FONTES CONVENCIONAIS DE ENERGIA1

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FONTES CONVENCIONAIS DE ENERGIA 
Considerações sobre o Consumo de Energia 
Fontes convencionais são tecnologias de conversão de uma forma de energia em outra 
que estão desenvolvidas e cujos custos são considerados economicamente aceitáveis. 
Uma fonte será renovável se ela puder ser reabastecida, ou se desenvolver ou existir 
dentro de um intevalo de tempo significativo para as pessoas (comida, madeira, água, 
radiação solar). Uma fonte será dita não renovável se sua formação for tão lenta ou sua 
existência tão curta a ponto de se tornar esgotável num intervalo de tempo. 
 
Taxa de energia consumida pela sociedade tem aumentado progressivamente. Numa 
sociedade industrializada quatro setores utilizam a maior parte da energia: indústria, 
transporte, comércio-doméstico, e alimentação. 
 
2 
 
O consumo de energia pela população e as fontes produtoras dessa energia estão 
fortemente realacionada à renda familiar. A tabela abaixo mostra o consumo de 
eletricidade dos 20 maiores consumidores 
Essa 
Nº 
País 
Consumo de eletricidade 
(Quilowatt-hora/Ano) 
Ano Fonte População desde 
Energia média per 
capita (Watts) 
— Mundo 16,830,000,000 2005 
CIA 
Est.
1
 
6,464,750,000 2005 297 
1 
 Estados 
Unidos 
3,816,000,000 2005 CIA 
1
 298,213,000 2005 1,460 
2 China 2,859,000,000 2006 CIA 1,315,844,000 2005 248 
— União 
Europeia
2
 
2,820,000,000 2004 
CIA 
Est. 
459,387,000 2005 700 
3 Rússia 985,200,000 2007 
CIA 
Est. 
143,202,000 2005 785 
4 Japão 974,200,000 2005 CIA 128,085,000 2005 868 
5 Alemanha 545,500,000 2005 CIA 82,689,000 2005 753 
6 Canadá 540,200,000 2005 CIA 32,268,000 2005 1,910 
7 Índia 488,500,000 2005 CIA 1,103,371,000 2005 50.5 
8 França 451,500,000 2005 CIA 60,496,000 2005 851 
9 Coreia do 
Sul 
368,600,000 2007 CIA 47,817,000 2005 879 
10 Brasil 368,500,000 2005 CIA 186,405,000 2005 226 
11 
 Reino 
Unido 
348,700,000 2005 CIA 59,668,000 2005 667 
12 Itália 307,100,000 2005 CIA 58,093,000 2005 603 
13 Espanha 243,000,000 2005 CIA 43,064,000 2005 644 
14 África do 
Sul 
241,400,000 2007 CIA 47,432,000 2005 581 
15 Taiwan 221,000,000 2006 CIA 22,894,384 2005 1,101 
16 Austrália 219,800,000 2005 CIA 20,155,000 2005 1,244 
17 México 183,300,000 2005 CIA 107,029,000 2005 195 
18 Ucrânia 181,900,000 2006 CIA 46,481,000 2005 446 
19 Arábia 
Saudita 
146,900,000 2005 CIA 24,573,000 2005 682 
20 Irã 136,200,000 2005 CIA 69,515,000 2005 224 
 
 
3 
 
 
 
Fonte Primária de Energia da Terra: O Sol 
Responsável por mais de 99% de seu balanço energético. 
Como as demais estrelas é extreamente quente, na superfície 6000 K – na região central 2 
x 107 K – plasma – não ocorrendo combustão, mas somente reações nucleares. As 
reações mais imporantes são: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fusão nuclear – energia total liberada nessa serie é  26 MeV. 
Cerca de 30 % a 35 % da energia solar incidente é diretamente refletida e espalhada na 
forma de radiação ultravioleta. Aproximadamente 47 % é absorvida pela atmosfera, outros 
23 % na evaporação, convecção, precipitação e circulação superficial da água, formando o 
ciclo hídrico. 
Energia Hidráulica 
Roda d’água horizontal -  0,3 kW – século 1. 
Roda d’água vertical -  2 kW – século 4 – moer cereais 
Século 16 - industrialização da Europa 
Século 17 – 56 kW. 
Energia hidráulica em energia mecânica – hidroelétricas (Niagra Falls – 1880) 
Primeira hidroelétrica no Brasil – Diamantina – Ribeirão do Inferno – 0,5 MW. 
4 
 
- Conversão hidromecânica 
A geração de energia por hidroelétrica utiliza a energia potencial, U = mgh, de uma queda 
d’água que é convertida em energia cinética, k = ½ mv2, que é convertia em energia 
rotacional da roda. Devido a dissipações a energia rotacional não é igual a energia 
potencial. As turbinas são rodas modificadas para aumentar a eficiência, chegando a 95 %. 
 
