Aula 02_Energia

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ENERGIA: 
ORIGENS, CONVERSÃO E USOS 
DIFERENTES FORMAS DE ENERGIA 
NA NATUREZA 
 
 
 
 
Pedro Carajilescov 
Energia Mecânica: 
Energia Potencial: Potencial Hídrico 
 
 
 
 
 
 
Energia Cinética: Potencial Eólico 
Energia Solar: 
Radiação  Energia Térmica 
 
 
 
 
Radiação  Eletricidade 
ENERGÉTICOS PRIMÁRIOS 
 PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA 
Biomassa 
Petróleo 
Gás Natural 
Carvão 
Minério de Urânio 
 
Energia Térmica: 
Biomassa 
Petróleo 
Carvão 
Gás Natural 
Reação química: 
 
Nuclear 
 
Fissão nuclear: 
CONTEÚDO ENERGÉTICO 
PODER CALORÍFICO DE ALGUNS COMBUSTÍVEIS 
1 tep = 1x107 Kcal 
CONCEITO DE PODER CALORÍFICO 
DEFINIÇÃO: 
 
Quantidade de energia por unidade de massa (ou de volume, no caso 
dos gases) liberada na oxidação (reação com oxigênio) de um 
determinado combustível. 
 
DUAS FORMAS: 
 
I. Poder Calorífico Superior (PCS): Soma da energia liberada na forma de calor e a 
energia gasta na vaporização da água que se forma na combustão 
 
II. Poder Calorífico Inferior (PCI): Energia liberada na forma de calor. 
 
Observação: 
i. Para combustíveis que não contém hidrogênio na composição, PCS = PCI. 
ii. Valores dos poderes caloríficos são tabelados (vide, por exemplo, o BEN). 
iii. Em projetos, geralmente, utiliza-se o PCI. 
Biomassa: 
 Energia de Biomassa: 
Energia gerada a partir de matéria orgânica 
 Biomassa: 
Lenha (3100 Kcal/Kg) 
Produtos de cana: 
Álcool (Anidro: 6500 Kcal/Kg, Hidratado: 6300 Kcal/Kg) 
 bagaço (2130 Kcal/Kg com 50% de umidade) 
Biodiesel (9000 Kcal/Kg) 
Carvão vegetal (3000 a 5700 Kcal/Kg) 
Resíduos agrícolas 
Outras origens 
Petróleo: 
 Fonte de Energia Primária 
Energia gerada a partir de derivados de petróleo 
 Derivados: 
Diesel (10100 Kcal/Kg) 
GLP (11100 Kcal/Kg) 
Gasolina (Automotiva: 10400 Kcal/Kg, Aviação: 10600 Kcal/Kg)) 
Óleo combustível (9590 Kcal/Kg) 
Querosene (10400 Kcal/Kg) 
Nafta (10630 Kcal/Kg)  Sem uso final energético 
Solventes, lubrificantes, asfalto e outros 
Gás Natural: 
 Gás Natural Seco (a 20 ºC): 
 PCI: 8800 Kcal/m3 
 PCS: 9256 Kcal/m3 
Gás Natural Úmido (a 20 ºC): 
 PCI: 9930 Kcal/m3 
 PCS: 10454 Kcal/m3 
Carvão: 
 Carvão Vapor: 
 Geração elétrica (entre 2850 e 5700 Kcal/Kg) 
 
 Carvão Metalúrgico: 
 Coquerias  Coque de carvão mineral: 
Siderurgias 
 Grande parcela (99%): importado 
 PCI: 
Nacional (6420 Kcal/Kg) 
Importado (7400 Kcal/Kg) 
Nuclear: 
 Minério : Fonte de Energia Primária 
Energia gerada do beneficiamento do minério 
 
Transformação: 
Ciclo do combustível nuclear 
 
Queima completa: 
U3O8 
1,96 x 107 Kcal/Kg 
Combustíveis 
Biomassa 
Petróleo 
Gás Natural 
Carvão 
Nuclear 
 O quê esses combustíveis tem em comum? 
 
De maneira geral, seus processos de conversão: 
 
 
ENERGIA TÉRMICA TRABALHO 
ENERGIA: ORIGENS, CONVERSÃO E USOS 
 
CONCEITOS FUNDAMENTAIS BÁSICOS 
Formas de energia 
Um sistema físico possui energia de diversas formas: 
 
 Energia cinética: energia possuída por um corpo em virtude de seu movimento 
 Energia potencial: energia possuída por um corpo em virtude de sua posição 
em um campo de forças (p.ex.: campo gravitacional) 
 Energia térmica: energia possuída por um corpo em virtude de sua 
temperatura 
 Energia interna: energia possuída por um corpo em virtude de sua constituição 
(compostos possuem energia química, núcleo possuem energia nuclear) 
 Etc. 
Formas principais de conversão de energia 
Energia Térmica  Trabalho de eixo 
Energia Potencial Gravitacional  Trabalho de eixo 
Energia Cinética  Trabalho de eixo 
Energia Solar  Energia Térmica  Trabalho de eixo 
 
Outras conversões: 
 
Trabalho de eixo  Eletricidade 
Energia Solar  Eletricidade (conversão direta)
 
Energia e Potência 
Por definição: 
 
 
 
 Potência é definida como a taxa (variação temporal) de realização de trabalho. 
 
