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2) PERGUNTAS-CHAVE   •   O que é e como funciona uma usina termelétrica?   •   Por que é usada a designação “termelétrica”...
A 1ª Lei da Termodinâmica, expressa na Equação 1, é uma Lei deConservação da Energia, podendo ser enunciada da seguinte fo...
Um outro enunciado da 2ª Lei diz o seguinte: Só é possível transformar calor em trabalho utilizando-se duas fontes        ...
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Uma outra sugestão é usar 3 pedaços de giz escolar embebidos emálcool; neste caso, evita-se a formação de fuligem na lata....
Figura 4: Construção da fornalha          Figura 5: Posição da Turbina (“cata-vento”)                    Figura 6: Funcion...
7)  QUESTÕES                 PARA            A   AVALIAÇÃO             DAAPRENDIZAGEM7.1) (FUVEST) Adote: calor específico...
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  1. 1. ATIVIDADE (1) (2)1) PROBLEMATIZAÇÃO Petrobrás inaugura no Rio a maior termelétrica a gás do país A Petrobras inaugurou, em 31 de maio, a UsinaTermelétrica (UTE) Governador Leonel Brizola, a antigaTermoRio, em Duque de Caxias (RJ), a maior termelétrica doBrasil a gás natural com co-geração e em ciclo combinado. Temcapacidade para produzir até 400 toneladas/hora de vapor epotência instalada de 1.036 MW (22% da energia consumida noestado do Rio de Janeiro), energia suficiente para abastecer umacidade com 4,5 milhões de pessoas. O investimento total na construção foi de US$ 715milhões. A usina tem seis turbinas a gás e três a vapor. Suaoperação é através de ciclo combinado, sistema com maior eficiência energética. Atravésde uma linha de transmissão com 13,7 km, a energia elétrica produzida pela termelétricaserá transportada à subestação de São José, de Furnas, em Belford Roxo (RJ), passando aintegrar o Sistema Interligado Nacional (SIN). O vapor produzido abastece, por meio dedutos, a Refinaria Duque de Caxias, também da Petrobras. A produção de vapor a partir dogás natural vai emitir menos gases poluentes e particulados que processos realizados comoutros combustíveis, melhorando a qualidade do ar.Responsabilidade ambiental A usina construiu uma Estação de Monitoramento da Qualidade do Ar eMeteorológica com o objetivo de medir as condições ambientais da bacia aérea de CamposElíseos. Além disso, firmou convênio com o governo estadual para a ampliação das calhasdos rios em quatro regiões da Baixada Fluminense, com contenção de encostas, troca detravessias e ações de educação ambiental, visando à prevenção de enchentes. Em outroconvênio com o governo estadual, a termelétrica se comprometeu a implantar e gerir osparques de Três Picos (o maior do Estado), de Ilha Grande e de Guaxindiba. Também atuouna mobilização e conscientização da sociedade para a conservação e compensação pelo usodas águas da Bacia do Rio Paraíba do Sul. Além da área ambiental, a UTE Governador Leonel Brizola está investindo emprojetos de infra-estrutura urbana, de conservação de energia e em projetos de geraçãode energia elétrica através de fontes alternativas (eólica, solar, produção do chamado"carvão verde"), como forma de compensação tributária.
