIA (cal) 
 Para medidas de energia sob a forma de calor. Uma unidade muito usada pelos químicos, a caloria, 
é definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 g de água pura de 
14,5C a 15,5C. 
 A conversão de caloria em joule é: 
1 cal = 4,1868 J. 
 
 Além da questão numérica, essa equação traduz uma realidade física: a possibilidade conversão de 
calor e trabalho, isto é, duas formas distintas da mesma grandeza física: energia. Isso mostra porque as 
unidades usadas para medir uma ou outra forma de energia têm de estar relacionadas. 
 
UNIDADE TÉRMICA BRITÂNICA (BTU) 
 BTU ou Btu é uma sigla para British Thermal Unit (Unidade Térmica Britânica). É uma unidade de 
medida não-métrica (não pertencente ao SI) utilizada principalmente nos Estados Unidos, mas também 
utilizada no Reino Unido. É uma unidade de energia que é equivalente a: 252,2 cal ou 1055,05585 J. A 
quantidade de 1 Btu é definida como a quantidade de energia necessária para se elevar a temperatura de 
uma massa de uma libra de água de 59,5F a 60,5F, sob pressão constante de 1 atmosfera. 
 
TONELADA EQUIVALENTE DE PETRÓLEO (tep) 
 A tonelada equivalente de petróleo (tep) é uma unidade de energia definida como o calor liberado 
na combustão de uma tonelada de petróleo cru, aproximadamente 42 gigajoules. Como o valor calórico do 
petróleo cru depende de sua exata composição química, que admite bastante variação, o valor exato da tep 
deve ser definido por convenção. 
 O tep costuma ser usado para expressar grandes quantidades de energia: é mais intuitivo aquilatar 
a energia liberada em mil toneladas de petróleo do que a ordemde grandeza de 42 bilhões de joules 
(41,9x109 J), cuja significação é um tanto abstrata. 
 É ainda importante considerar que "tonelada equivalente de petróleo" é a unidade primordial de 
energia para apresentação dos balanços energéticos nacionais, como o Balanço Energético Nacional 
Brasileiro – BEN (edição anual – ver https://ben.epe.gov.br/default.aspx), bem como do balanço energético 
consolidado planetário. Essa escolha se dá pelo fato de ser ainda o petróleo o energético mais importante 
na composição das matrizes energéticas da atualidade, fato consequente e derivado de toda uma dinâmica 
econômico-política subjacente à cultura mundial do petróleo na atualidade. 
 
7 
 
QUILOWATT HORA (kWh): 
 Pode ser dito que um joule é o trabalho produzido com a potência elétrica de um watt durante 
um segundo, ou seja: 
  um joule é igual a um wattsegundo: 1 J = Ws; 
  um watthora: 1 Wh = 3600 J; 
  um quilowatthora: 1 kWh = 3.600.000 joules ou 3,6 MJ. 
 
 
Leia o texto a seguir, que explica esta equivalência do 
ponto de vista de cargas elétricas em movimento. 
 
 
 Uma maneira de visualizar o fluxo de energia elétrica de uma fonte para um consumidor e 
entender as relações entre tensão, corrente, potência e energia, talvez a mais simples, é baseada no fluxo 
de cargas elétricas representado na figura abaixo. 
 
 
 
 Nesta figura tem-se um condutor cilíndrico com uma área de seção transversal A, comprimento l, 
com uma carga total q devida a partículas eletricamente carregadas distribuídas uniformemente por seu 
volume. Veja também a corrente i no circuito. A densidade carga volumétrica, em coulombs/metro cúbico, 
é: 
A
q
v 
 C/m3 (1.1) 
 
 Quando uma tensão v é aplicada nas extremidades do cilindro, um campo elétrico E uniforme é 
criado em seu interior. O vetor deste campo é orientado paralelamente com o condutor, como mostra a 
figura. Seu módulo é dado por: 

v
E 
 V/m (1.2) 
 
 A interação entre o campo E, e as partículas carregadas, causa o movimento destas ao longo do 
condutor. A força (em newtons) desenvolvida sobre uma fatia de espessura dx é dF = Edq. E a força aplicada 
sobre toda a carga q no cilindro é: 
vAEAqEF vv   
 N (1.3) 
 
