5. Energia, Calor e Trabalho I

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Energia, Calor e Trabalho I
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Introdução
O princípio da conservação da energia deriva da Primeira Lei da Termodinâmica.
“A energia não pode ser criada ou destruída durante um processo”.
A energia só se transforma de uma forma para outra.
Será que na prática é simples assim?
Introdução
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Considera-se uma sala cuja porta e janelas estejam hermeticamente fechadas e cujas paredes estejam bem isoladas.
A perda ou ganho de calor através das paredes é desprezível.
Um refrigerador com as portas abertas é colocado no meio da sala e ligado a uma tomada.
Introdução
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O que acontecerá com a temperatura média do ar na sala?
Introdução
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Se for tomada toda a sala (incluindo o ar e o refrigerador) como o sistema, que é adiabático, já que a sala está bem selada e isolada, esse sistema só poderá interagir com a energia elétrica, que cruza a fronteira do sistema e entra na sala.
Introdução
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A conservação da energia requer que o conteúdo de energia da sala aumente em uma quantidade igual à quantidade de energia elétrica consumida pelo refrigerador, que pode ser mensurada com um medidor elétrico comum.
Introdução
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O refrigerador ou seu motor não armazenam essa energia. 
Ela deve, portanto, estar no ar da sala e se manifestará como uma elevação da temperatura do ar. 
A elevação da temperatura do ar pode ser calculada com base no princípio de conservação da energia, utilizando-se as propriedades do ar e a quantidade de energia elétrica consumida.
Introdução
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E se o mesmo for feito com um ventilador? 
Introdução
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Se a energia se conserva, para que tantos debates sobre conservação de energia e adoção de medidas para conservar a energia?
Do ponto de vista prático, a conservação vale para a quantidade e não para a qualidade.
Introdução
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A eletricidade é a forma de energia de mais alta qualidade e pode ser convertida em uma quantidade igual de energia térmica (calor).
Introdução
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Entretanto, apenas uma pequena fração da energia térmica, a forma de energia com menor qualidade, pode ser convertida de volta em eletricidade.
Introdução
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Retornando ao caso do refrigerador na sala, tudo o que se pode notar é a energia elétrica entrando no refrigerador e o calor dissipado do refrigerador para o ar da sala.
Para responder de forma mais completa a essa questão, é necessário estudar as diversas formas de energia.
Introdução
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Formas de Energia
A energia pode existir em inúmeras formas, como térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, química e nuclear.
A soma delas constitui a energia total E de um sistema.
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Formas de Energia
A energia pode existir em inúmeras formas, como térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, química e nuclear.
A soma delas constitui a energia total E de um sistema.
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Formas de Energia
A termodinâmica nada afirma sobre o valor absoluto da energia total.
Ela trata apenas da variação da energia total, que é o mais importante para os problemas de engenharia.
Sendo assim, é possível atribuir um valor zero à energia total de um sistema em algum ponto de referência conveniente.
A variação da energia total de um sistema não depende do ponto de referência adotado.
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Formas de Energia
Normalmente é útil considerar as diversas formas de energia que constituem a energia total de um sistema em dois grupos:
Formas macroscópicas de energia – aquelas que um sistema possui com relação a algum referencial externo, como as energias cinética e potencial.
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Formas de Energia
Normalmente é útil considerar as diversas formas de energia que constituem a energia total de um sistema em dois grupos:
Formas microscópicas – aquelas relacionadas à estrutura molecular de um sistema e ao grau de atividade molecular e são independentes de referenciais externos.
A soma de todas as formas microscópicas de energia é chamada de energia interna de um sistema e é indicada por U.
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Formas de Energia
A energia macroscópica de um sistema está relacionada ao movimento e à influência de alguns efeitos externos como gravidade, magnetismo, eletricidade e tensão superficial.
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Formas de Energia
A energia que um sistema possui como resultado de seu movimento relativo a algum referencial é chamada de energia cinética (EC) e pode ser expressa por:
V é a velocidade do sistema com relação a um referencial fixo, I é o momento de inércia do corpo e ω é a velocidade angular do sistema.
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Formas de Energia
A energia que um sistema possui como resultado de sua altura em um campo gravitacional é chamada de energia potencial (EP) e é expressa como:
z é a aceleração do centro de gravidade do sistema com relação a algum nível de referência escolhido arbitrariamente.
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Formas de Energia
Os efeitos magnéticos, elétricos e de tensão superficial são significativos apenas em alguns casos específicos.
Dessa forma, a energia total de um sistema consiste nas energias cinética, potencial e interna:
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Formas de Energia
A maioria dos sistemas fechados permanece estacionária durante um processo e, assim, não sofre nenhuma variação em suas energias cinética e potencial.