- Conversão hidroelétrica 
Conversão de energia hidráulica em elétrica – 2 etapas 
- energia hidráulica em mecânica – rotacionar a turbina 
- energia mecânica em energia elétrica (baseada no fenômeno da indução – Faraday 1831 
 
 
Indução - Quando o ímã se aproxima da espira, o ponteiro do galvanômetro deflete num 
sentido, quando se afasta, o ponteiro deflete no outro sentido 
 
Em geral tensão alternada é baixa – transformadores aumentam a tensão em centenas e 
até milhares de kV. 
5 
 
Exemplo 1 
Aproveitando o desnível de 80 m de um rio, está sendo projetada a construção de uma 
usina hidroelétrica. Qual a vazão de água necessária para produzir um potência de 200 
MW? Considere as eficiências das turbinas hidráulicas t e do gerador elétrico g iguais a 
95 % e 90 %, respectivamente.Se não houver dissipação por atrito entre a água e as 
tubulações com que velocidade média a água atinge as turbinas? 
Solução 
U = mgh 
 = t x g = 0,95 x 0,90 = 0,855 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sem dissipação por atrito 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O potencial hidrelétrico brasileiro é estimado em cerca de 260 GW, dos quais 40,5% estão 
localizados na Bacia Hidrográfica do Amazonas – para efeito de comparação, a Bacia do 
Paraná responde por 23%, a do Tocantins, por 10,6% e a do São Francisco, por 10%. 
Contudo, apenas 63% do potencial foi inventariado. A Região Norte, em especial, tem um 
grande potencial ainda por explorar. Até 1980 as hidroelétricas respondiam por 90 % de 
toda energia elétrica gerada no Brasil, atualmente cerca de 71 %. 
 
Energia de Combustíveis 
Combustão é a reação de átomos do material + átomos de oxigênio no ar  queima do 
material (reação exotérmica – luz e calor) 
Combustíveis – vegetais ou fósseis 
 
6 
 
- Combustívies vegetais 
Até o século 19 – madeira principal fonte de combustão. 
No Brasil entre 1969 e 1979 – energia gerada por madeira, carvão vegetal e bagaço de 
cana passou de 40,3 % para 24,7 % . Hoje biomassa responde por 27 % da energia 
gerada no país. 
- Combustíveis fósseis 
 Formados a centenas de milhões de anos. 
Início do século 20 – hoje mais da metade das fontes primárias. 
No Brasil – 47% da energia total 
USA – 75% da energia consumida. 
Estimativa de energia de diferente combustíveis 
1 tonelada de carvão mineral 30,5 x 109 J 
1 barril (159 l) de óleo cru 6,2 x 109 J 
1 pé cúbico (28,3 l) de gás natural 1,1 x 106 J 
 
Carvão mineral 
Usado pelos chineses antes de 1271 – viagem de Marco Polo ao Oriente 
Inglaterra – 1234 – desempenhou papel essencial na revolução industrial (processos 
metalúrgicos, fabricação de vidros, construção de ferrovias, máquinas a vapor etc). 
O carvão  27% na matriz energética mundial, perdendo apenas para o petróleo  33%. 
No Brasil, o carvão mineral participa com um pouco mais de 5% na matriz energética. 
Em terra seca – plantas mortas – carbono, oxigênio e hidrogênio – formam CO2 + H2O. 
Em pântanos – não há acão oxidante – bactérias  liberação de hidrogênio e oxigênio  
aumento da concentração de CO2  produto final turfa (rica em carbono) 
Turfa é coberta  aumento da pressão gases liberados  aumenta a concentração de 
carbono  linhita oucarvão marrom. 
Aumento da pressão linhita  carvão betuminoso ou carvão mole  aumento da 
temperatura e pressão  carvão duro. 
União Soviética – 60 % das reservas mundiais 
7 
 
Brasil – Rio Grande do Sul  51 %, Santa Catarina  47,4 %, Paraná  1,6 %. 
Pode ser gaseificado  metano (CH4)  canalizado e distribuído. 
 
Petróleo 
Formação mais complexa do que o carvão. 
Materiais orgânicos (biogênica)  mesmo processo do carvão  aumento da pressão e 
temperatura  hidrocarbonetos em óleo líquido, sólido e gás natural  aumento da 
pressão (folhelhos) deslocamento do óleo líquido e gás para vizinhanças porosas (arenitos 
e carbonatos). 
 Moderna teoria Russo-Ucraniana (abiogênica)  estudos apontaram que o petróleo 
provém e é originado a altas pressões e temperaturas no manto da Terra, sem a 
participação de carbono de origem orgânica. 
Produtos derivados do petróleo – Mesopotâmia asfalto usado como combustível 6000 
a.C., gás natural 3000 a.C. em templos. 
Exploração do petróleo – 1300 Baku (União Soviética) – 1640 Modena (Itália) 
Exploração do petróleo no Brasil 
1892 - primeira sondagem profunda 488 m (Bofete – SP)  água sulfurosa 
 
1925 – Bom Jardim – AM  vestígio de óleo e gás natural  primeira iluminação a gás 
natural 
1939 – Lobato – BA  primeiro poço 
1941 – Candeias – BA  primeiro poço comercial 
8 
 
 
1946 – Monteiro Lobato  “O petróleo é nosso”. 
1953 – criação da Petrobras 
1968 – Primeira descobeerta no mar – campo de Guaricema - SE 
 
1974 – descoberta a bacia de Campos – campo de Garoupa 
1997 – Fim do monopólio do petróleo 
2005 – Primeiros indícios de petróleo no pré-sal 
 