  2. 2. 2) PERGUNTAS-CHAVE • O que é e como funciona uma usina termelétrica? • Por que é usada a designação “termelétrica”? • Qual a importância do calor neste tipo de usina? • Você acha correto afirmar: uma usina termelétrica “gera” energia?3) CONCEITOS-CHAVE A problematização inicial, a respeito da termelétrica e da “geração”de energia, permite uma contextualização bastante ampla por váriosconceitos da Termodinâmica e da conservação de energia. Em relação aoestudo da Termodinâmica devem ser enfatizados os conceitos de calor e asLeis da Termodinâmica.3.1) Calor (Q) Forma de energia em trânsito, determinada pela diferença detemperatura entre dois sistemas.3.2) Energia Interna (∆U) Todos os corpos são constituídos por partículas (moléculas) que estãosempre em movimento e em interação entre si. A soma das energias cinéticae potencial de todas as partículas do corpo é a energia interna do corpo. Nocaso mais simples de energia interna, considera-se uma massa de um gásmonoatômico: só haverá energia cinética de translação das moléculas que acompõem; assim, a energia interna será a soma das energias cinéticas detranslação de todas as moléculas dessa massa gasosa.3.3) Trabalho (W) No estudo da Termodinâmica, trata-se de uma forma de energia emtrânsito, determinada pela ação de uma força em movimento.3.4) Leis da Termodinâmica3.4.1) 1ª Lei da Termodinâmica Um sistema (durante certa transformação) pode trocar energia com omeio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado dessastrocas energéticas, a energia interna do sistema pode ou não sofreralterações.
  3. 3. A 1ª Lei da Termodinâmica, expressa na Equação 1, é uma Lei deConservação da Energia, podendo ser enunciada da seguinte forma:A variação da Energia Interna de um sistema é expressa por meio dadiferença entre a quantidade de calor trocada com o meio externo e o trabalho realizado durante certa transformação. Equação 1 Para aplicar esta Lei, que envolve as grandezas calor, trabalho eenergia interna, é preciso fazer um balanço energético, isto é, saber quandoessas grandezas assumem valores positivos, negativos ou nulos. Observeabaixo:i) Calor (Q): • Recebido: Q>0; • Cedido: Q<0; • Não trocado: Q=0 (transformação adiabática, ∆U=-W).ii) Trabalho (W): • Realizado: W>0 (volume aumenta); • Recebido: W<0 (volume diminui); • Não realizado nem recebido: W=0 (volume constante, transformação isocórica, ∆U=Q).iii) Energia Interna (∆U) • Aumentada: ∆U>0 (temperatura aumenta); • Diminuída: ∆U<0 (temperatura diminui); • Constante: ∆U=0 (temperatura constante, transformação isotérmica, Q=W).3.4.2) 2ª Lei da Termodinâmica A 2ª Lei da Termodinâmica estabelece as condições em que é possívela transformação de calor em trabalho, completando, dessa forma, a 1ª Lei,que trata apenas da relação entre calor e trabalho: O calor passa espontaneamente dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura.
  4. 4. Um outro enunciado da 2ª Lei diz o seguinte: Só é possível transformar calor em trabalho utilizando-se duas fontes de calor em temperaturas diferentes. Para se obter esse trabalho é necessário um dispositivo que opera emciclos, retirando calor da fonte quente e transformando parte desse calorem trabalho. A parte restante é cedida à fonte fria. Tal dispositivo chama-se máquina térmica e opera em ciclos transformando calor em trabalho.Abaixo (Figura 1(3)), a apresentação esquemática desse ciclo: Figura 1Obs.: Como a problematização inicial é a respeito de uma usina termelétricae uma das perguntas-chave é sobre o funcionamento dela, é necessário que oprofessor também faça uma explicação sobre o funcionamento da mesma.Neste projeto aula há, em anexo, um artigo sobre o funcionamento básicode uma termelétrica (TEXTO ADICIONAL 1, no site:http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.html&conteudo=./energia/termeletrica.html).4) ATIVIDADES EM GRUPO4.1) Seqüência das atividades • Pedir aos alunos que se dividam em grupos e respondam às Perguntas- chave com as respostas que forem consenso no grupo; • Aprofundar os conceitos abordados na atividade, pedindo aos grupos que verifiquem novamente as suas respostas; • Iniciar a exploração e montagem do kit experimental (conforme item 5), auxiliando os alunos e permitindo que eles apresentem as suas previsões acerca do experimento.
