atividade - Propostas para o Ensino de Física

ATIVIDADE
(1)
1) PROBLEMATIZAÇÃO
(2)
Petrobrás inaugura no Rio a maior termelétrica a gás do país
A Petrobras inaugurou, em 31 de maio, a Usina
Termelétrica (UTE) Governador Leonel Brizola, a antiga
TermoRio, em Duque de Caxias (RJ), a maior termelétrica do
Brasil a gás natural com co-geração e em ciclo combinado. Tem
capacidade para produzir até 400 toneladas/hora de vapor e
potência instalada de 1.036 MW (22% da energia consumida no
estado do Rio de Janeiro), energia suficiente para abastecer uma
cidade com 4,5 milhões de pessoas.
O investimento total na construção foi de US$ 715
milhões. A usina tem seis turbinas a gás e três a vapor. Sua
operação é através de ciclo combinado, sistema com maior eficiência energética. Através
de uma linha de transmissão com 13,7 km, a energia elétrica produzida pela termelétrica
será transportada à subestação de São José, de Furnas, em Belford Roxo (RJ), passando a
integrar o Sistema Interligado Nacional (SIN). O vapor produzido abastece, por meio de
dutos, a Refinaria Duque de Caxias, também da Petrobras. A produção de vapor a partir do
gás natural vai emitir menos gases poluentes e particulados que processos realizados com
outros combustíveis, melhorando a qualidade do ar.
Responsabilidade ambiental
A usina construiu uma Estação de Monitoramento da Qualidade do Ar e
Meteorológica com o objetivo de medir as condições ambientais da bacia aérea de Campos
Elíseos. Além disso, firmou convênio com o governo estadual para a ampliação das calhas
dos rios em quatro regiões da Baixada Fluminense, com contenção de encostas, troca de
travessias e ações de educação ambiental, visando à prevenção de enchentes. Em outro
convênio com o governo estadual, a termelétrica se comprometeu a implantar e gerir os
parques de Três Picos (o maior do Estado), de Ilha Grande e de Guaxindiba. Também atuou
na mobilização e conscientização da sociedade para a conservação e compensação pelo uso
das águas da Bacia do Rio Paraíba do Sul.
Além da área ambiental, a UTE Governador Leonel Brizola está investindo em
projetos de infra-estrutura urbana, de conservação de energia e em projetos de geração
de energia elétrica através de fontes alternativas (eólica, solar, produção do chamado
"carvão verde"), como forma de compensação tributária.
2) PERGUNTAS-CHAVE
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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 vários
conceitos da Termodinâmica e da conservação de energia. Em relação ao
estudo da Termodinâmica devem ser enfatizados os conceitos de calor e as
Leis da Termodinâmica.
3.1) Calor (Q)
Forma de energia em trânsito, determinada pela diferença de
temperatura entre dois sistemas.
3.2) Energia Interna (∆U)
Todos os corpos são constituídos por partículas (moléculas) que estão
sempre em movimento e em interação entre si. A soma das energias cinética
e potencial de todas as partículas do corpo é a energia interna do corpo. No
caso mais simples de energia interna, considera-se uma massa de um gás
monoatômico: só haverá energia cinética de translação das moléculas que a
compõem; assim, a energia interna será a soma das energias cinéticas de
translação de todas as moléculas dessa massa gasosa.
3.3) Trabalho (W)
No estudo da Termodinâmica, trata-se de uma forma de energia em
trânsito, determinada pela ação de uma força em movimento.
3.4) Leis da Termodinâmica
3.4.1) 1ª Lei da Termodinâmica
Um sistema (durante certa transformação) pode trocar energia com o
meio ambiente sob duas formas: calor e trabalho. Como resultado dessas
trocas energéticas, a energia interna do sistema pode ou não sofrer
alterações.
A 1ª Lei da Termodinâmica, expressa na Equação 1, é uma Lei de
Conservação da Energia, podendo ser enunciada da seguinte forma:
A variação da Energia Interna de um sistema é expressa por meio da
diferença 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 e
energia interna, é preciso fazer um balanço energético, isto é, saber quando
essas grandezas assumem valores positivos, negativos ou nulos. Observe
abaixo:
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 possível
a 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.