9 
 
2008 - primeiro óleo da camada pré-sal, no Campo de Jubarte, na Bacia de Campos (RJ) 
Valores de produção em 2010, em milhões de barris por dia: 
1 Arábia Saudita (OPEP) 10,521 9 Brasil 2,719 
2 Rússia 10,146 10 Nigéria (OPEP) 2,458 
3 Estados Unidos 9,688 11 Kuwait (OPEP) 2,450 
4 República Popular da China 4,273 12 Iraque (OPEP) 2,408 
5 Irã (OPEP) 4,252 13 Venezuela (OPEP) 2,375 
6 Canadá 3,483 14 Noruega 2,134 
7 México 2,983 15 Angola (OPEP) 1,988 
8 Emirados Árabes Unidos (OPEP) 2,813 
Fonte: Departamento de Estatística dos E.U.A. 
Gás natural 
 O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos leves na qual o metano (CH4) é 70 % da 
mistura (etano, propano, H2S, CO2). Contém menos poluentes, mas é mais difícil de 
armazenar e de transportar que os combustíveis sólidos ou líquidos. Por isso, ele é 
liquefeito (esfriando a 147 K  -126 oC) para ser transportado (redução de volume de 
1/600). 
Exemplo 2 
Considere o aquecimento de ambiente, mostre que é mais econômico usar o gás natural 
como fonte de energia direta do que usá-lo para produzir energia elétrica para o mesmo 
fim. 
 Solução: 
a. Uso do gás diretamente no aquecimento: 
 
 
 
 
gás = dg . F 
 
b. Geração de calor por aquecimento elétrico: 
 
 
 
elérico = e .de . a 
 
 Calor liberado 
(de) 
 Calor liberado 
(de) 
 distribuição por 
 gaseoduto (dg) 
(de) 
 elétrica (de) 
 distribuição 
Fonte de 
gás 
Fornalha 
de gás 
(F) 
Fonte de 
gás 
Gerador 
elétrico (e) 
Aquecedor 
elétrico (a) 
10 
 
Considerando os seguintes valores típicos para as eficiências: 
dg = 0,95 F = 0,75 
e = 0,35 de = 0,90 a = 0,98 
Têm-se: 
 gás = 0,95 x 0,75 = 0,71 
elétrico = 0,35 x 0,90 x 0,98 = 0,31 
 
Unidades de energia liberada 
Btu = British thermal energy = calor necessário para elevar 1 libra de água de 63 oF a 64 oF 
= 1055 J 
kWh = 1000 watts produzidos ou consumidos em 1h = 3,6 x 106 J 
cal = caloria = calor necessário para elevar 1 cm3 de água de 14,5 oC a 15,5 oC = 4,186 J 
 Petróleo mais importante – Unidade equivalente ao petróleo – 103 m3 de gás natural 
equivalem a 0,912 ton de equivalente de petróleo (tEP) – 1 ton de lenha  0,301 tEP 
 
11 
 
FONTES NÃO-CONVENCIONAIS DE ENERGIA 
Aquelas que possuem tecnologias desenvolvidas mas que ainda não são totalmente 
aceitas devido a razões econômicas, ambientais ou outras, ou ainda cujas tecnologias 
estão em desenvolvimento. 
Entre essas estão a geotérmica, a nuclear, a solar, a eólica, as provenientes de biomassa, 
das mares etc. 
Energia Geotérmica 
Energia proveniente da própria Terra. 
Já era usada na Grécia antiga, no Império Romano, na Babilônia e no Japão para fins 
medicinais - águas termais. Brasil - Caldas Novas, Águas de Lindoia, Poços de Caldas. 
1904 – Larderello – Itália – primeira usina geotermoelétrica – 424 MW 
1958 – Wairakei – Nova Zelândia – segunda usina comercial 
1960 – complexo de gêiseres no norte da Califôrnia – 516 MW – energia mais barata 
A temperatura da Terra aumenta com a profundidade – 10 e 40 graus por km – 
radioatividade natural e a energia residual da formação da Terra. 
 
Fluxo Térmico Mundial (vermelho: maior transporte de calor; azul: menor transporte de calor) 
Principais rochas - granitos e basaltos – 3,5 x 10-2 J/(kg.ano) 
Granitos – maior concentração de elementos radioativos – 3 x 10-2 J/(kg.ano) – 20 km 
produção anual 1021 J de energia térmica (1000 vezes os terremotos em um ano). Fundo 
do mar não tem granito. 
Calor produzido no interior da Terra muito difuso, nas interfaces das placas tectônicas o 
calor é mais acentuado. A deriva continental pode ser por afastamento ou colisão. 
12 
 
Afastamento – massa magmática quente (1000 oC – 1200 oC). Colisão – fraturas ( 800 oC – 
1000 oC). 
 
 Placas tectônicas que formam a superfície da Terra 
Transmissão da energia térmica: irradiação, condução e convecção. 
Minerais da crosta terrestre não são bons irradiadores  menos eficiente 
 
 
 (1) 
onde  é a emitância do material e  = 5,67 x 10-8 W/(m2.K4) a constante de Stefan- 
Boltzmann. 
Condução – gradiente de temperatura – matais são bons condutores – condução de 
eletricidade  elétrons. Outros materiais vibração dos átomos ou moléculas. 
 