 Estando em regime permanente, a fonte de tensão irá "bombear" continuamente um fluxo de 
carga constante no percurso ou circuito fechado. Esta abordagem leva diretamente a uma noção de 
trabalho ou energia, isto é, mover a carga q por uma distância elementar dx, em consequência da aplicação 
da força F, equivale a realizar o trabalho elementar (em joules) dado por: 
 
vdxAFdxdw v
 J (1.4) 
8 
 
 Pode-se assumir que as partículas de carga se movem com uma velocidade média de arrastamento 
(ou velocidade de deriva - drift velocity), u = dx/dt, proporcional à magnitude do campo elétrico, então: 
 
KEu 
 m/s (1.5) 
onde: a constante K é conhecida como mobilidade das partículas, m2/Vs. 
 
 O trabalho elementar dw é proporcional à velocidade de arrastamento u, o que se torna evidente 
reescrevendo a expressão (1.4) como: 
vudtAdt
dt
dx
vAdw vv  






 (1.6) 
 
 A velocidade de deriva u também está "embutida" na expressão da corrente elétrica, i, isto é: 
 
Au
dt
Adx
dt
dq
i v
v  
 A (1.7) 
 
 Substituindo (1.7) em (1.6), obtém-se: 
 
vidtdw
 (1.8) 
 
 Em um intervalo de tempo t = t2 – t1 a fonte de tensão fornecerá a energia total: 
 

2
1
t
t
vidtw
 J ou Ws (1.9) 
 
 Por definição, a taxa no tempo ou velocidade com que a energia é dissipada é a potência em 
determinado instante, neste caso potência elétrica: 
vi
dt
dw
p 
 W (1.10) 
 
 De (1.7) e (1.5), tem-se uma dedução da lei de Ohm: 
 
R
v
E
AK
AKEi vv  

 (1.11) 
 
sendo R a resistência do condutor de comprimento l, área de seção transversal A, e k = vK, é a 
condutividade específica do meio em (m)-1: 
kA
R


  (1.12) 
 
 Finalmente, com (1.10) e (1.11) obtém-se a conhecida expressão da potência elétrica (dissipada, 
efeito Joule): 
2
2
Ri
R
v
viP 
 W (1.13) 
 
 Note também que dw = pdt. Portanto, repetindo: pode ser dito que um joule é o trabalho 
produzido com a potência elétrica de um watt durante um segundo, ou seja: 
  um joule é igual a um wattsegundo: 1 J = Ws 
  um watthora: 1 Wh = 3600 J. 
  um quilowatthora: 1 kWh = 3.600.000 joules ou 3,6 MJ. 
9 
 
Exemplo: considere uma bateria sendo carregada como mostrado. Sendo a corrente i = 15 A e a tensão 
aplicada em seus terminais v = 12,5 V, 
 
Bateria
Sistema de
recarga
+ +- -
I = 15 A
I = 15 A
v = 12,5 V
 
 
pergunta-se: 
 
 (a) qual é a potência elétrica entregue à bateria. 
 (b) qual é a energia, em joules, cedida à bateria em duas horas de carregamento. 
 (c) expresse essa energia em Wh. 
 (d) expresse essa energia em kWh. 
Solução: 
(a) p = vi = 12,515 = 187,5 W. 
(b) Duas horas t1 = 0 e t2 = 2(60x60) = 7200 s. Energia:

2
1
t
t
vidtw
=

7200
0
5,187 dt
 = 187,5x7200 = 1.350.000 J. 
(c) Expressando em Wh = 1.350.000/3600 = 375 Wh. 
(d) Expressando em kWh = 375/1000 = 0,375 kWh. 
 
Uma explicação mais adequada para a potência e o fluxo de energia é baseada no vetor de Poynting, 
estudada na teoria eletromagnética. Entretanto, não será considerada neste texto introdutório, o qual 
buscou, de forma simples, evidenciar a potência e a energia elétrica, com base no movimento de 
partículas carregadas. 
 
6) Noções de Conversão Eletromecânica de Energia 
 
 
 
PORTANTO, de forma mais geral um TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO pode ser resumido em três partes: 
 elétrica; 
 eletromecânica; 
 mecânica. 
10 
 
 
 
Exemplo: equações gerais de um conversor eletromecânico: 
 
Onde: B = indução magnética; l = comprimento do condutor; u = velocidade de translação 
r = raio de rotação;  = velocidade angular. 
 