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 em
ciclos, retirando calor da fonte quente e transformando parte desse calor
em trabalho. A parte restante é cedida à fonte fria. Tal dispositivo chamase máquina térmica e opera em ciclos transformando calor em trabalho.
Abaixo (Figura 1(3)), a apresentação esquemática desse ciclo:
Figura 1
Obs.: Como a problematização inicial é a respeito de uma usina termelétrica
e uma das perguntas-chave é sobre o funcionamento dela, é necessário que o
professor também faça uma explicação sobre o funcionamento da mesma.
Neste projeto aula há, em anexo, um artigo sobre o funcionamento básico
de
uma
termelétrica
(TEXTO
ADICIONAL
1,
no
site:
http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.ht
ml&conteudo=./energia/termeletrica.html).
4) ATIVIDADES EM GRUPO
4.1) Seqüência das atividades
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Pedir aos alunos que se dividam em grupos e respondam às Perguntaschave 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.
•
•
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.
5) CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO KIT
(4)
5.1) Material Utilizado
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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 kit
5.2.1) Construção da caldeira da máquina térmica
Limpar bem o interior da lata. Em seguida, deve ser feito um pequeno
furo na tampa da lata para encaixar o canudo ou o fio (Figuras 2 e 3). É
importante evitar qualquer vazamento na lata (em torno do furo e na
tampa)!
Fazer um apoio para a caldeira (que ficará na horizontal), fixando os
quatro pregos inclinados na madeira.
5.2.2) Construção da fornalha
Cortar a vela em quatro pedaços iguais e posicioná-las, formando um
quadrado, na direção do centro da lata de sardinha (Figura 4).
Uma outra sugestão é usar 3 pedaços de giz escolar embebidos em
álcool; 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, por
onde 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 a
turbina na altura do canudo ou fio.
5.3) Funcionamento do kit
Com a turbina, a caldeira e a fornalha em suas posições, acender as
velas. 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 que
justificam o fenômeno observado, assim como as formas de energia
envolvidas, fazendo uma comparação com o funcionamento das usinas
termelétricas.
Figura 2: Construção da caldeira
Figura 3: Posição da caldeira
Figura 4: Construção da fornalha
Figura 5: Posição da Turbina (“cata-vento”)
Figura 6: Funcionamento do kit experimental
6)
SUGESTÕES
APRENDIZAGEM
•
•
PARA
AVALIAÇÃO
DA
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.
7)
QUESTÕES
APRENDIZAGEM
PARA
A
AVALIAÇÃO
DA
7.1) (FUVEST) Adote: calor específico da água = 4 J/g°C. A Figura 7
esquematiza o arranjo utilizado em uma repetição da experiência de
Joule. O calorímetro utilizado, com capacidade térmica de 1600J/°C,
continha 200g de água a uma temperatura inicial de 22,00°C. O corpo
de massa M=1,5kg é abandonado de uma altura de 8m. O procedimento
foi repetido seis vezes até que a temperatura do conjunto
água+calorímetro atingisse 22,20°C.
Figura 7
a) Calcule a quantidade de calor necessária para aumentar a
temperatura do conjunto água+calorímetro.
b) Qual fração da energia mecânica total, liberada nas seis quedas do
corpo, foi utilizada para aquecer o conjunto?
7.2) Um certo número de pequenas esferas de chumbo é colocado no
interior de um tubo vertical de PVC com 60 cm de altura. O calor
específico 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 vezes
sucessivas, determine o aumento na temperatura das esferas. Considere
que o sistema não sofre perdas de energia.
8) PROPOSTA INTERDISCIPLINAR
Como o conteúdo da Termodinâmica está muito relacionado ao
conceito de Energia, deve-se também reconhecer a importante relação
deste tema com o desenvolvimento do setor energético para um país. Por
outro lado, a disciplina de Geografia faz uma análise da produção de energia
sob os aspectos econômico, geopolítico e social, o que é retratado no
TEXTO ADICIONAL 5, em anexo no final da atividade. Outra abordagem
está relacionada à poluição atmosférica causada pela combustão ocorrida
nas usinas termelétricas e o que elas têm feito para minimizar os efeitos
dessa degradação ambiental.