Por consequência: 
 
 
 Energia ou realização de trabalho útil por uma máquina operando à potência 
P(t), durante um período de tempo, T. 
 
dt
dW
tP )(
Trabalho, Energia Potencial Gravitacional 
e Energia Cinética 
Definições: 
 
 Trabalho realizado por uma força: 
 
 
 Energia Potencial Gravitacional: (Energia de posição) 
É definida como o negativo do trabalho realizado pela força-peso. 
 
 
 
 
 
 Energia Cinética: (Energia de movimento) 
Conversão 
Trabalho e Energia Cinética 
Segunda Lei de Newton: 
 
 
 
 
Pela Regra da Cadeia: 
 
 
 
 
Segue: 
 
 
 
 
 
Finalmente: 
O trabalho é igual à variação da energia cinética do objeto. 
 
Trabalho realizado por um pistão 
 
Trabalho realizado deslocando o pistão entre duas posições: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Este trabalho também é conhecido como trabalho de fronteira. 
 
 
Trabalho e Força de Atrito 
 
Trabalho realizado pela força de atrito se transforma em calor: 
 
 
Primeira Lei da Termodinâmica 
: 
 
Ao elevar o peso da posição 1 para a posição 2, a força F 
fornece trabalho ao sistema equivalente à variação da sua 
energia potencial  Trabalho entra no sistema (negativo, por 
convenção). 
 
Se baixarmos lentamente o peso da posição 2 para a posição 
1, o sistema devolve o trabalho  Trabalho é realizado pelo 
sistema (positivo, por convenção). 
 
Se considerarmos o ciclo fechado de operação 1-2-1, 
teremos: 
 
 
 
Primeira Lei da Termodinâmica 
Se houve atrito na polia e considerarmos o ciclo fechado de 
operação 1-2-1, teremos: 
 
 
 
 
Neste caso, teremos: 
Convenção: 
 
• Calor entrando no sistema  positivo 
• Calor saindo do sistema  negativo 
 
• Trabalho realizado no sistema  negativo 
• Trabalho realizado pelo sistema  positivo 
 
Primeira Lei da Termodinâmica 
Considere o sistema variando do estado 1 para o estado 2 por um 
processo A e retornando para o estado 1 por um processo B. Teremos: 
Considere, agora, o sistema variando do estado 1 para o estado 2 por um 
processo A e retornando para o estado 1 por um processo C. Neste caso: 
Segue: 
 
Primeira Lei da Termodinâmica 
Conclusão: 
 
Quando um sistema varia de um estado prescrito para outro, o valor da 
integral de (dQ-dW) é fixo pelos estados finais e é independente do 
processo. 
 
 
Podemos escrever: 
 
 
Diferenciando: ou 
 
Estas expressões correspondem à conservação de energia de um sistema 
 
 Por definição: E = Energia interna do sistema 
 
Energia Interna de um Sistema 
Usualmente, escrevemos: 
 
 
 
 
onde: U = energia interna da substância (propriedade termodinâmica) 
 
Ainda: 
 
 
 
 
(energias interna, cinética e potencial por unidade de massa ou específicas) 
 
 
Conceito de Entalpia 
Considere um fluido em um cilindro. O cilindro é mantido fechado 
por um pistão submetido a uma força F constante. 
 
Calor ou trabalho é fornecido ao sistema, provocando o 
deslocamento infinitesimal do pistão para a posição pontilhada. 
 
No caso de calor fornecido: 
 
 dQ=du+pdv 
 
No caso de trabalho fornecido: 
 
 0=du+pdv-dWp 
 
(por unidade de massa) 
 
Conceito de Entalpia 
Sendo F constante, sistema é mantido a pressão constante. 
Como a pressão é constante, podemos escrever:du+pdv=d(u+pv) 
 
Definimos entalpia (propriedade termodinâmica) como sendo: 
 
h=u+pv 
 
Assim, no caso de fornecimento de calor, dQ, temos: 
 
dQ=dh 
 
e, no caso de fornecimento de calor, dWp, segue: 
 
dWp=dh 
 
Sistema em Termodinâmica 
 Sistema é aquilo que desejamos estudar 
 Vizinhança é tudo que está fora do sistema 
 Fronteira do sistema 
 Separa o sistema de sua vizinhança 
 Sistema fechado 
 É o sistema no qual não ocorre transferência de massa através de sua 
fronteira 
 Sistema isolado 
 É o sistema que não interage de forma alguma com a vizinhança 
 Por exemplo: não há transferência de massa e de energia 
 
