Cap+¡tulo 1 Formas de Energia

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CURSO DE TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS 1 
Prof. Avanir Lessa 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS 
 
 
 
 
 
 
 
PROFESSOR: AVANIR CARLOS LESSA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tatuapé 
Victor Civita 
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Prof. Avanir Lessa 
I Informações Sobre a Disciplina de Tecnologias Energéticas 
 
I.1 Características das Aulas 
 
As aulas da disciplina de Tecnologias Energéticas serão divididas por capítulos. Cada aula 
corresponde a um determinado capítulo. 
 
Caso a turma concorde, os Alunos poderão fazer em grupo de 03 pessoas um Artigo, que poderá 
valer até 03 pontos a ser somado na nota da Prova P2. 
 
Assim, a prova P2 valeria 70% e o Artigo até 30% da nota de P2. 
 
Os temas dos Artigos são livres e podem ser uma parte dos TCCs. 
 
I.2 Provas e Avaliações 
 
Haverá 03 Provas para avaliação de compreensão da disciplina, P1, P2 e P3. As provas serão 
informadas e combinadas com os Alunos em data oportuna, embora eu já definir no Plano de Curso. 
 
A nota da prova P1 valerá 100% do valor da prova, a nota da prova P2 valerá 70% da nota de 
avaliação de P2 mais a nota do Artigo que valerá até 30% e a Prova P3 100% da avaliação de P3. 
 
As provas serão 100% em cima do material enviado, porém com enunciados podendo ser 
diferentes. 
 
O Aluno só fará P3 se não conseguir média 6 nas avaliações de P1 e P2. 
 
I.3 Presenças, Faltas e Informações Finais 
 
Os Alunos devem observar que ao entrar no Teams fica gravado quanto tempo ele participou da 
aula. As presenças nos dias de aulas serão dadas pelo tempo em que ficou na devida aula e, 
consequentemente as faltas. 
 
Acompanhem as presenças e faltas pelo SIGA. 
 
Desejo a todos os Alunos um bom 2º. Semestre e tenham certeza que farei o melhor possível para 
que tenhamos uma boa convivência, harmonia, compreensão, dedicação, etc. par com vocês. Entre 
sempre em contato, caso necessitem. 
 
 
 
 
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Prof. Avanir Lessa 
Capítulo 1 Formas de Energia 
 
1.1 Introdução 
 
As diversas formas de energia estão presentes nas nossas atividades diárias. Entretanto, qual o 
conceito de energia? 
 
A ideia de energia existe desde a antiguidade. O conceito de energia, contudo, levou muitos anos 
para ser desenvolvido. Isaac Newton (1642-1727) formulou as leis do movimento e definiu as energias 
potencial e cinética. Depois, Fahrenheit e Celcius criaram escalas de temperatura. Thompson (1753-1814) 
conceituou a conversão de trabalho mecânico em calor. Thomas Young (1773-1829) estabeleceu em 1807 
o termo Energia, a partir do grego “energeia” (em trabalho ou atividade) para unificar os aspectos 
observados. James P. Joule (1818-1889) determinou a equivalência energética entre calor, trabalho e 
energia elétrica (1 caloria = 4,184 Joules). Max Planck (1858-1947) explicou os aspectos energéticos da 
luz. Finalmente, Albert Einstein desenvolveu a teoria da relatividade, unificando todas as formas de 
energia e dando-lhe uma equivalência em massa, sob a forma de E = mc². 
 
Assim, fisicamente, energia é a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer, ou 
seja, energia pode ser definida pela capacidade de produzir trabalho. Trabalho, por sua vez, é o resultado 
de uma força sobre o deslocamento de um corpo. 
 
A energia não pode ser criada, ou destruída, apenas transformada. Algumas formas de energia são 
mais úteis para o ser humano do que outras. 
 
Têm-se diversos tipos de energia: 
 
 Energia Cinética 
 
Energia obtida a partir da força dos movimentos. Ela pode ser dividida na energia das ondas, 
energia maremotriz e energia dos ventos, energia eólica. 
 
 Energia Gravitacional 
 
Energia obtida a partir das quedas d´água. 
 
 Energia Elétrica 
 
Energia obtida a partir dos geradores elétricos, baterias elétricas e geradores de corrente. 
 
 Energia Química 
 
Energia obtida a partir das reações exotérmicas como a combustão de diesel e gasolina. 
 
