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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)
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