Volume de controle e sistema aberto 
 Sistema aberto é aquele em que há transferência de massa pela sua 
fronteira 
 
 Volume de controle é região dentro de uma fronteira na qual há 
escoamento de massa 
 
 O sistema pode ter uma fronteira móvel. O volume de controle é fixo 
 
 Através da fronteira do volume de controle ou do sistema aberto pode 
escoar massa ou energia 
 
Sistemas 
Fronteira dos sistemas 
 
Primeira Lei da Termodinâmica para um 
Sistema Aberto 
A primeira lei da Termodinâmica, para este 
sistema, pode ser escrito na forma: 
 
 
 
 
ou, utilizando o conceito de entalpia: 












 1
2
1
1112
2
2
222
22
gz
V
vpugz
V
vpuWQ eixo












 1
2
1
12
2
2
2
22
gz
V
hgz
V
hWQ eixo
Finalmente: 
 
Propriedade, estado, processo e ciclo 
 Propriedade ou variável de estado é uma característica macroscópica que 
descreve um sistema 
 Estado é a condição em que se encontra um sistema definida em termos 
de valores de suas propriedades 
 Um sistema pode estar em diferentes estados 
 Processo é uma transformação que um sistema sofre que o leva de um 
estado para outro 
 estado inicial e estado final 
 Importante: As propriedades do sistema mudam ao longo de um processo 
 Ciclo é uma sequência de processos que leva o sistema de volta ao 
estado inicial 
 Estado final igual ao estado inicial 
 
Segunda Lei da Termodinâmica 
Enunciado de Kelvin-Planck: 
 
 É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo termodinâmico que 
não produza outros efeitos além da realização de trabalho e troca de calor com 
um único reservatório térmico. 
É necessário um reservatório a baixa 
temperatura (sumidouro) para receber 
calor rejeitado 
 
Trabalho em Ciclo Termodinâmico 
Suponha que um sistema seja submetido ao uma sequência de processos 
formando um ciclo. 
Neste ciclo, ele recebe e transfere calor e realiza trabalho sobre o 
sistema. 
Pela 1a lei da termodinâmica: 
 ΔE = (QH – QR) – W 
 
Em um ciclo, os estados final e inicial são iguais. Então ΔE = 0. 
Portanto: 
W = (QH – QR) 
 
O trabalho realizado pelo sistema é igual ao calor transferido pelo 
sistema. 
 
Eficiência de um Ciclo Termodinâmico 
Eficiência: 
 “Relação entre o trabalho útil realizado pelo ciclo e o calor fornecido ao 
 sistema.” 
Observa-se que: 
 A eficiência é sempre menor que 1. 
 A eficiência será maior se QR for menor. 
 O calor que sai é perdido. Com ele não se faz trabalho. 
 
Entropia 
Perdas em um processo: 
 Podem ser avaliadas através da introdução de uma propriedade termodinâmica 
 adicional  ENTROPIA, s 
 
 Definição clássica: 
 
 Pode-se mostrar que, para a mudança de estado de um sistema entre os pontos 
 A e B, tem-se: 
 Desigualdade de Clausius 
 
Obs: Diagramas T-s  muito utilizados para representar ciclos termodinâmicos. 
 
 
 
 
Irreversibilidade, I 
Conceito: a diferença entre o trabalho útil máximo que seria obtido se o processo 
 fosse reversível e o trabalho útil obtido. Pode-se demonstrar que: 
 
 
 
 
 
 
Se o processo for reversível: e I=0 
 
 
 
Uma das utilidades do conceito de reversibilidade  Irreversibilidade de um sistema 
 completo pode ser analisada em termos de irreversibilidade 
 de suas partes individuais. 
 
A irreversibilidade do todo é a soma das irreversibilidades das partes. 
 

B
A
AB
T
dQ
ss )(
  





 
B
A
ABuu
T
dQ
ssTWWI 0max,
 
Ciclo de Carnot 
Introduzido em 1824 junto com dois conceitos importantes: 
 
a. Conceito de reversibilidade 
b. Conceito de máquina térmica operando entre 2 fontes de calor. 
 
 Eficiência do ciclo: 
1
01
T
T
rev 
 
Ciclos Termodinâmicos 
Diferentes máquinas térmicas  Diferentes ciclos termodinâmicos 
 
a. Usinas operando com geração de vapor  Ciclo Rankine 
b. Usinas com turbinas aeroderivadas  Ciclo Brayton 
c. Motores de combustão interna: 
 Utilizando Diesel  Ciclo Diesel 
 Utilizando Gasolina  Ciclo Otto 
 
 
(os ciclos serão discutidos quando tratarmos dos assuntos correspondentes)