 
 
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 Energia Térmica 
 
Energia obtida a partir da queima de carvão, madeiras e/ou demais materiais combustíveis. 
 
 Energia Radiante 
 
Energia obtida pela luz do sol. 
 
 Energia Nuclear 
 
Energia obtida pela fissão de átomos de urânio ou fusão de núcleos de hidrogênio. 
 
 Energia Mecânica 
 
Energia obtida através dos terminais de uma máquina mecânica, podendo ser através de algum 
sistema giratório ou de forma de variação de energia potencial. 
 
Quando se converte uma forma de energia em outra, parte dela é dissipada em outra, por exemplo, 
em calor. 
 
Uma forma de medirmos a eficiência de um sistema é pelo seu rendimento, ou seja, a relação entre 
a energia que entra e a energia que sai. 
 
A unidade comumente utilizada tanto para o trabalho quanto para a energia mecânica é o joule (J). 
 
1.2 Energia Mecânica: Trabalho, Energia Cinética e Energia Potencial 
 
1.2.1 Trabalho 
 
Um termo normalmente utilizado no dia a dia é o trabalho. Entretanto, em sistemas energéticos ele 
tem um sentido especial, pois, ele representa uma transferência de energia entre um sistema e seu entorno. 
O trabalho não pode ser armazenado, porém, a energia sim. 
 
Por exemplo: a energia armazenada em uma pilha, a energia armazenada nos terminais de um 
capacitor e um indutor, após ser energizado, a energia armazenada nos terminais de uma bateria. 
 
Trabalho (W, do inglês work) é uma função do caminho. O trabalho é matematicamente definido 
pela integral da força “F” pelo deslocamento “z” de um ponto A ao ponto B. Assim: 
 
𝑊 = 𝐹𝑧𝑑𝑧
𝐵
𝐴
 
 
 
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No caso mais simples de uma força constante: 
 
 W = F∙z 
 
Se a força não for aplicada na direção em que o movimento ocorre, utiliza-se no caso a 
componente da força na direção do movimento. 
 
Considera-se que a somatória das variações da energia potencial ou da energia cinética é o 
trabalho realizado, dá-se a soma dessas duas energias o nome de energia mecânica, que é a capacidade de 
produzir trabalho. 
 
1.2.2 Energia Cinética 
 
A energia cinética (𝐸 ou K) é uma quantidade escalar (sem direção, inteiramente descrita pela sua 
magnitude) de energia que um sistema possui devido à sua velocidade relativa ao seu entorno. 
 
A forma de obter energia mecânica através da energia cinética é pelo movimento circular em volta 
de um eixo. Este é o caso da energia mecânica na ponta de eixo de um motor elétrico. O motor elétrico 
transforma energia elétrica em energia mecânica através do giro de seu eixo. 
 
1.2.3 Energia Potencial 
 
A energia potencial (P) é aquela que o sistema possui devido a uma força gravitacional ou 
eletromagnética exercida sobre uma massa e tomando uma superfície como referência. Considerado da 
queda de um corpo sob a ação da gravidade, o trabalho é dado pelo produto da força pelo deslocamento, o 
que corresponde à ideia intuitiva de trabalho que se tem. 
 
Matematicamente, tem-se: 
 
𝑊 = 𝐹𝑧𝑑𝑧 = 𝑚𝑔(𝑦2 − 𝑦1)
𝑦2
𝑦1
 
 
Considerando que a altura “h” é a diferença de y2 – y1, ou seja, h = y2 – y1, assim: 
 
 W = mgh 
 
Um reservatório de água no alto de uma colina é um típico exemplo de energia potencial 
hidráulica. Outro exemplo de energia potencial é um arco envergado preste a disparar uma flecha, ou ou 
uma mola pressionada. 
 
 
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Prof. Avanir Lessa1.3 Calor, Energia Interna e Entalpia 
 
Em meados de do século XIX, Joule mostrou que o trabalho mecânico podia ser transformado 
integralmente em calor. Calor é um termo amplo, usado no dia a dia, mas que deve ser utilizado de forma 
bem mais restrita quando se trata de aplicar as Leis de Transferência de energia. 
 
Como explanado anteriormente, a energia pode ser transformada de uma forma para outra, mas 
não criada nem destruída. Tal lei sugere que todas as transferências de energia, perdas e ganhos podem 
ser contabilizadas em uma espécie de balanço. Além disso, sempre que se transforma a energia ocorrerão 
perdas. 
 