 
 "Perdas" no circuito elétrico, "perdas" nas partes mecânicas, "perdas" no circuito magnético. 
 
11 
 
7) Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento Humano 
 
 Não existe energia “puramente limpa”. Em maior ou menor grau todas as fontes de energia 
provocam danos ao meio ambiente: 
 na exploração; 
 durante a conversão (ou produção); 
 na destinação final de resíduos. 
 
 
 As transformações energéticas (na produção, transporte e/ou transmissão e no "consumo") são 
as atividades humanas que trazem mais impactos ao meio ambiente em escala global. 
 
 Embora ainda haja controvérsias, atribui-se, às atividades antropogênicas, as alterações 
climáticas que estamos atualmente sofrendo em nosso planeta "Mãe Terra", notadamente o 
denominado EFEITO ESTUFA. 
 
 
Crescimento exponencial da POPULAÇÃO – "Curva J": 
 
 
 
Atualmente, quantos bilhões já somos? 
 
* PROBLEMA (PARA NÓS RESOLVERMOS): 
 >> Maior demanda por recursos naturais: energia e matéria. 
 >> Maior "consumo" por habitante. 
 
 
12 
 
* Mais gente, mais lixo: 
 
 
 
 ... 
... e agora atualmente: aproximadamente 7 bilhões. 
 
 
 
 Tudo isso intensifica o uso dos recursos naturais conduzindo a: 
13 
 
  mais extração de matéria; e 
  mais transformações energéticas. 
 
 Por exemplo, note a figura abaixo, uma vista aérea de extração de bauxita na Amazônia: 
 
 
A bauxita é uma rocha, a 
principal fonte de alumínio e 
matéria-prima para a 
fabricação de sulfato de 
alumínio, cimento aluminoso e 
refratários aluminosos. 
Por outro lado, de forma muito positiva, o 
Brasil é o "campeão" mundial na reciclagem 
de latinhas de alumínio! 
 
 
* Energia e Reciclagem 
 
 
Os quatro Rs para amenizar o problema dos resíduos:1. Reduzir o "consumo"; 
 
 2. Reutilizar a matéria ao invés de descartá-la; 
 
 3. Reciclar o que não foi possível reutilizar; 
 
 4. Repensar e melhorar esses procedimentos. 
 
 
BENEFÍCIOS: 
 Conservação dos recursos naturais: matéria prima e energia. 
 Portanto: preserva o meio ambiente existente e ainda gera menos poluição. 
 Aumenta a vida útil de aterros sanitários. 
 Reutilização artesanal gera emprego, renda e inclusão social. Idem para a reciclagem industrial. 
 O que mais? 
14 
 
* Energia e desenvolvimento humano 
 
 Dentre vários aspectos que podem ser explorados sobre esse tema, tem-se, a seguir, uma 
abordagem resumida mostrando a importância da energia no desenvolvimento humano, na qual são 
mostrados quatro indicadores sociais para diversos países. Esses indicadores, em função do "consumo" de 
energia comercial per capita são: 
  expectativa de vida (em anos); 
  mortalidade infantil (mortes por mil nascimentos); 
  taxa de analfabetismo (em percentual da população adulta); 
  taxa de fertilidade total. 
 
 
 O Brasil, com 1,3 TEP por habitante, encontra-se em posição razoável no cenário internacional. No 
entanto, o "consumo" de energia tem crescido 4,6% por ano desde 1970 – duplicando a cada 15 anos – 
acompanhando de perto o crescimento do produto interno bruto (PIB). No período de 1970 a 1996 o 
"consumo" de energia triplicou. 
 
 Como sugestão para aprofundar nesses estudos: Vol.12 no.33 São Paulo May/Aug. 1998, DOSSIÊ 
RECURSOS NATURAIS, Energia e desenvolvimento, José Goldemberg, no link: 
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-40141998000200002#fig1, acessado em 20/02/2012. 
 
