Introdução a Conversão de Energia - slides

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Engenharia 
Elétrica 
ENG 3511 
Conversão de Energia 
2015 
https://sites.google.com/site/cx3medeiros 
Introdução à 
Conversão de 
Energia 
•Energia, tipos, conversão e fontes. 
 
•Eficiência energética. 
 
•Algumas unidades de energia. 
 
•Noções de conversão eletromecânica. 
 
•Energia, meio ambiente e 
desenvolvimento humano. 
Tópicos principais 
Vídeo: 01)Energia.mp4 
O que é energia? 
Clique 
Noção intuitiva: 
Duas características fundamentais: 
 Se manifesta de muitas formas, quais? 
 É convertível de uma forma para outra. 
Movimento, esforço físico, calor, etc., 
 (até nosso estado de ânimo). 
O que é energia? 
A B 
Definição formal da física: 
Etimologia: 
gr. enérgeia,as 'força em ação', através do lat. 
energía,ae 'id.' e prov. difundido pelo fr. énergie 'id.' 
 
“capacidade que um corpo, uma substância ou um 
sistema físico têm de realizar trabalho” 
O que é energia? 
Conversão e fontes 
O Sol é nossa principal fonte de 
energia: 
-diretamente pela luz e calor; 
- indiretamente pois propicia a 
fotossíntese, a chuva, os ventos; 
- até os combustíveis fósseis são 
energia solar transformada em 
energia química. 
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 EXEMPLOS DE 
MANIFESTAÇÕES COM ORIGEM 
SOLAR 
 
Conversão e fontes 
Exemplos de formas ou tipos de 
energia: Vídeo: 02)Tipos de Energia.mp4 
Arquivo em: http://youtu.be/wX9d9p9eb7c 
Conversão e fontes 
Conversão p/ 
(uso): 
•Aquecimento 
•Refrigeração 
•Transporte 
•Iluminação 
•Comunicação 
•Proc. Dados 
Primárias 
•Renováveis 
•Não renováveis 
Convertidas em 
outras formas 
•Elétrica 
•Química 
•Térmica 
•Mecânica 
Conversão: 
na “geração”, transmissão e no 
“consumo” 
Conversão e fontes 
Fontes 
Gerais 
de Energia 
e suas 
conversões 
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. 
CONVERTER: 
transformar ou transformar-se, mudar. 
Conversão e fontes 
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: 
Fundamental para o engenheiro, pois mostra a 
impossibilidade do chamado moto perpétuo, ou seja, 
de realizar trabalho sem “degradar” a energia. 
rendimentos são sempre inferiores a 100%, parte da 
energia transforma-se em uma forma mais dispersa e 
menos útil, em geral em calor para o ambiente. 
Portanto, na conversão: 
Conversão e fontes 
Diagrama de Sankey: 
Q E 
c c 
L 
Exercício: 
Diagrama de Sankey: um de diagrama de fluxo, em que a largura das setas é proporcional à quantidade de 
fluxo. Tipicamente usado ​​para visualizar transferências entre processos, de energia, material ou custo. 
Ex.: diagrama de conversão geral de hidrelétrica 
(sankey) 
Eentrada
Esaída

Eficiência (ou rendimento): 
Eficiência energética 
Exemplo 
Entrada 
Uso final: carga 
mecânica 
Transformações Energéticas 
100 kW 
7,5 kW 
87 kW 
5,5 kW 
(1) 
Transfor. 
e 
Cabos 
(2) 
Motor 
Diagrama de Sankey 
87,0
100
87