 
 
 (2) 
Onde  é o coeficiente de condutivadade térmica, A é área e (T2 – T1)/d. 
 do granito = 0,006 cal/(cm.s.grau) 
 da água = 0,016 cal/(cm.s.grau) 
 do alumínio = 0,46 cal/(cm.s.grau) 
 do cobre = 0,92 cal/(cm.s.grau) 
Fluxo térmico  J/s ou W 
 
Exemplo 1 
13 
 
Determine o fluxo de calor por condução por unidade de área para a superfície numa 
região onde a expessura da crosta, composta por granito (70 %) e basalto (30 %) , é 56 
km. Nessa região, o gradiente de temperatura é 40 oC/km. Dados T = T0 = 20 
oC;  
(basalto) = 0,004 cal/(cm.s.grau). 
Solução 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Convecção – ocorre em fluidos, a energia é transferida pelo movimento de moléculas. O 
fluido junto a uma fonte de calor fica com uma densidade menor, afastando-o da fonte de 
calor, onde é resfriado, voltando para perto dafonte. 
Solutos da atmosfera de maior densidade específica (CO2, O2) tendem a se concentrar nas 
camadas baixas da atmosfera enquanto os solutos mais leves (CH4 e H2) tendem a se 
acumular nas camadas mais altas da atmosfera, ocasionando a falta de oxigênio em 
lugares de maior altitude. 
O processo de conveçcão transfere energia mais rapidamente que a condução – pode ser 
natural ou forçado. No primeiro fonte de calor/gravidade. No segundo movimento do fluido 
mantido por um agente (vento). Em ambos os casos, o calor transferido depende do 
coeficente de expansão térmica e da viscosidade (resistência do fluido). 
O fluxo de calor transmitido por convecção é: 
 
 (3) 
 
O calor formado no interior da Terra podem aforar ou não. Rochas porosas ou fratudas 
formam fontes termais, gêiseres, fumarolas etc. Rochas impermeáveis – depósitos 
geotérmicos. 
 
14 
 
A usina de Wairakei, na Nova Zelândia (150 MW) utiliza energia de fontes de alta entalpia 
(medida da máxima energia de um sistema termodinâmico H = U + PV). Outras no México 
(75 MW) e El Salvador (95 MW) também utilizam essa fonte de energia. As fontes de baixa 
entalpia produzem água a 200 oC, com grau de salinidade menor e não tem sido usado 
para gerar energia. 
Energia Nuclear 
Energia gerada por fissão ou fusão. 
Fissão nuclear começou em 1942 - primeira reação nuclear artificial auto-sustentada. 
 
Pilha de Fermi (urânio e grafite) 
Tanto na fissão como na fusão a energia liberada E pode ser descrita pela equação de 
Einstein 
 
Essa energia é utilizada para aquecer um flluido para produzir energia mecânica que é 
convertida em energia elétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
Fissão nuclear 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Balanço de massa, antes e depois  energia liberada (E) 
massa do n = 1,0087 u.m.a 
massa do 235U = 235,0439 u.m.a 
total de massa antes = 236,0526 u.m.a 
massa do 141Ba = 140,9139 u.m.a 
massa do 92Kr = 91,8973 u.m.a 
massa dos 3 n = 3, 0261 u.m.a 
massa total depois = 235,8373 u.m.a 
m = 0,2153 u.m.a 
1 u.m.a = 1,66 x 10-27 kg 
E = (0,2153 x 1,66 x 10-27) kg x (3 x 108 m/s)2  3,2 x 10-11 J 
1 J  6,25 x 1012 MeV 
E  200 MeV 
Distribuição dessa energia 
Energia cinética dos núcleos produtos 164 MeV 
Energia cinética dos nêutrons 6 MeV 
Energia das radiações  7 MeV 
Energia dos decaimentos radioativos 23 MeV 
16 
 
Se somente 1 % dos 2,5 x 1024 átomos contidos num kg de 235U sofresse fissão 
ET = energia por fissão x n
o de átomos por kg x 1% 
ET = 3,2 x 10
-11 x 2,5 x 1024 x 0,01 = 8 x 1011 J 
Exemplo 2 
A energia produzida por 1 ton de carvão é 3 x 1010 J. Qual a quantidade de 235U 
energeticamente equivalente a essa quatidade de carvão? 
Solução 
 
 
 
 
m = 0,0375 kg = 37,5 g 
 
Para manter uma reação em cadeia, é necessário que o combustível nuclear esteja 
suficientemente compactado, para aumentar a probabilidade de colisão. A quantidade de 
material e a configuração em que esse material deve ser disposto para manter uma reação 
em cadeia define a massa crítica. 
No reator nuclear a reação em cadeia é controlada  quantidade de energia liberada e o 
fluxo de energia atinjam níveis pré-estabelecidos. O núcleo do reator contém um 
refrigerante e barras de controle. 
Reatores: térmicos usam elementos físseis (235U, 233U e 239Pu), os rápidos usam elementos 
férteis (232Th e 238U ), que geram materiais físseis. 
As reservas de materiais fertéis são 100 vezes maiores que as de materiais físseis. 
- Reatores térmicos 
Maioria dos reatores de potência. Escolha do refrigerante e do moderador é importante. 
Alguns usam água normal (H2O) outros água (D2O) pesada como meio refrigerante e 
moderador ao mesmo tempo, outros usam gás para resfriar e absorver o calor produzido e 
grafite como moderador. 
Reatores que usam água leve: reatores de água em ebolição (BWR) e os de água 
pressurizada (PWR). A princial diferença é que no primeiro a água ferve e no segundo não. 
No BWR a água é fervida a 285 oC (75 atm) e no PWR a água mantém-se líquida mesmo 
a 320 oC (157 atm). A contenção de concreto no PWR é menor do que a do BWR. No 
BWR o vaso do reator está submetida a uma irradiação menor em comparação ao PWR. 
No BWR existe contaminação da turbina por produtos de fissão. 
 
