aula 04 DESENVOLVIMENTO SUSTENTAVEL mar 2014

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ENGENHARIA DA SUSTENTABILIDADE
DEFINIÇÃO DE SISTEMA E FLUXOS DE ENERGIA
TUDO É ENERGIA, porém em diversas formas de estado, organização ou manifestação.
A energia, provinda de fontes externas ou internas, é o substrato essencial para a operação e conservação dos sistemas.
 Este enunciado vale para todos os sistemas do Planeta. Tanto para a Biosfera, como um todo, quanto para os vários seus ecossistemas. Todos os sistemas antrópicos, como por exemplo os sistemas agrícolas.
Na natureza, as plantas e os animais se integram em um ciclo de produção e consumo que é impulsionado pela energia do sol. 
As plantas, através da fotossíntese, transformam a radiação solar e os nutrientes básicos em biomassa vegetal.
Dela, os animais obtêm os compostos químicos necessários para a vida.
A biomassa animal tem energia disponível que é aproveitada por outros animais (predadores).
Esse consumo gera uma “cadeia trófica”. 
ECOSSISTEMA TERRESTRE
Os resíduos dos animais ainda têm um pouco de energia disponível, a qual é aproveitada por um grupo especial de animais: os decompositores.
Eles devolvem os nutrientes básicos ao sistema para que o ciclo de vida possa recomeçar.
ECOSSISTEMA TERRESTRE
Agricultura tradicional
SISTEMA AGRÍCOLA
A agricultura tornou-se muito mais intensiva no tocante à energia, consumindo muito mais que produz.
A alta produtividade e altas taxas de produtividade líquida-bruta na colheita são mantidas por grandes entradas de energia envolvida no cultivo. O combustível usado para acionar o maquinário das propriedades é uma entrada de energia tanto quanto o Sol.
Nos Estados Unidos, a entrada dos subsídios de energia na agricultura aumentou cerca de dez vezes entre 1900 e 1980, com entrada de cerca de uma a dez calorias para cada caloria de alimento colhido. A duplicação do rendimento da colheita requer um aumento de dez vezes nas entradas de combustíveis fósseis, fertilizantes e defensivos. 
SISTEMA AGRÍCOLA
Figura 1. Evolução do consumo de energia ao longo do tempo. 
A partir da revolução industrial vertiginoso crescimento do consumo de energia. 
ENERGIA DISPONÍVEL ABUNDANTE
CRESCIMENTO E DESENVOLVIMENTO
Os grandes avanços tecnológicos que ocorreram no século passado só foram possíveis pela utilização da energia disponível em grande escala (combustíveis fósseis).
ENERGIA DISPONÍVEL DIMINUI
AVANÇOS TECNOLÓGICOS ESTÃO FADADOS A DESAPARECER
A sustentabilidade dos sistemas de produção no que se refere à energia pode estar ameaçada em longo prazo à medida que os combustíveis fósseis se tornarem escassos e mais caros.
FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVAS
ENGENHARIA DA SUSTENTABILIDADE
Utilizar técnicas para medir e avaliar como as leis da energia controlam todos os modelos humanos, a economia, os períodos de crescimento e de estabilidade.
Entender a forma com que a energia produz e mantém a ordem para a humanidade e para a natureza.
Oferecer soluções de engenharia.
ABORDAGEM SISTÊMICA
que consiste em visualizar as coisas como um sistema, ou seja, como partes ativas de um
todo maior.
SISTEMA:
 Conjunto de objetos que interagem entre si e com o exterior. Todos os sistemas se relacionam entre si e esses relacionamentos variam de forma e de intensidade de acordo com o tempo.
 Refere-se a tudo que funciona como um todo devido à interação de suas partes organizadas.
ABORDAGEM SISTÊMICA – EXEMPLOS DE SISTEMA
CASA – é um sistema de tubulações de água, condutores elétricos, materiais de construção.
ABORDAGEM SISTÊMICA – EXEMPLOS DE SISTEMA
TIME DE FUTEBOL – sistema composto por jogadores com funções diferentes, mas que atuam de comum acordo por interações combinadas durante o treinamento.
ABORDAGEM SISTÊMICA – EXEMPLOS DE SISTEMA
BOSQUE – sistema constituído de árvores, solos, nutrientes, animais e microorganismos. A interação desses elementos mantém o bosque como unidade.
DIAGRAMAS DE SISTEMAS E FLUXOS DE ENERGIA
Permitem visualizar de que modo os recursos controlam o que acontece aos sistemas e prever o futuro.
LINGUAGEM DE SISTEMAS
Ela foi desenvolvida pelo professor H. T. Odum da Universidade da Flórida. Como toda linguagem ela tem símbolos e os agrupa de maneira a expressar o sentido do mundo que nos rodeia. 