TEXTO ADICIONAL 5
1 – ENERGIA: GEOPOLÍTICA E ESTRATÉGIA
(5)
Quando o homem realiza qualquer tipo de trabalho, cortando cana em
uma plantação, locomovendo-se numa bicicleta ou operando uma máquina, ele
está 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 na
execução de suas tarefas diárias, busca formas de utilização de novas
fontes de energia que potencializem sua capacidade de trabalho. A
princípio, usava-se apenas a energia de energia de animais para arar a terra
ou transportar mercadorias. À medida que os progressos técnicos foram
avançando, a utilização de novas fontes energéticas se aprimorou e tornou o
trabalho humano mais eficiente.
Desde a Revolução Industrial, quando a produção e o transporte de
mercadorias passou a contar com o apoio das máquinas, o trabalho humano
vem se tornando cada vez menos necessário e tem sido substituído cada vez
mais pelas máquinas. Quando uma máquina é aperfeiçoada, a produtividade
aumenta e, como, hoje em dia, a energia já não é mais tão barata quanto era
até o primeiro “choque” do petróleo, em 1973, o homem, paralelamente às
preocupações com os níveis de produtividade, passou a se preocupar com
formas de economizá-la. Atualmente, o desenvolvimento tecnológico busca
meios de produzir e transportar mais mercadorias gastando menos energia,
cujo consumo vem aumentando sem parar desde a Revolução Industrial e
principalmente após a Segunda Guerra Mundial.
O consumo mundial de energia primária é maior nos países ricos que
em relação aos países subdesenvolvidos. Esse fato está diretamente
relacionado à qualidade de vida da população residente no país, já que
reflete, além do grau de industrialização, o nível de consumo residencial em
aparelhos domésticos (freezer, ar-condicionado, máquina de lavar roupa ou
louça, geladeira, etc.).
No mundo inteiro, o setor energético é considerado estratégico.
Quase sempre, ele é controlado pelo Estado, através da política de
planejamento da produção, concessão de exploração a grupos privados ou
intervenção direta na produção através da atuação de empresas estatais.
A estrutura energética insere-se diretamente no campo da economia
e da geopolítica: a produção industrial, os sistemas de transportes, de
segurança; de saúde, de educação, de lazer, o comércio, a agricultura, todo
o funcionamento do país, enfim, depende de disponibilidade de energia.
Qualquer colapso na produção ou a elevação de custos afeta o cotidiano de
todas as atividades desenvolvidas no país. Qualquer sobressalto no setor
energético interfere na posição do país dentro do comércio mundial, já que,
na composição dos custos de produção, a energia gasta é necessariamente
um fator que pode tornar a mercadoria mais ou menos competitiva no
cenário das trocas mundiais.
Assim, todas as nações do globo almejam atingir a sonhada autosuficiência e baixos custos na produção de energia, para que as atividades
econômicas – e também as militares – não fiquem sujeitas às oscilações de
preço do mercado internacional nem dependam da boa vontade de terceiros
para 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 é
inquietante, já que aproximadamente 90% da energia consumida no planeta
provém de fontes não-renováveis, ou seja, que um dia vão se esgotar. As
três principais fontes de energia consumidas hoje no planeta formaram-se
através de um lento processo geológico de produção, enquanto o ritmo de
consumo se acelera a cada dia. Isso, porém, não indica que um dia faltará
energia no mundo, mas que haverá, necessariamente, um penoso e caro
período de transição para nos acostumarmos com a utilização de um novo
tipo de energia. Essa transição envolverá reformas e readaptações,
principalmente no sistema de transportes (seja ele rodoviário, hidroviário
ou aéreo), na produção industrial, através da reestruturação das máquinas a
um outro tipo de energia, e na readequação das usinas termelétricas (que
produzem energia elétrica a partir da combustão de petróleo ou carvão) a
uma 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 e
consumo de energia no mundo tem grande importância para a definição das
bases da gestão energética mundial e entendimento da geopolítica
estratégica de energia no mundo. Para o aprofundamento dessas análises o
mundo 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
África
Ásia e Oceania
1.1.1- 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 de
Arábia Saudita e Canadá, que somam mais 8,3 %. Portanto, cinco países
concentram 49,3 % da produção de energia primária mundial.
Os maiores consumidores de energia do mundo são USA, China e
Rússia com 41 %, seguidos por Japão e Alemanha. Os cinco maiores
consumidores 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 a
energia no período entre 1985 e 1996:
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•
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.