Os sistemas fechados cuja velocidade e posição do centro de gravidade permanecem constantes durante um processo são chamados de sistemas estacionários.
Nestes casos, a variação de energia total é idêntica à variação de energia interna.
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Formas de Energia
Tipicamente, os sistemas abertos envolvem o escoamento de fluidos por longos períodos.
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Formas de Energia
Assim, se torna conveniente expressar o fluxo de energia associado a uma corrente de fluido na forma de taxa.
Isto é feito incorporando-se a vazão mássica. 
Quantidade de massa que escoa através de uma seção transversal por unidade de tempo.
Esta quantidade está relacionada à vazão volumétrica. 
Volume de fluido que escoa através de uma seção transversal por unidade de tempo
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Formas de Energia
ρ é a densidade do fluido, Ac é a seção transversal do escoamento e Vméd é a velocidade média do escoamento normal a Ac .
Esta equação é análoga à m = ρV.
O fluxo de energia associado a um fluxo de massa é:
Esta equação é análoga à E = me.
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Formas de Energia
A Energia Interna
A energia interna foi definida como a soma de todas as formas microscópicas de energia de um sistema.
Ela está relacionada à estrutura molecular e ao grau de atividade molecular.
Pode ser vista como a soma das energias cinética e potencial das moléculas.
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A Energia Interna
As moléculas de um gás se movem pelo espaço com uma certa velocidade e, portanto, possuem alguma energia cinética (de translação).
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A Energia Interna
Os átomos das moléculas poliatômicas giram ao redor de um eixo, e a energia associada a essa rotação é a energia cinética de rotação.
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A Energia Interna
Os átomos de uma molécula poliatômica também podem vibrar com relação ao centro de massa comum.
Energia cinética de vibração.
Para os gases, a energia cinética de vibração é desprezível a baixas temperaturas.
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A Energia Interna
Os elétrons de um átomo giram ao redor do núcleo e, portanto, possuem energia cinética de rotação.
Elétrons das órbitas mais externas têm energia cinética maior.
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A Energia Interna
Os elétrons também giram ao redor de seus eixos, e a energia associada a esse movimento é a energia de spin.
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A Energia Interna
Outras partículas do núcleo de um átomo também possuem energia de spin.
A parte da energia interna de um sistema associada às energias cinéticas das moléculas é chamada de energia sensível.
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A Energia Interna
A velocidade média e o grau de atividades das moléculas são proporcionais à temperatura do gás.
A temperatura mais altas, as moléculas possuem energias cinéticas mais altas.
Como resultado o sistema tem uma energia interna mais alta.
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A Energia Interna
A energia interna também está associada às diversas formas de ligação entre:
Moléculas de uma substância;
Átomos dentro de uma molécula;
Partículas dentro de um átomo e seu núcleo.
As forças que ligam as moléculas entre si são mais fortes nos sólidos e mais fracas nos gases.
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A Energia Interna
Se for adicionada energia suficiente às moléculas de um sólido ou de um líquido, elas superam essas forças moleculares, transformando a substância em um gás (mudança de fase).
Devido a essa energia adicional, um sistema na fase gasosa está em um nível de energia interna mais alto do que na fase sólida ou líquida.
A energia interna associada à fase de um sistema é chamada de energia latente.
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A Energia Interna
Um átomo é composto por:
Um núcleo de nêutrons e prótons ligados por intensas forças moleculares;
Elétrons que orbitam ao seu redor.
A energia interna associada às ligações atômicas de uma molécula é chamada de energia química.
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A Energia Interna
Durante uma reação química, como no processo de combustão, algumas ligações químicas são destruídas, enquanto outras são formadas.
O resultado disso é uma variação de energia interna.
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A Energia Interna
As forças nucleares são muito maiores que àquelas que ligam os elétrons ao núcleo.
A incrível quantidade de energia associada às fortes ligações existentes no interior do núcleo do átomo propriamente dito é chamada de energia nuclear.
Uma reação química envolve alterações na estrutura dos elétrons dos átomos, mas uma reação nuclear envolve alterações no centro ou no núcleo.
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A Energia Interna
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A Energia Interna
No dia a dia, com frequência refere-se às formas sensíveis e latentes de energia interna como calor e fala-se sobre o calor contido nos corpos. 
Em termodinâmica, porém, geralmente essas formas de energia são tratadas como energia térmica, para evitar qualquer confusão com transferência de calor.
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A Energia Interna
É preciso diferenciar as energias cinética macroscópica e microscópica.
A energia cinética de um objeto é uma forma organizada de energia associada ao movimento ordenado de todas as moléculas em uma determinada direção ou ao redor de um eixo.