  5. 5. • Sugerir a leitura dos TEXTOS ADICIONAIS 2 e 3 (respectivamente nos sites: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/HC_02.asp> e <http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/main.asp?cod=2>), pedindo para que eles dêem outros exemplos de máquinas térmicas que facilitem o trabalho das pessoas na sociedade. • Ler juntamente com os alunos o TEXTO ADICIONAL 4, a respeito do equivalente mecânico do calor (no site: <http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/HC_03.asp>), e propor a eles a resolução das questões do item 6. (4)5) CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO KIT5.1) Material Utilizado • Latinha de tinta, ou fermento em pó, vazia, ou qualquer outro tipo de lata metálica pequena com tampa; • Lata de sardinha vazia sem a tampa; • Canudo plástico ou fio de cobre (Fino) • Turbina experimental (pode ser um “cata-vento” de papel) que possa girar com facilidade em torno de seu eixo; • Água; • Uma Vela; • Fósforo; • Base de madeira 25 cm x 20 cm; • Arame flexível; • Quatro pregos grandes, de comprimento de 10 cm.5.2) Construção e Montagem do kit5.2.1) Construção da caldeira da máquina térmica Limpar bem o interior da lata. Em seguida, deve ser feito um pequenofuro na tampa da lata para encaixar o canudo ou o fio (Figuras 2 e 3). Éimportante evitar qualquer vazamento na lata (em torno do furo e natampa)! Fazer um apoio para a caldeira (que ficará na horizontal), fixando osquatro pregos inclinados na madeira.5.2.2) Construção da fornalha Cortar a vela em quatro pedaços iguais e posicioná-las, formando umquadrado, na direção do centro da lata de sardinha (Figura 4).
  6. 6. Uma outra sugestão é usar 3 pedaços de giz escolar embebidos emálcool; neste caso, evita-se a formação de fuligem na lata.5.2.3) Construção da Turbina Fazer um furo no centro da turbina de papel ou do cata-vento, poronde irá passar o arame que deverá ser fixado na madeira (Figura 5).5.2.4) Montagem. Por a caldeira, parcialmente cheia de água, sobre a fornalha. Colocar aturbina na altura do canudo ou fio.5.3) Funcionamento do kit Com a turbina, a caldeira e a fornalha em suas posições, acender asvelas. Após alguns minutos verifica-se que a turbina passa a girar (Figura 6).5.4) Exploração do kit Deve-se questionar aos alunos os princípios da Termodinâmica quejustificam o fenômeno observado, assim como as formas de energiaenvolvidas, fazendo uma comparação com o funcionamento das usinastermelétricas. Figura 2: Construção da caldeira Figura 3: Posição da caldeira
  7. 7. Figura 4: Construção da fornalha Figura 5: Posição da Turbina (“cata-vento”) Figura 6: Funcionamento do kit experimental6) SUGESTÕES PARA AVALIAÇÃO DAAPRENDIZAGEM • Agendar uma visita da turma, orientada pelo professor, a uma usina termelétrica (podendo ser a mesma citada na Problematização que, por se tratar de uma empresa federal, permite visitas agendadas). Realizar alguma atividade de aprendizagem relacionada ao que foi abordado na visita. • Solicitar aos alunos que façam uma pesquisa a respeito de outros tipos de usinas de “geração” de energia (hidrelétrica, nuclear, etc.) a fim de reforçar o conceito de conservação da energia.