Eficiência do sistema: 87% 
Exercício: calcule a eficiência de (1), (2) e total do sistema. 
925,0
100
5,92
1  941,0
5,92
87
2 
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 apenas 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. 
Libra (massa): em muitos países que usam o SI, ou um sistema métrico, a libra (ou as suas 
traduções: Pfund, no alemão; Livre, no francês; ou Pond, no holandês) é usada como um termo 
não-oficial para a metade de um quilograma; e então, nesses casos, a libra é de 500 gramas. 
O grau fahrenheit (símbolo: °F) é uma escala de temperatura proposta por Daniel Gabriel 
Fahrenheit em 1724. Nesta escala o ponto de fusão da água é de 32 °F e o ponto de ebulição de 
212 °F. °F = °C × 1,8 + 32. °C = (°F - 32)/1,8. 
OBS.: exemplo de aparelho de ar condicionado: 
Capacidade Térmica e Potência Elétrica 
Grandezas para projetos de instalações elétricas. 
Potência aparente (VA), 
usada para o cálculo da 
demanda em projetos de 
instalações elétricas. 
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: 1 tep é aproximadamente 42 gigajoules. 
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. 
 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 ordem de grandeza de 42 bilhões de joules 
(41,9x109 J), cuja significação é um tanto abstrata. 
 É ainda importante considerar que o tep é a unidade primordial para 
apresentação dos balanços energéticos nacionais, como o Balanço 
Energético Nacional Brasileiro – BEN, bem como do balanço energético 
consolidado planetário. Balanço Energético Nacional 2014: 
https://ben.epe.gov.br/default.aspx 
Arquivo PDF: 
 
 
Síntese do Relatório Final_2014_Web 
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. 
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. 
Noções de Conversão 
Eletromecânica de 
Energia 
Dispositivos conversores eletromecânicos de energia 
• Convertem energia elétrica e mecânica e vice-versa. 
• Exemplos... 
Energia 
elétrica 
Energia 
Mecânica 
Como? 
Por meio de um elo entre a energia elétrica e mecânica. 
Esse elo é a energia do campo elétrico ou magnético 
Energia 
elétrica 
Energia 
Mecânica 
Energia do 
campo 
Ação motora 
Ação geradora 
de forma mais geral um TRANSDUTOR ELETROMECÂNICO pode ser 
resumido em três partes: 
• elétrica; 
• eletromecânica; 
• mecânica. 
Portanto, 
Exemplo: equações gerais de um conversor 
eletromecânico 