A energia cinética das moléculas são completamente aleatórias e altamente desorganizadas.
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A Energia Interna
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A Energia Interna
A energia organizada é muito mais valiosa que a energia desorganizada.
Uma grande área de aplicação da termodinâmica é a conversão de energia desorganizada (calor) em energia organizada (trabalho).
A energia organizada pode ser completamente convertida em desorganizada, mas o contrário não ocorre.
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A Energia Interna
Para tal objetivo, utilizam-se dispositivos especiais chamados de motores térmicos.
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A Energia Interna
MOTORES DE COMBUSTÃO EXTERNA
Alternativo
Fluido Não-condensável
Motor Stirling
Fluido Condensável
Motora vapor de ciclo aberto ou fechado
Rotativo
Fluido Não-condensável
Turbina a gás de ciclo fechado
Fluido Condensável
Turbina a vapor de ciclo aberto ou fechado
A Energia Interna
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MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Alternativo
Ignição por compressão
Motor Diesel
Ignição por centelha
Motor Otto,Motor Atkinson
Rotativo
Volumétrico
Motor Wankel, Quasiturbina
Turbomáquina
Turbina a gás de ciclo aberto
Reação
Turbojato
Turbofan
Turboélice
Ramjet
Scramjet
Foguete espacial com propulsor líquido/sólido
A Energia Nuclear
A reação de fissão mais conhecida envolve a divisão do átomo de urânio (isótopo U-235) em outros elementos.
Normalmente essa reação é utilizada para:
Gerar eletricidade em usinas nucleares;
Em 2004 havia 440 delas no mundo todo, gerando 363.000 MW
Abastecer submarinos e naves espaciais;
Construção de bombas nucleares.
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A Energia Nuclear
A porcentagem de eletricidade produzida pela energia nuclear é de 78% na França, 28% no Japão, 28% na Alemanha e 20% nos Estados Unidos.
A primeira reação nuclear em cadeia foi realizada por Enrico Fermi em 1942.
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A Energia Nuclear
Fermi destacou-se pelo seu trabalho sobre o desenvolvimento do primeiro reator nuclear em 1944, com a finalidade de produzir material para armas nucleares.
Também participou do Projeto Manhattan.
Projeto de pesquisa e desenvolvimento que produziu as primeiras bombas atômicas durante a Segunda Guerra Mundial.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Projeto_Manhattan
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A Energia Nuclear
Quando um átomo de urânio-235 absorve um nêutron e se divide durante um processo de fissão, ele produz um átomo de césio-140, um átomo de rubídio-93, 3 nêutrons e 3,2x10-11 J de energia.
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A Energia Nuclear
A fissão completa de 1 kg de urânio-235 libera 6,73x1010 kJ de calor.
Isso é maior do que o calor liberado pela queima de 3000 toneladas de carvão.
Uma reação nuclear libera vários milhões de vezes mais energia do que uma reação química.
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A Energia Nuclear
Links que explicam melhor a reação nuclear do Urânio e como operam os reatores nucleares
https://pt.wikipedia.org/wiki/Reator_nuclear
http://www.infoescola.com/fisica/reatores-nucleares-de-fissao/
http://brasilescola.uol.com.br/quimica/reator-nuclear.htm
http://www.dee.feis.unesp.br/usinaecoeletrica/index.php/nuclear
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A Energia Nuclear
Entretanto, a disposição final do “lixo nuclear” ainda é uma preocupação ambiental.
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A Energia Nuclear
Entretanto, a disposição final do “lixo nuclear” ainda é uma preocupação ambiental.
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A Energia Nuclear
Entretanto, a disposição final do “lixo nuclear” ainda é uma preocupação ambiental.
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A Energia Nuclear
Notícias interessantes a respeito do lixo nuclear
http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2010/11/imagens-termograficas-mostram-conteiner-com-lixo-nuclear-na-franca.html
http://www.greenpeace.org/brasil/pt/Blog/frana-descarrega-lixo-radioativo-na-rssia/blog/1252/
http://fundacaoverde.org.br/franca-testa-nova-tecnologia-para-tratar-lixo-radioativo/
http://planeta10.com.br/Kids/lixonuclear.htm
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A Energia Nuclear
Energia nuclear por fusão é liberada quando dois núcleos pequenos se combinam em um núcleo maior. 
A enorme quantidade de energia irradiada pelo Sol e por outras estrelas se origina de um processo de fusão que envolve a combinação de dois átomos de hidrogênio em um átomo de hélio.