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Reator PWR 
 
Reator BWR 
 Reatores de água pesada são do tipo CANDU (Canada Deuterium Uranium). Esse 
reatores usam água pesada + urânio natural. Geram cerca de 10 % da energia nuclear no 
mundo. Custo da energia é maior que aquelas geradas pelos PWR e BWR. Também 
geram mais lixo atômico do que os outros. 
 Amarelo e laranja – circuito primário 
 Azul e vermelho – circuito secundário 
 Rosa – moderador (água pesada) 
1 – combustível; 2 – reator; 3 – barras de controle 
4 – reservátorio de água pesada; 5 – gerador de vapor; 
6 – bomba de água leve; 7 – bomba de água pesada; 
8 – máquinas de combustível; 9 – moderador (D2O) 
10 – tubo de pressão; 11 – saída de vapor; 12 – entrada de água leve; 13 – prédio do reator 
18 
 
Os reatores resfriados a gás, também tem dois estágios de transferência de calor (GCR ou AGCR). 
Um gás, o hélio ou dióxido de carbono purificado, passa sob pressão pelo núcleo do reator, 
retirando calor, que depois é transferido para um líquido usado para acionar as turbinas. 
 
1 – Tubos de carga; 2 – barras de controle; 
3 – moderador de grafite; 4 – combustível; 
5 – blindagem do vaso de pressão; 
6 – circulador de gás; 7 – água; 8 – bomba; 
9 – trocador de calor; 10 – vapor 
 
 
 
 
O urânio na natureza é basicamente constituído de 99,3 % de 238U e 0,7% de 235U. O 
urânio natural permite a regeneração do combustível nuclear. Isto é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
O plutônio é um elemento físsil. Dessa maneira o uso do urânio natural permite uma 
autonomia maior em combustível do que o urânio enriquecido. 
Reatores regeneradores rápidos - nesses reatores os combustíveis são uma 
combinação de 238U e 239Pu ou 232Th e 233U. O 233U é produto da reação 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Os elementos férteis 238U e 232Th são convetidos em elementos físseis 239Pu e 233U, numa 
taxa maior que o consumo do próprio combustíveis. O refrigerante mais usado é o sódio 
líquido e não tem moderador no núcleo do reator. 
Tipos de reatores com os combustíveis, moderador e refrigerantes utilizados 
Tipo de reatores Combustível Moderador Refrigerante 
PWR Urânio enriquecido Água leve Água leve 
BWR Urânio enriquecido Água leve Água leve 
HWR Urânio natural Água pesada Água pesada 
HTGR Urânio enriquecido Grafite Hélio 
FBR U, Pu e Th - Sódio ou hélio 
 
Utilização da fissão nuclear – além da geração de energia os reatores nucleares são 
usados para produzir rdioisótopos que possuem aplicações na indústria; medicina; 
biológia; agricultura, pecuária etc. 
19 
 
Fusão nuclear 
A fusão é a união de dois núcleos leves para formar outro mais pesado. A fusão é 
reponsável pela energia emitida pelo Sol e pelas estrelas. Assim como a fissão, a energia 
liberada é dada por: 
E = m.c2 
Exemplos de fusões nuclearesonde 
 = D = deutério e 
 = T = trítio 
Exemplo 3 
 Considerando a reação 1 acima e sabendo que 
Mi = massa total inicial = 4,0282 u.m.a. 
Mf = massa total final = 4,024695 u.m.a. 
1 u.m.a. = 1,66 x 10-27 kg 
1 MeV = 1,6 x 10-13 J 
Determine a energia liberada 
Solução: 
m = Mi – Mf = 0,003505 u.m.a. = 0,00582 x 10
-27 kg = 5,82 x 10-30 kg 
E = m.c2 = 5,82 x 10-30 kg x (3 x108 m/s)2 = 52,34 x 10-14 J 
E = 32,7 x 10-1 MeV = 3,3 MeV. 
O deutério é um dos componentes básicos da fusão. Ele é estável e pode ser encontrado 
na água do mar numa proporção de 1:6500 átomos de hidrogênio. A energia média 
liberada pela fusão de todos os átomos num m3 de água do mar é 12 x 1012 J, o que 
corresponde a 2 x 103 barris de petróleo. 
Exemplo 4 
Sabendo que a fusão de todo deutêrio contido em 1 m3 de água do mar libera uma energia 
correspondente à de 2 x 103 barris (bbl) de petróleo, compare as reservas energéticas de 
20 
 
petróleo, (estimadas em 2 000 bilhões de barris) e do volume oceânico de 
aproximadamente 1,5 x 109 km3). 
Solução 
Voc = 1,5 x 10
9 km3 = 1,5 x 1018 m3 
1 m3 2 x 103 bbl 
1,5 x 1018 m3 x bbl 
X = 3 x 1021 bbl 
Vp = 2 x 10
12 bbl 
 