1.3.1 Calor 
 
Calor (Q) é a forma de energia que flui entre dois corpos devido as suas diferenças de temperatura. 
O calor também pode ser definido como outra função de caminho que corresponde à parcela do fluxo de 
energia através das fronteiras de um sistema causada pela diferença de temperatura entre o sistema e seu 
entorno. 
 
Se a diferença é positiva, o calor também o é. Calor não pode ser armazenado nem criado a partir 
do nada, mas pode ser transferido através da condução (contato direto entre um corpo quente outro frio), 
convecção (fluxos de massa com diferentes temperaturas) ou radiação (por ondas eletromagnéticas, sem 
transferências de massa nem contato direto entre corpos, caso da luz do Sol incidindo sobre uma 
superfície). 
 
Quantitativamente, a transferência de calor pode ser obtida calculando-se o balanço energético de 
um sistema ou utilizando-se uma equação empírica: 
 
Q = U∙A∙∆t 
 
Onde: 
 
Q : representa a taxa de transferência 
U: representa um coeficiente empiricamente definido a partir de dados experimentais. 
A: representa a área de transferência. 
∆t: representa a diferença de temperatura entre o sistema e seu entorno. 
 
1.3.2 Energia Interna 
 
A energia interna (U) é a energia estocada num sistema em níveis moleculares. Como não há 
instrumentos para medir diretamente a energia interna, esta pode ser calculada através de variáveis 
macroscópicas mensuráveis, como o volume, a temperatura, a pressão e a composição. 
 
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A energia interna não pode ser calculada de forma absoluta, somente em relação a um estado 
inicial de referência. 
 
Utilizando a temperatura, pode-se demonstrar que as mudanças na energia interna por unidade de 
massa se dá pela equação: 
 
∆U = 𝑈 − 𝑈 = 𝐶 𝑑𝑇 
 
Onde: 
 
T: representa a temperatura. 
𝐶 : representa uma constante chamada capacidade térmica. 
 
Se ocorrer uma reação química no processo, pode ocorrer liberação da energia interna das 
substâncias (chamada reação exotérmica) ou absorção de energia pelo produto (chamada reação 
endotérmica). 
 
Um bom exemplo de reação exotérmica é a combustão ou oxidação. 
 
A combustão é uma conversão de energia química em calor. A combustão é uma reação química 
exotérmica na qual o oxigênio é combinado com algum outro elemento, liberando calor. Todos os 
combustíveis importantes, assim como os principais alimentos, contém carbono. 
 
A maioria dos combustíveis e alimentos também contém hidrogênio. Tanto o carbono como o 
hidrogênio realiza a “oxidação”, ou seja, a reação com o oxigênio. O carbono produz o CO e o 
hidrogênio o H O. 
 
A maioria das reações químicas é exotérmica, ou seja, libera calor. Em geral, parte desse calor 
aquece o sistema e parte escoa para fora de suas fronteiras. 
 
1.3.3 Entalpia 
 
Um conceito importante é o da entalpia (H), ou o conteúdo calorífico de um sistema, uma variável 
utilizada em balaços energéticos. 
 
A entalpia pode ser compreendida imaginando-se vapor d´água produzido em uma caldeira. 
Quando a massa de vapor passa por tubulações, transmite consigo a energia adquirida para outro local, 
por exemplo, um edifício que necessite de aquecimento. 
 
Não há reação química, mas a condução de uma massa aquecida até um trocador de calor. 
 
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Em um sistema fechado, a entalpia combina energia interna e variações de pressão e volume. A 
entalpia pode ser dada num sistema fechado pela equação: 
 
 H = U + pV 
Onde: 
 
U: representa a energia interna. 
p: representa a pressão. 
V: representa o volume. 
 
Em um sistema aberto, a entalpia é dada pela equação: 
 
 H = E + pV 
Onde: 
 
E: representa a energia do sitema. 
p: representa a pressão. 
V: representa o volume. 
 
A entalpia, assim como a energia interna, não possui valor absoluto e somente podem ser 
calculadas suas variações (∆H) em relação a um estado de referência. 
 
Nas reações exotérmicas a entalpia é negativa C Um exemplo prático é a formação de água a partir 
da combustão de hidrogênio. 
 
Já numa reação endotérmica ocorre a absorção de calor, portanto com a entalpia positiva (∆H > 0). 
Um exemplo prático é a vaporização da água na parte baixa de uma cachoeira: a água em estado líquido 
passa ao estado gasoso com a absorção de calor. 
 