ABORDAGEM SISTÊMICA
AGROSSISTEMA
ABORDAGEM SISTÊMICA
Análise qualitativa e quantitativa dos diagramas de sistema e fluxos de energia estima e identifica:
pontos de desperdícios energéticos; 
componentes que podem ser substituídos por outros de maior eficiência;
avaliar a sustentabilidade do sistema, verificando qual a dependência de insumos da economia, serviços, recursos naturais renováveis e não renováveis; 
analisar se a sobrevivência do sistema está relacionada à utilização excessiva de recursos não-renováveis ou se está baseada na utilização racional de recursos da natureza.
O comportamento da energia é descrito pela primeira e segunda lei da termodinâmica. 
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA (LEI DA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA)
Estabelece que a energia possa ser transformada de uma forma para outra, mas não pode ser criada nem destruída. 
As transformações de energia alteram sua distribuição, mas a energia total permanece a mesma.
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 
A segunda lei termodinâmica determina que os processos que envolvem transformações de energia não ocorrerão espontaneamente, a menos que haja uma degradação de energia de uma forma organizada para uma forma não organizada (a entropia tende a aumentar).
Em qualquer transformação de energia, uma parte é degradada.
FONTES DE ENERGIA EXTERNA DÃO FUNDAMENTO A UM SISTEMA. O SISTEMA GRADUALMENTE AUTO-ORGANIZA SUAS RESERVAS, SEUS CICLOS DE MATERIAIS, SEUS SISTEMAS DE RETROALIMENTAÇÃO E SEU FORMATO DE FORMA A OTIMIZAR O USO DA ENERGIA DISPONÍVEL. 
RECURSOS LIMITADOS E ILIMITADOS
O desenvolvimento de um sistema está limitado a seus recursos energéticos. Se estes podem suportar mais crescimento ou se o sistema deve ser limitado em sua atividade depende da disponibilidade de energia externa. 
MODELOS QUANTITATIVOS 
 Valores numéricos em cada um dos fluxos
 Permite acompanhar e prever o comportamento do sistema a longo prazo.
 
MODELOS QUANTITATIVOS 
 Quanto tempo nosso estoque de petróleo vai durar caso a taxa de utilização continue a mesma?
MODELOS DE CRESCIMENTO
MODELO SIMPLES - SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ÁGUA
 ESTOQUE
 FLUXO DE ENTRADA
 FLUXO DE SAÍDA
MODELO SIMPLES - SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ÁGUA
Mudança na quantidade de água do estoque é proporcional a diferença do fluxo de entrada e saída:
Q = J – k1 x Q 
Mudanças no estoque em intervalos de tempo:
Q1 = Q0 + Q x t
MODELO SIMPLES - SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ÁGUA
Valores iniciais
Q0
1,00
J
2,00
k1
0,03
T+DT
k1 x Q
DQ = J-k1xQ
Q +DQ
0
0,00
2,00
1,00
1
0,03
1,97
2,97
2
0,09
1,91
4,88
3
0,15
1,85
6,73
4
0,20
1,80
8,53
5
0,26
1,74
10,28
6
0,31
1,69
11,97
7
0,36
1,64
13,61
8
0,41
1,59
15,20
9
0,46
1,54
16,74
10
0,50
1,50
18,24
11
0,55
1,45
19,70
12
0,59
1,41
21,10
13
0,63
1,37
22,47
14
0,67
1,33
23,80
15
0,71
1,29
25,08
16
0,75
1,25
26,33
17
0,79
1,21
27,54
18
0,83
1,17
28,71
19
0,86
1,14
29,85
20
0,90
1,10
30,96
21
0,93
1,07
32,03
22
0,96
1,04
33,07
23
0,99
1,01
34,08
24
1,02
0,98
35,05
25
1,05
0,95
36,00
MODELO SIMPLES - SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ÁGUA
Valores iniciais
Q0
1,00
J
2,00
k1
0,03
Após 150 h a quantidade armazenada começa a se estabilizar em torno de 66L.
MODELO SIMPLES - SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ÁGUA
Valores iniciais
Q0
1,00
J
2,00
k1
0,06
Aumentando o fluxo de saída (K1 = 0,06 h-1 ) a quantidade armazenada passa a 33L.
MODELO SIMPLES - RESERVA MUNDIAL DE PETRÓLEO
Não haverá mais petróleo após 150 anos.
Valores iniciais
Q0
1,14E+12
J
0,00
k1
2,60E-02
MODELO SIMPLES - RESERVA
MUNDIAL DE PETRÓLEO
Aumentando o fluxo de saída, não haverá mais petróleo após 50 anos.
Valores iniciais
Q0
1,14E+12
J
0,00
k1
5,20E-02
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