 
 
 
Logo a capacidade do oceâno é mais de um bilhão de vezes maior que a capacidade 
energética da reserva mundial de petróleo. 
A fusão nuclear só pode ocorrer com núcleos muito próximos, a força de atração nuclear 
deve ser maior do que a força de repulção coulombiana. Isto é, a energia cinética 
associada a cada núcleo tem de ser muito grande. Energia cinética grande  alta 
velocidade  gás supraquecido (~ 107 K)  gás completamente ionizado  plasma. 
Comportamento do plasma é dominado pelo fenômenos eletromagnéticos. Necessidade de 
ocorrência de um número muito grande de reações por unidade de tempo para que a 
energia gerada seja maior do que a energia gasta. A condição para atingir um balanço 
positivo é dada pelo critério de Lawson: 
 
 
 
 
N > 10
14 (íons/cm3) . s 
Condições para um reator de fusão estável são: densidade do plasma N = 5 x 1014 
íons/cm3, duração de confinamento  = 0,5 s e temperatura do plasma T = 108 K. 
Melhor equação  D + T 4He + n + 17,6 MeV 
Entretanto, não existe trítio (3H) na natureza, assim  n + 6Li 4He + T + 4,8 MeV 
Dessa maneira pode-se escrever D + 6Li 2 4He + 22,4 MeV 
Por diversos problemas de ordem técnica ainda não existe um reator de fusão. 
 
 
21 
 
Energia Solar 
A existência da vida e a produção de energia na Terra depende quase que exclusivamente 
do Sol. Alimentos  fotossíntese, combustíveis fósseis  energia solar armazenada. 
Aproveitamento direto é pequeno. 
Três atrativo principais 
1 – renovabilidade quase infinita (escala de tempo dos humanos) 
2 – proporção menor de impactos ambientais 
3 – aplicação regional – não necessitando de transporte de longa distância. 
Utilização da energia solar - desidratação (índios pré-incaicos) 
A aplicação tecnológica começou com o uso de lentes convergentes para produzir calor. 
1872 – unidade de destilação solar no Chile – água salobra em água potável 
1878 – Exposição de Paris – luz solar focalizada numa caldeira  vapor operava um 
prensa gráfica. 
1913 – Egito - máquina solar (40 kW) – usada em irrigação 
Baixo custo do petróleo atrasou o desenvolvimento dessa tecnologia. 
Taxa de energia solar sobre a Terra – 173 x 109 MW ou 1.362 W/m2 - Reflexão e absorção 
pela atmosferra diminui esse valor – valor médio em 24 h é 630 W/m2. A quantidade real 
depende da região – próxima do Equador maior. 
Coletores solares térmicos 
Transformam luz solar em calor. Calor pode ser usado para aquecimento de água, 
produção de eletricidade ou consumo doméstico. 
As propriedades que caracterizam um material são a absortância (coeficeinte de 
absorção), a emitância (coeficiente de emissão) e reflectância (coefiente de reflexão). 
Um corpo ideal é aquele que emite toda radiação possível, isto é, que tem emitância igual 
a 1 ou absorve toda a radiação posssível ou que tem absortância igual a 1, esse corpo é 
denominado corpo negro. 
O coletor térmico transforma luz solar em energia térmica. Um material ideal para esse fim 
deve ser um bom absorverdor de radiação visível e emitir pouca radiação infravermelha 
(calor). 
A transparência também é importante, tanto para a luz visível quanto para o infravermelho. 
O vidro comum é transparente a luz visível mas não para o infravermelho, causando o 
efeito estufa. 
22 
 
Coletores térmicos planos – usados em sistema de aquecimento de água. A superfície 
que recebe a luz solar é de vidro ou 
plástico, aumentando a eficiência do 
coletor devido ao efeito estufa. As 
paredes e o fundo são de materiais 
isolantes térmicos. A superrfície 
seletiva é preta para aumentar a 
absortância e diminuir a emitância. A 
eficiência é da orde 
mde 50%. 
O desempenho 
depende da 
intensidade solar, 
da transmitância 
da cobertura, da 
absortância da camada seletiva, das temperaturas do coletor e do meio ambiente e do 
coeficiente de perda do coletor para o meio ambiente. Assim, têm-se 
Pabs = Pinc   - U (Tc – Ta) (5) 
onde Pinc é a potência incidente por unidade de área,  é a transmitância,  é a absortância 
do coletor, U é o coeficiente de perda da superfície seletiva para o meio ambiente, Tc a 
temperatura do coletor e Ta a temperatura do ambiente. 
Coletores térmicos focalizantes – utiliza a propriedade da reflexão das superfícies para 
concentrar energia em regiões limitadas. Nesse tipo de coletor 
cilíndrico-parabólico o tubo é colocado na linha focal do cilíndro. A 
razão concentração (c) é a razão entre a área do concentrador 
(AC) e área do absorvedor (AA) e seus valores variam de 10:1 a 
10.000:1, ou mais, dependendo das dimensões e da finalidade. A 
maior fonte de perda de energia é a irradiação. A potência 
irradiada pelo absorvedor é dada por: 
 