1.4 Expansão dos Gases e a Evolução das Máquinas a Vapor 
 
A força expansiva dos gases é conhecida desde a mais remota Antiguidade. Héron de Alexandria 
(10 d.C. a 70 d.C.) desenvolveu um aparato que era utilizado baseado no aquecimento de ar para que sua 
força expansiva realizasse trabalho mecânico. 
 
Outro exemplo bem conhecido do uso da força expansiva dos gases é um aparelho usado para 
abrir porta dos templos, sem interferência da mão humana, usado à 2.500 anos na Grécia antiga (o que 
deveria ter impacto extraordinário). 
 
No fim do século XVIII, o ferreiro mecânico inglês Thomas Newcomen (1663-1729) conseguiu o 
feito, com somente uma máquina de baixa potência (aproximadamente 16 HP) e alto consumo de carvão. 
Na máquina de Newcomen, o calor do fogo aquece a água de uma caldeira, gerando vapor que empurra 
um embolo (cilindro), que por sua vez transmite a força por um eixo, movendo uma alavanca. 
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Fechando-se a válvula de vapor e abrindo-se outra para a água, um jato reduz a temperatura do 
cilindro, condensando o vapor e criando vácuo. O vácuo puxa o eixo para baixo, movendo a alavanca e 
puxando para cima o pistão da bomba. 
 
A eficiência do sistema, ou energia útil obtida em relação a energia aplicada era baixíssima, menos 
de 2%. Isso, contudo não importava, pois, a máquina era originalmente usada em ninas de carvão para 
bombear água, e o carvão era barato e abundante. 
 
James Watt (1736-1839) melhorou o sistema no começo do século XIX, isolando termicamente o 
cilindro e introduzindo um condensador externo que resfriava o vapor, retroagindo o cilindro. A 
eficiência da máquina aumentou 5%, o que fez enorme diferença. 
 
A partir daí, as máquinas foram aperfeiçoando e sua eficiência aumentando, o que permitia usá-las 
longe das minas de carvão. Smeaton e Woolf foram outros construtores de máquinas a vapor como 
Newcomen e Watt. 
 
Mais tarde, reguladores de velocidade foram introduzidos nas máquinas a vapor e elas começaram 
a ser usadas na indústria têxtil em larga escala e a seguir em locomotivas, dando início à Revolução 
Industrial. 
 
Posteriormente foram desenvolvidos outros sistemas, como turbinas, os motores de combustão 
interna (como os do ciclos Otto e Diesel), as turbinas a jato, reatores e foguetes. 
 
1.5 Potência 
 
A definição de trabalho não nos diz nada sobre o tempo necessário para realiza-lo, o que é muito 
importante na prática. Assim, o conceito de potência torna-se importante, pois, relaciona o trabalho e 
tempo. 
 
Potência (P) representa um fluxo de energia por unidade de tempo ou uma taxa em que se executa 
o trabalho. 
 P = 
∆
∆
 
 
Onde: 
 
P: representa a potência. 
∆𝑊: representaa variação do trabalho realizado. 
∆𝑡: representa a variação do tempo para realiza-lo. 
 
No sistema internacional (SI), a potência é medida em watts (W), que é igual a Joule por segundo 
1W = 1 J/s). 
 
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Outra unidade de energia considerada como calor é a caloria que equivale a 4,1855 joules e é a 
quantidade de calor necessária para elevar um grau centígrado (de 13,5 °C a 14,5 °C) um grama de água 
ao nível do mar. 
 
Assim, uma caloria (cal) = 4,1868 J. 
 
Dependendo da necessidade, a potência também pode ser quantificada em outras unidades que 
representem uma dada quantidade de energia aplicada em um dado tempo. 
 
Nos países de língua inglesa são o Cavalo Vapor (CV) e o Horse Power (HP), que 
tradicionalmente representava a potência de um cavalo ou 7,5 vezes a potência de um homem. 
 
A relação entre essas potências são: 
 
1 CV = 736 W 
 
1 HP = 746 W. 
 
1.6 Leis da Termodinâmica 
 
Uma característica essencial da energia é sua capacidade de conversão entre suas diversas formas, 
tais como, radiação, química, nuclear, térmica, mecânica e magnética, podendo adequar-se a uma 
utilização desejada. 
 
Todos os processos de conversão energética são regidos por leis fundamentais da termodinâmica. 
 