n
i
iiele dtivdE
1



n
i
mec dtTdE
1

Onde: 
B = indução magnética 
l = comprimento do condutor 
u = velocidade de translação 
r = raio de rotação 
 = velocidade angular. 
BlirT 
Blufem 
BliF 
Exemplo: 
Motor, 
mostrando 
também as 
perdas. 
Elétrico Magnético Mecânico 
Rede 
elétrica 
Perdas mecânicas 
Perdas elétricas “Ri2” 
e perdas magnéticas 
Energia 
elétrica 
Energia 
Mecânica 
Energia do 
campo 
•Na exploração. 
•Durante a conversão (produção). 
Energia, meio ambiente e 
desenvolvimento humano 
•Na destinação final de resíduos. 
Não existe energia “puramente limpa”. Em maior ou 
menor grau todas as fontes de energia provocam 
danos ao meio ambiente: 
As transformações energéticas (produção e o consumo) 
são as atividades humanas que trazem mais impactos ao 
meio ambiente em escala global. 
O problema de maior importância causado pelo uso de 
energia é o efeito estufa… 
Crescimento exponencial da POPULAÇÃO 
Curva “J” 
•Maior demanda 
por recursos 
naturais. 
•Maior consumo por 
habitante. 
População 
Recursos 
Naturais 
Poluição 
Mais gente mais lixo 
25 toneladas de lixo: 
do nascimento à� morte, essa é 
a quantidade estimada de 
detritos que cada brasileiro vai 
produzir. 
http://veja.abril.com.br/170399/p_060.html, acessado em 18/02/2015. 
http://www.lixo.com.br/content/view/201/146/, acessado em 18/02/2015. 
Poluição 
Ar 
Água 
Solo 
Na Serra de Carajás, no Pará, em meio a 400 mil 
hectares de mata virgem, a mineradora Vale explora, 
desde 1985, as ricas jazidas de minério de ferro da 
região. 
http://www.bbc.co.uk/portuguese/videos_e_fotos/2012/06/120620_carajas_valeeste_ebc.shtml, acessado em 18/02/2015. 
No ano passado (2011), foram extraídos quase 110 
milhões de toneladas, quase tudo para atender ao 
crescimento da China e outros países asiáticos... 
http://www.bbc.co.uk/portuguese/videos_e_fotos/2012/06/120620_carajas_valeeste_ebc.shtml, acessado em 18/02/2015. 
https://transamazonia.wordpress.com/2012/12/11/vale-massacra-a-cultura-em-carajas/, acessado em 18/02/2014. 
Na Serra de Carajás, no Pará, em meio a 400 mil hectares de mata virgem, a 
mineradora Vale explora, desde 1985, as ricas jazidas de minério de ferro da região. 
No ano passado (2011), foram extraídos quase 110 milhões de toneladas, quase tudo 
para atender ao crescimento da China e outros países asiáticos... 
Ao mesmo tempo, nos últimos anos, milhares de cavernas foram descobertas na 
região, segundo pesquisadores, exemplares raros e pouco conhecidos pela ciência. 
Em uma delas, foram encontrados vestígios de ocupações nômades de mais de 9 mil 
anos, uma descoberta que ajudou os arqueólogos a montarem o quebra-cabeça da 
pré-história da região. 
O problema é que essas cavernas se encontram em áreas riquíssimas em ferro, e 
dentro dos planos de expansão da empresa. 
"As cavernas bloqueiam o avanço da mineração, tanto que até a legislação já foi 
mudada. Antes, qualquer caverna era protegida, agora, é preciso estabelecer a 
relevância, de acordo com mais de 20 critérios", afirmou à BBC Brasil o chefe da 
Floresta Nacional de Carajás, Frederico Drumond Martins, do Instituto Chico Mendes 
de Conservação da Biodiversidade (ICMBio). 
Repletas de espécies pouco estudadas e milhares de morcegos, de diversas espécies, 
as cavernas de minério de ferro são também um enorme atrativo para pesquisadores. 
"Em congressos no exterior, nossos colegas ficam perplexos. Existe pouca literatura 
acadêmica sobre este tipo de formação", afirmou a espeleóloga Maria de Jesus 
Almeida, da Fundação Casa da Cultura de Marabá. 
http://www.bbc.co.uk/portuguese/videos_e_fotos/2012/06/120620_carajas_valeeste_ebc.shtml, acessado em 18/02/2015. 
Vista aérea de extração de bauxita no 
meio da Amazônia. 
Extração de recursos 
naturais e poluição 
http://ciencia.hsw.uol.com.br/aluminio2.htm, acessado em 18/02/2015. 
Por outro lado, de forma muito positiva, o 
Brasil é o "campeão" mundial na 
reciclagem de latinhas de alumínio! 
http://www.guiadacarreira.com.br/artigos/atualidades/aluminio-verde-brasileiro/, acessado em 18/02/2015. 
Energia & Reciclagem 
4 Rs 
Benefícios dos 4Rs? 
Conservação dos recursos naturais: 
 matéria prima 
 energia 
Portanto: preserva o meio ambiente existente e ainda gera menos 
poluição. 
Aumenta a vida útil de aterros sanitários. 
A reutilização artesanal gera emprego, renda e inclusão social. 
Idem para a reciclagem industrial. 
Aproveitamento do biogás para gerar energia e ainda evita emissão de 
metano (“gás estufa”). 
O que mais? 
Energia e desenvolvimento 
humano... 
A importância da energia no desenvolvimento é ilustrada a 
seguir, na qual são mostrados quatro indicadores sociais 
para diversos países: 
 
 * taxa de analfabetismo 
 * mortalidade infantil 
 * expectativa de vida 
 * taxa de fertilidade total 
 
como uma função do consumo de energia comercial per 
capita. 
Expectativa de vida (anos) 
TOE (ton oil equivalent) = tep (tonelada equivalente de petróleo) 
Mortalidade infantil (mortes por 1000 nascimentos) 
Analfabetismo (% da população adulta) 
Taxa de fertilidade 
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. No período de 1970 a 1996 o consumo de energia triplicou. 
Energia e 
Desenvolvimento 
Humano... 
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-40141998000200002#fig1 
Estudos Avançados, vol.12 no.33 São Paulo May/Aug. 1998, DOSSIÊ RECURSOS NATURAIS, 
Energia e desenvolvimento, José Goldemberg. Link: 
Exercícios! 
Ver arquivo 
01)Introducao_Conversao_de_Energia_2015-1_EXERCICIOS.pdf 
em: https://sites.google.com/site/cx3medeiros 
Bibliografia 
ALMEIDA, M. P., Qualificação de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede, Dissertação de Mestrado em 
Engenharia Elétrica, USP, maio de 2012. 
 
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. 
 
NTC-04, Norma Técnica Celg D, Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária de Distribuição, 
outubro de 2008. 
 
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. 
* Diversas imagens e vídeos obtidos de sites da internet.