  8. 8. 7) QUESTÕES PARA A AVALIAÇÃO DAAPRENDIZAGEM7.1) (FUVEST) Adote: calor específico da água = 4 J/g°C. A Figura 7esquematiza o arranjo utilizado em uma repetição da experiência deJoule. O calorímetro utilizado, com capacidade térmica de 1600J/°C,continha 200g de água a uma temperatura inicial de 22,00°C. O corpode massa M=1,5kg é abandonado de uma altura de 8m. O procedimentofoi repetido seis vezes até que a temperatura do conjuntoágua+calorímetro atingisse 22,20°C. Figura 7a) Calcule a quantidade de calor necessária para aumentar atemperatura do conjunto água+calorímetro.b) Qual fração da energia mecânica total, liberada nas seis quedas docorpo, foi utilizada para aquecer o conjunto?7.2) Um certo número de pequenas esferas de chumbo é colocado nointerior de um tubo vertical de PVC com 60 cm de altura. O calorespecífico do chumbo é 0,3 Kcal/Kg ºC, g=10 m/s² e 1 cal=4,2 J.Sabendo-se que o tubo é virado de cabeça para baixo 21 vezessucessivas, determine o aumento na temperatura das esferas. Considereque o sistema não sofre perdas de energia.8) PROPOSTA INTERDISCIPLINAR Como o conteúdo da Termodinâmica está muito relacionado aoconceito de Energia, deve-se também reconhecer a importante relaçãodeste tema com o desenvolvimento do setor energético para um país. Poroutro lado, a disciplina de Geografia faz uma análise da produção de energiasob os aspectos econômico, geopolítico e social, o que é retratado noTEXTO ADICIONAL 5, em anexo no final da atividade. Outra abordagemestá relacionada à poluição atmosférica causada pela combustão ocorrida
  9. 9. nas usinas termelétricas e o que elas têm feito para minimizar os efeitosdessa degradação ambiental. TEXTO ADICIONAL 5 (5)1 – ENERGIA: GEOPOLÍTICA E ESTRATÉGIA Quando o homem realiza qualquer tipo de trabalho, cortando cana emuma plantação, locomovendo-se numa bicicleta ou operando uma máquina, eleestá gastando uma energia que é limitada por seus dotes físicos. Assim,desde a Pré-História até os dias de hoje, o homem, ao sentir-se limitado naexecução de suas tarefas diárias, busca formas de utilização de novasfontes de energia que potencializem sua capacidade de trabalho. Aprincípio, usava-se apenas a energia de energia de animais para arar a terraou transportar mercadorias. À medida que os progressos técnicos foramavançando, a utilização de novas fontes energéticas se aprimorou e tornou otrabalho humano mais eficiente. Desde a Revolução Industrial, quando a produção e o transporte demercadorias passou a contar com o apoio das máquinas, o trabalho humanovem se tornando cada vez menos necessário e tem sido substituído cada vezmais pelas máquinas. Quando uma máquina é aperfeiçoada, a produtividadeaumenta e, como, hoje em dia, a energia já não é mais tão barata quanto eraaté o primeiro “choque” do petróleo, em 1973, o homem, paralelamente àspreocupações com os níveis de produtividade, passou a se preocupar comformas de economizá-la. Atualmente, o desenvolvimento tecnológico buscameios de produzir e transportar mais mercadorias gastando menos energia,cujo consumo vem aumentando sem parar desde a Revolução Industrial eprincipalmente após a Segunda Guerra Mundial. O consumo mundial de energia primária é maior nos países ricos queem relação aos países subdesenvolvidos. Esse fato está diretamenterelacionado à qualidade de vida da população residente no país, já quereflete, além do grau de industrialização, o nível de consumo residencial emaparelhos domésticos (freezer, ar-condicionado, máquina de lavar roupa oulouça, geladeira, etc.). No mundo inteiro, o setor energético é considerado estratégico.Quase sempre, ele é controlado pelo Estado, através da política deplanejamento da produção, concessão de exploração a grupos privados ouintervenção direta na produção através da atuação de empresas estatais. A estrutura energética insere-se diretamente no campo da economiae da geopolítica: a produção industrial, os sistemas de transportes, de