1.6.1 Lei Zero da Termodinâmica 
 
Num estado de equilíbrio as propriedades termodinâmicas de um sistema isolado não se alteram. 
A Lei Zero da Termodinâmica estabelece que se dois sistemas estão em equilíbrio de temperatura com 
um terceiro, estão todos em equilíbrio entre si. 
 
1.6.2 A Primeira Lei da Termodinâmica ou Lei da Conservação de 
Energia 
 
A Primeira Lei da Termodinâmica estabelece que a variação total de energia contida em um 
sistema fechado é igual ao efeito (líquido) das interações de calor e trabalho que o sistema sofre com o 
meio. 
 
Em outras palavras, a energia se conserva, não podendo ser criada nem destruída. 
 
 
 
 
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1.6.3 Segunda Lei da Termodinâmica e a Entropia 
 
A Segunda Lei da Termodinâmica ensina que não se podem utilizar todas as formas de energia 
com a mesma eficiência. Em outras palavras, sempre há perdas na conversão de energia e nenhum 
processo é 100% reversível. 
 
Arthur Eddington chama a entropia de flecha do tempo, um nome que foi adotado pela ciência 
moderna. Entropia é a medida do caos. Um sólido possui menos entropia do que um líquido, que por sua 
vez possui menos entropia que um gás. 
 
A equação de Gibbs diz que num sistema fechado as variações de energia interna dependem de 
volume e entropia. Matematicamente: 
 
 dU = TdS – PdV 
 
Onde: 
 
U: representa a energia interna. 
T: representa a temperatura. 
S: representa a entropia. 
P: representa a potência. 
V: representa o volume. 
 
Um dos resultados dessa lei é a inexistência do motor-contínuo, pois a energia se perde não 
consegue ser totalmente recuperada por um sistema. 
 
1.6.4 Eficiência das Máquinas Térmicas 
 
A eficiência de um sistema energético é dada pela razão entre a energia útil (ou trabalho realizado) 
e a energia consumida. 
 
Ƞ = 
ú 
 
Entretanto: 
 
𝐸 = 𝐸ú + Perdas => 𝐸ú = 𝐸 − Perdas. 
 
Assim: 
 
Ƞ = 
ú = => Ƞ = 1 − 𝑷𝒆𝒓𝒅𝒂𝒔
𝑬𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒂
 
 
 
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1.7 O Ciclo de Carnot 
 
Um Ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico que ocorre quando um dado sistema é submetido a 
uma série de estados diferentes, retornando ao seu estado original. Nesse processo sempre haverá perdas. 
Uma máquina térmica transfere calor de uma região mais quente para uma mais fria, convertendo parte 
dessa energia em trabalho mecânico. 
 
Pode-se também reverter esse ciclo, através da aplicação de energia externa: é com funciona um 
refrigerador. 
 
O Ciclo de Carnot é termodinamicamente mais eficiente possível. Ele pode ser representado por 
um diagrama de temperatura-entropia, através de quatro etapas. 
 
1 – A-B: Aplica-se uma força sobre um pistão (por exemplo, num compressor de ar), produzindo trabalho 
de expansão do gás nele contido (aumentando a entropia) sem alterar a temperatura (processo isotérmico). 
 
2 – B-C: Assumindo o pistão termicamente isolado (sem ganhos e perdas de calor), o gás se expande (por 
exemplo, num condensador) sem alterar a entropia (num processo adiabático), esfriando para a 
temperatura fria. 
 
3 – C-D: O calor do entorno realiza trabalho sobre o gás (compressão isotérmica), que “rejeita” o calor e 
o flui para o reservatório de baixa temperatura (por exemplo, um radiador ou o interior de uma geladeira). 
 
4 – D-A: O gás é novamente comprimido por uma força externa sem alterar a entropia (adiabaticamente), 
aumentando a temperatura novamente para a temperatura alta e retornando ao estado inicial. 
 
 
 
 
 
A B 
D C 
Expansão isotérmica 
Compressão isotérmica 
Expansão 
adiabática 
Compressão 
adiabática 
𝐓𝐚𝐥𝐭𝐚 
𝐓𝐛𝐚𝐢𝐱𝐚
Temperatura 
Para uma máquina térmica, pode-se dizer que a eficiência é a fração do calor extraído do 
reservatório térmico “quente” e convertido em trabalho mecânico. No caso específico de um ciclo de 
refrigeração, a eficiência é a razão do calor retirado da câmara fria sobre o total da energia aplicado ao 
sistema.