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A Energia Nuclear
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A Energia Nuclear
Quando dois núcleos de hidrogênio pesado (deutério) se combinam durante um processo de fusão, eles produzem um átomo de hélio-3, um nêutron livre e 5,1x10-13 J de energia.
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A Energia Nuclear
Na prática, as reações de fusão são muito mais difíceis de serem realizadas por causa da forte repulsão entre os núcleos com carga positiva, chamada de repulsão de Coulomb. 
Para superar essa força de repulsão e permitir que os dois núcleos se fundam, o nível de energia dos núcleos deve ser elevado aquecendo-os a cerca de 100 milhões de °C. 
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A Energia Nuclear
Entretanto, tais temperaturas só são encontradas em estrelas ou durante a explosão de bombas atômicas (bomba A). 
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A Energia Nuclear
De fato, a reação de fusão descontrolada de uma bomba de hidrogênio (bomba H) é iniciada por uma pequena bomba atômica.
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A Energia Nuclear
A reação de fusão descontrolada foi realizada no início dos anos 1950.
Porém todos os esforços desde então para realizar a fusão controlada para produzir potência, seja por poderosos lasers, campos magnéticos e/ou correntes elétricas, falharam.
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A Energia Nuclear
A Energia Mecânica
Muitos sistemas de engenharia são projetados para transportar fluidos de um lugar para outro com vazão, velocidade e diferença de altura especificadas.
Esses sistemas podem:
Produzir trabalho mecânico em uma turbina;
Consumir trabalho mecânico em uma bomba ou ventilador durante o processo.
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A Energia Mecânica
Esses sistemas não envolvem conversão da energia nuclear, química ou térmica em energia mecânica. 
Da mesma forma, não há transferência de calor em quantidades
significativas, e os sistemas operam essencialmente a temperatura constante.
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A Energia Mecânica
Tais sistemas podem ser analisados de forma conveniente considerando-se apenas as formas mecânicas de energia e os efeitos de atrito que causam perda de energia mecânica.
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A Energia Mecânica
A energia mecânica pode ser definida como a forma de energia que pode ser convertida completamente e diretamente em trabalho mecânico por um dispositivo mecânico ideal como uma turbina ideal.
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A Energia Mecânica
As energias cinética e potencial são as formas conhecidas de energia mecânica. 
Entretanto, energia térmica não é energia mecânica, uma vez que não pode ser convertida direta e completamente em trabalho (segunda lei da termodinâmica).
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A Energia Mecânica
Uma bomba transfere energia mecânica para um fluido elevando sua pressão e uma turbina extrai energia mecânica de um fluido diminuindo sua pressão.
Assim, a pressão de um fluido em escoamento também está associada à sua energia mecânica.
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A Energia Mecânica
A unidade de pressão Pa é equivalente a J/m³, que é energia por unidade de volume.
O produto Pv ou P/ρ tem unidade de J/kg, que é energia por unidade de massa.
A pressão por si só não é uma forma de energia, mas uma força de pressão agindo sobre um fluido ao longo de uma distância produz trabalho.
Trabalho de escoamento - P/ρ (J/kg).
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A Energia Mecânica
O trabalho de escoamento é expresso em termos de propriedades do fluido, sendo conveniente imaginá-lo como parte da energia do fluido e chamá-lo de energia de pressão.
Assim, a energia mecânica de um fluido em escoamento pode ser expressa por unidade de massa como:
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A Energia Mecânica
P/ρ é a energia de pressão, V²/2 é a energia cinética e gz é a energia potencial do fluido por unidade de massa.
Também pode ser representada na forma de taxa:
m é o fluxo de massa do fluido.
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A Energia Mecânica
.
A variação de energia mecânica de um fluido em escoamento incompressível (ρ=constante) torna-se:
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A Energia Mecânica
Dessa forma, pode-se concluir que a energia mecânica de um fluido não varia durante o escoamento caso sua pressão, densidade, velocidade e altura permaneçam constantes.
Na ausência de perdas, a variação de energia mecânica representa o trabalho mecânico fornecido ao fluido (se Δemec>0) ou extraído do fluido (se Δemec<0).
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A Energia Mecânica
Na ausência de perdas, a potência máxima produzida é proporcional à variação na elevação da água a partir da superfície à montante para jusante do reservatório.
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A Energia Mecânica
Na ausência de perdas, a potência máxima produzida é proporcional à queda de pressão da água ao passar pela turbina.
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A Energia Mecânica
Exercícios
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Exercício 1
Um local avaliado para a instalação de uma estação eólica tem ventos estáveis de velocidade de 8,5m/s. 
Determine a energia do vento (a) por unidade de massa, (b) para uma massa de 10 kg de ar e (c) para um fluxo de massa de 1.154 kg/s de ar.