  10. 10. segurança; de saúde, de educação, de lazer, o comércio, a agricultura, todoo funcionamento do país, enfim, depende de disponibilidade de energia.Qualquer colapso na produção ou a elevação de custos afeta o cotidiano detodas as atividades desenvolvidas no país. Qualquer sobressalto no setorenergético interfere na posição do país dentro do comércio mundial, já que,na composição dos custos de produção, a energia gasta é necessariamenteum fator que pode tornar a mercadoria mais ou menos competitiva nocenário das trocas mundiais. Assim, todas as nações do globo almejam atingir a sonhada auto-suficiência e baixos custos na produção de energia, para que as atividadeseconômicas – e também as militares – não fiquem sujeitas às oscilações depreço do mercado internacional nem dependam da boa vontade de terceirospara o fornecimento de energia. Sabe-se que o petróleo é a principal fonte de energia do planeta,sendo seguido pelo carvão mineral e pelo gás natural. Tal situação éinquietante, já que aproximadamente 90% da energia consumida no planetaprovém de fontes não-renováveis, ou seja, que um dia vão se esgotar. Astrês principais fontes de energia consumidas hoje no planeta formaram-seatravés de um lento processo geológico de produção, enquanto o ritmo deconsumo se acelera a cada dia. Isso, porém, não indica que um dia faltaráenergia no mundo, mas que haverá, necessariamente, um penoso e caroperíodo de transição para nos acostumarmos com a utilização de um novotipo de energia. Essa transição envolverá reformas e readaptações,principalmente no sistema de transportes (seja ele rodoviário, hidroviárioou aéreo), na produção industrial, através da reestruturação das máquinas aum outro tipo de energia, e na readequação das usinas termelétricas (queproduzem energia elétrica a partir da combustão de petróleo ou carvão) auma nova fonte de energia primária.1.1- Produção e consumo de energia no mundo entre 1985 e 1996 (6) Relatórios, estudos, análises e dados comparativos sobre produção econsumo de energia no mundo tem grande importância para a definição dasbases da gestão energética mundial e entendimento da geopolíticaestratégica de energia no mundo. Para o aprofundamento dessas análises omundo é dividido em regiões, como mostrado abaixo: América do Norte América Central, América do Sul e Caribe Europa Ocidental Europa Oriental e ex - União Soviética Oriente Médio
  11. 11. África Ásia e Oceania1.1.1- Maiores produtores e consumidores Os três países maiores produtores de energia primária do mundo são:USA, Rússia e China, com 39 % da energia produzida no mundo, seguidos deArábia Saudita e Canadá, que somam mais 8,3 %. Portanto, cinco paísesconcentram 49,3 % da produção de energia primária mundial. Os maiores consumidores de energia do mundo são USA, China eRússia com 41 %, seguidos por Japão e Alemanha. Os cinco maioresconsumidores de energia totalizam 50,8 % do consumo mundial.1.1.2- Comportamento das regiões mundiais na última década As regiões apresentaram o seguinte comportamento perante aenergia no período entre 1985 e 1996: • América do Norte, América do Sul e Caribe, África, Ásia e Oceania, apresentaram expressivo aumento de consumo e produção. • Oriente Médio apresentou expressivo aumento de produção e leve aumento de consumo. • Europa Ocidental apresentou produção estável e aumento de consumo, principalmente em gás natural. • Europa Oriental, e ex-União Soviética, com redução tanto em produção como consumo de energia primária.(1) Proposta elaborada pelo licenciando em Física, Jean Anderson Piedade Rodrigues Pinheiro na disciplina Produção de Material Didático e Estratégias para o Ensino de Física I, durante o primeiro semestre letivo de 2005.(2) Extraído de: http://www2.petrobras.com.br/ri/port/noticias/noticias/Not_Termeletrica.asp. Acesso em: 31 de maio de 2005.(3) Disponível em: http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u1.jhtm. Acesso em: 09 de junho de 2008.(4) Adaptado de: http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_08.asp. Acesso em 31 de maio de 2005.(5) Sene, Eustáquio de; Moreira, João Carlos. Geografia Geral e do Brasil – Espaço geográfico e globalização. São Paulo: Editora Scipione. P.238-240.(6) Adaptado de: http://209.85.215.104/search?q=cache:42fWhOSRlXkJ:www.apsassessoria.com.br/Pa norama%2520energ%C3%A9tico%2520mundial%2520atual.doc+Produ%C3%A7%C3%A 3o+e+consumo+de+energia+no+mundo&hl=pt-BR&ct=clnk&cd=2&gl=Br. Acesso em: 09 de junho de 2008.

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