 (6) 
onde AA é a área do absorvedor, A sua emitância , TA sua temperatura absoluta e  é a 
constante de Stefan-Boltzmann. Para diminuir a perda sua área deve ser pequena e o 
material deve possuir pequena emitância. 
A potência absorvida pelo absorvedor, PA, por unidade de área do concentrador pode ser 
estimada por 
PA = Pinc A A - U (TA – Ta) 
Como a perda para o ambiente é muito pequena, têm-se 
23 
 
PA = Pinc A A (7) 
Assim, a potência total 
 recebida pelo absorvedor é 
 
 (8) 
Define-se para o coletor focalizante, a razão potência total recebida pela potência irradiada 
pelo absorvedor, assim têm-se 
 
 
 
 
 
 
 
como 
 
 
 
têm-se 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (9) 
Assim, para que o coletor concentrador seja eficiente é necessário que as razões A/A e C 
sejam grandes. 
Exemplo 6 
A incidência solar média por unidade de área numa dada região é de 600 W/m2, durante 6 
horas por dia. Determine a energia disponível, por unidade de área, para ser coletada por 
dia por um coletor plano. Qual seria a área do coletor a ser instalado para aquecer uma 
residência que consome 1.200 x 106 J/d, sabendo-se que sua eficiência éde 32%? 
Solução 
Pinc = 600 W/m
2 = 600 J/(s.m2) 
t = 6 h = 21.600 s 
Edisp = Pinc x t = 600 J/(s.m
2) x 21.600 s = 12,96 x 106 J/m2 
como Eprod =  x Edisp = 0,32 x 12,96 x 10
6 J/m2  4,147 x 106 J/m2 
Para o consumo de 1.200 x 106 J/d 
Econs = A x Eprod 
A = Econs/ Eprod = 1.200 x 10
6 J/4,147 x 106 J/m2 
A  289,4 m2 
Superfície aproximada de 17 m x 17 m 
 
24 
 
Células fotovoltaícas 
Convertem diretamente a energia solar em energia elétrica. As células fotovoltaícas 
utilizam semicondutores. Os semicondutores feitos de silício (Si) são os mais usados e sua 
eficiência é de 15 % a 21 %. Eles são difíceis de serem produzidos, custo elevado. Outros 
elementos utilizados são o arsenieto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS), filmes fino 
de CIGS – Cu(In,Ga)Se2 e telureto de cádmio (CdTe), com diferentes eficiências de 
conversão. 
A potência produzida pelas células fotovoltaícas é dada por 
P = Pinc  A (10) 
sendo Pinc a potência de incidência,  a eficiência do dispositivo e A a área do coletor. 
Devido ao elevado custo de fabricação e manutenção, a utilização dessa tecnologia para o 
consumo comercial não oferece vantagem. Entretanto, é muito utilizada em satélites 
artificiais. 
Conversão de energia solar armazenada pela biomassa 
Cerca de 0,02 % da energia incidente sobre a Terra é utilizada na fotossíntese, e 
armazenda na forma de energia bioquímica, representada por 
6 CO2 + 6 H2O + radiação solar C6H12O6 + 6 O2 
nC6H12O6 [H – (C6H10O5) – OH] + (n-1) H2O 
onde H – (C6H10O5) – OH pode ser celulose, amido ou carboidrato 
Esse processo é responsável pela formação da biomassa – que consiste de animais, 
plantas e combústível fósseis. A biomassa é uma fonte de energia renovável e aproveitada 
de várias formas, como alimento, como combustível, como produtor de gás metano e de 
álcool. 
Materiais orgânicos secos, como madeira, podem ser degradados por aquecimento na 
ausência de oxigênio, pocesso de pirólise. Os produtos dessa reação, quando a 
temperatura está acima de 500 oC, são uma mistura de gases combustíveis, óleo de baixa 
qualidade e carvão. 
Produção de biogás – CH4 
Resíduos orgânicos, como lixo de cozinha, esterco, plantas, esgoto doméstico entre 
outros, quando acumulados e deixados em repouso, se decompõem, gerando produtos 
que são utéis como fonte de energia. 
No primeiro estágio da decomposição o oxigênio que envolve os resíduos permite a 
formação de bactérias aeróbicas, que se reproduzem facilmente, absovendo oxigênio e 
liberando gás carbonico. Quando acaba o oxigênio, o segundo estágio se inicia. Nessa 
25 
 