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Exercícios 
Questões e exercícios gerais 
 
(01) Como você pode relacionar energia e sua conversão? 
(02) Que formas de energia você conhece que podem ser transformadas em energia elétrica? 
(03) Exercício: um chuveiro utiliza em 220 V uma corrente de 20 A. Considere o tempo recomendado de até 
8 minutos de banho e que uma pessoa tome um banho por dia. (a) Nestas condições qual é o consumo 
mensal de uma família de 4 pessoas, em kWh? (b) Repita considerando 30 minutos por banho. 
(04) (a) No sistema abaixo, demonstre que a eficiência global, , pode ser calculada a partir do produto das 
eficiências parciais dos k elementos, isto é, prove que:  = 1*2*3*...*k. Sendo: 
 Ei = entrada de energia no elemento i; 
 Pi = "perda" na conversão no elemento i; 
 Si = saída de energia do elemento i. E1
P1 P2
Pk
S1 S2 Sk-1
Sk
Elemento 1 Elemento 2 Elemento k. . .
 
 (b) Elabore um exemplo numérico que utilize a dedução da letra (a). 
 
(05) O que é conversão eletromecânica de energia? Indique de forma esquemática e exemplifique em 
termos práticos: (a) a conversão eletromecânica de energia no modo motor; (b) a conversão 
eletromecânica no modo gerador. 
(06) Qual é a potência elétrica de entrada em kW, de um motor elétrico trifásico com potência mecânica de 
15 hp e rendimento  = 94% ? Nesta situação, quantos kW de potência são perdidos? Elabore um gráfico 
mostrando a perda de potência quando o rendimento desse motor varia de 0,65 a 0,99. 
(07) Cite diversos benefícios advindos da aplicação prática da filosofia do 4Rs. 
(08) Relacione: energia, 4Rs, meio ambiente e desenvolvimento humano, usando exatamente as cinco 
linhas disponíveis: 
_______________________________________________________________________________________ 
_______________________________________________________________________________________ 
_______________________________________________________________________________________ 
_______________________________________________________________________________________ 
______________________________________________________________________________________. 
(09) Estamos na "era da eletricidade": comente sobre a importância dessa forma de energia no presente e 
para o futuro. 
 
Questões e exercícios para pesquisar 
 
(10) Qual a diferença entre energia e potência? Exemplifique. 
(11) Do ponto de vista da matriz energética brasileira, classifique as fontes abaixo em: renovável, 
alternativa e "limpa" (quer dizer menos poluente e menos impactante). Sugestão: elabore uma tabela. 
  Eólica.  Hidroenergia - grandes hidrelétricas. 
  Solar fotovoltaica.  Gás natural. 
  Carvão.  Biomassa vegetal em geral. 
  Marés.  Óleo Diesel. 
  Solar para aquecimento.  Gasolina. 
  Biogás do lixo.  Etanol. 
  Hidroenergia – PCHs.  Nuclear. 
  Gás hidrogênio.  Etc. 
 
16 
 
Bibliografia 
 
BRAGA, B., e outros, Introdução à Engenharia Ambiental – O Desafio do Desenvolvimento Sustentável, 
Pearson/Prentice Hall, 2a Edição, São Paulo, 2005. 
 
DICIONÁRIO HOUAISS DA LÍNGUA PORTUGUESA, versão de junho de 2009. 
 
FALCONE, A. G., Eletromecânica, Volume 1, 6ª reimpressão, Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 2009. 
 
MATTOS, N. S., GRANATO, S. F., Lixo – Problema Nosso de cada Dia – Cidadania, reciclagem e uso 
sustentável, Editora Saraiva, São Paulo, 2006. 
 
SILVA, C. G., De Sol a Sol – Energia no Século XXI, Oficina de Textos, São Paulo, 2010. 
 
Vários Autores: Conservação de Energia – Eficiência Energética de Instalações e Equipamentos, Editora da 
EFEI, 2a Ed., Itajubá-MG, 2001. 
 
EMANUEL, A. E., Power Definitions and Physical Mechanism of Power Flow, IEEE Press/Wiley, USA, 2010. 
 
JOHNSON D. E., HILBURN, J. L., JOHNSON, J. R., Fundamentos de Análise de Circuitos Elétricos, 4ª edição, 
Prentice Hall do Brasil, Rio de Janeiro, 1994. 
 
Sites diversos sobre unidades de energia: 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Joule (acessado em agosto 2013). 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Caloria (em agosto 2013). 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/BTU (em agosto 2013). 
 http://pt.wikipedia.org/wiki/Tonelada_equivalente_de_petr%C3%B3leo (em agosto 2013).