fase as bactérias ácidas anaeróbicas começam a surgir, digerindo gorduras, proteinas e 
amidos, liquefazendo os resíduos e convertendo-os em ácido acético. Esse estágio é 
pouco afetado pelas variações do meio. 
Acabado esse estágio as bactérias metamogênicas iniciam a conversão de do ácido 
acético em gás metano,que pode ser aproveitado como combustível. Essas bactérias se 
reproduzem lentamente e são sensíveis às variações do meio. O resíduo é uma pasta rica 
em nitogênio e húmus, que serve como fertilizante. 
Os problemas mais críitico para a produção de biogás são o controle do pH e da 
temperatura durante o terceiro estágio. A variação de temperatura não pode ser maior do 
que  2 oC, embora a fermentação possa ocorrer entre 28 oC e 45 oC. O meio orgânico 
teve ter um pH entre 6,8 e 7,4, próximo da neutrralidade, quando a produção de gás é 
máxima. 
A produção de biogás é relativamente barata, renovável e eficiente, além de ser não 
poluente. O subproduto é um excelente fertilizante. 
Produção de álcoois 
 A eficiência com que as plantas convertem energia solar em bioquímica e seu 
armazenamento varia bastante. A cana-de-açúcar e o sorgo sacarino são exemplos de 
vegetais com boa eficiência de conversão, logo matérias-primas para a extração de álcool. 
O processo para a obtenção de álcoois, etílico e metílico, a partir da fermentação e 
destilação da batata, beterraba, milho, cevada e outros cereais é conhecido a muito tempo. 
Entretanto, o uso como combustível é mais recente, datando do ínicio do século passado. 
No Brasil o Plano Nacional do Álcool - Proálcool, começou em 1975, como substituto da 
gasolina. No Brasil cerca de 30% do petróleo é gasto em transporte, com a adição de 20 % 
de álcool etílico na gasolina o consumo reduziria para 2/3 do atual. Atualmente a proposta 
é aumentar para 25 % o percentual de álcool na gasolina para a Petrobrás poder aumentar 
o preço da gasolina que é importada. 
O etanol ou álcool etílico (C2H5OH) é obtido no Brasil pela fermentação do melaço, resíduo 
da indústria de açúcar. Aumento da demanda esse resíduo não é suficiente. Assim, a 
própria cana-de-açúcar é usada para a produção de etanol. 
Cana  Corte e moagem  caldo  aquecimento, decantação, filtração e esfriamento  
mosto  fermentação  destilação  etanol (álcool etílico) 
A produção de álcool metílico (CH3OH) é diferente da produção de etanol. Enquanto etanol 
é obtida da fermentação de açucares e posteriormente destilado, o álcool metílico é 
produzido por reações de gás carbônico com o hidrogênio. 
Madeira  combustão incompleta  gaseificação (C + H2O  CO + H2)  esfriamento, 
tratamento químico  remoção de CO2  conversor por troca (CO +H2O  CO2 + H2)  
remoção de CO2  sintetização do metanol (CO + 2 H2  CH3OH)  detilação 
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Energia Eólica 
Energia contida no movimento do ar na forma de vento. Uso da vela em barcos e moinhos 
muitos de vento alguns séculos a.C. As velas que eram de pano ou madeira e 
os moinhos que tinham de 3 até 32 pás sofreram muitas modificações desde 
a suas invenções. Os moinhos de vento eram usados para circular água e 
para acionar moendas. Em 1890 na Dinamarca surgiu um moinho de vento 
para gerar eletricidade, com potência de 9kW. 
Atualmente, existem vários tipos de 
aerogeradores, cataventos construídos para 
gerar energia elétrica, produzindo mais de 1 MW de potência. 
Alguns instalados em torres de mais de 30 m de altura e 
hélices de mais de 40 m de diâmetro. 
O catavento converte a energia dos ventos em energia de 
rotação de pás, essa energia mecânica é transformada em outros tipos de energia de 
diversas maneiras, dependendo da utilização. Os cataventos e aerogeadores podem ter os 
eixos de rotação vertical ou horizontal, isto é paralelo ao solo. Os de 
eixo vertical operam independente da direção do vento. Os sistemas 
com eixos horizontais precisam ser alinhados com a direção do vento, 
porque o vento deve incidir perpendicularmente sobre as pás para que 
a conversão de energia seja máxima. 
A eficiência do catavento é definida como a razão entre a potência 
extraída do vento pela potência contida no vento que aravessa a área 
varrida pelas pás, ou seja 
 
 
 
 
 
 
 
Levando-se em conta que a variação da energia cinética do vento resulta o movimento do 
catavento, através da hidrodinâmica, pode-se calcular a potência máxima extraída de um 
catavento de eixo horizontal, 
 
 
 
 (11) 
onde r é o raio do catavento,  a densidade do ar nas condições de operação e v é a 
velocidade do vento antes de incidir sobre as pás. 
Se o catavento não causar turbulência no fluxo de ar incidente, a energia cinética do ar 
incidente sobre a área varrida pelas pás será 
 
 
 
 
 
 
 
onde V é o volume de ar incidente 
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Para um volume cilíndrico de seção igual a área do catavento e comprimentox 
 
 
 
 
A potência contida no vento é exatamente a variação infenitesimal dK no interrvalo de 
tempo infenitesinal dt, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Entretanto, dx é a variação infenitesimal do deslocamento de ar num intervalo de tempo dt 
 
 
 
 
 
 
 (12) 
Essa fórmula é válida mesmo que a velocidade do vento varie. Com os valores de Pmáx e 
de Pcont conclui-se que a eficiência máxima teórica calculada para um catavento de eixo 
horizontal é 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quaisquer que sejam a velocidade do vento e a dimensões do catavento. Entretanto, a 
eficiência real atingida é metade do valor teórico máximo, 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo 7 
Qual a potência mecânica que se pode extrair efetivamente de um moinho de 10 m de raio, 
sujeito a um vento de 10 m/s, se a densidade do ar é 1,288 kg/m3? 
Solução 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pmáx  120 kW 
Preal  60 kW 
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Se os cataventos forem utilizados paraa produção de energia elétrica, a eficiência real do 
sistema todo é menor que 50 %, a eficiência de conversão de energia eólica em energia 
elétrica é da ordem de 30 %.