conversão, conservação de energia e eficiência térmica
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CONVERSÃO, CONSERVAÇÃO DE ENERGIA E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA AULA 1 APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA OBJETIVO Fornecer base científica, teórica e experimental, a fim de que o engenheiro ambiental possa elaborar propostas de uso racional dos recursos naturais, notadamente os recursos energéticos. Tais propostas devem englobar tanto fontes de energia como energética. tecnologias de conversão PARA QUE OCORRA APRENDIZAGEM VOCÊ DEVE QUERER APRENDER; MATERIAIS SIGNIFICATIVOS; DEVE HAVER TREINAMENTO- REPETIÇÃO; CONHECIMENTO= INFORMAÇÃO.ATITUDE2 ENSINO –APRENDIZAGEM SALA AULA: INCERTEZAS; RELAÇOES HUMANAS; DOCENTE INFORMAÇOES; DE FORMA ORGANIZADA E SISTEMATIZADA; PERCEPÇOES DE APRENDIZAGEM; PRINCIPAIS ENGANOS COMETIDOS CONVERSAR NA AULA ESTUDAR PARA PROVA NÃO LER LIVROS SÓ FAZER EXERCÍCIOS ACOMPANHADO PROFESSOR - ALUNO IMPORTANTE Segundo as mais recentes tendências sobre ensino de engenharia, a absorção do conhecimento deixou de depender primordialmente do empenho em ensinar para depender primordialmente do empenho em aprender. TAXONOMIA DE BLOOM FONTE: http://www.scielo.br/pdf/gp/v17n2/a15v17n2.pdf OBJETIVO Fornecer base científica, teórica e experimental, a fim de que o engenheiro ambiental possa ELABORAR propostas de uso racional dos recursos naturais, notadamente os recursos energéticos. Tais propostas devem englobar tanto fontes de energia como energética. tecnologias de conversão TAXONOMIA DE BLOOM FONTE: http://www.scielo.br/pdf/gp/v17n2/a15v17n2.pdf EMENTA Sistemas de conversão e conservação de energia; Impactos energéticos ambientais; Métodos de conversão e conservação de energia; Eficiência energética. CONHECIMENTO ENERGIA: CONHECIMENTO ESPECIFICO: DEFINIÇÃO CONHECIMENTO DE TERMINOLOGIA: FORMAS DE ENERGIA, UNIDADES; CONHECIMENTO DE TENDENCIA: 1ª E 2ª LEI DA TERMODINAMICA CONHECIMENTO DE METODOLOGIA: BALANÇO DE ENERGIA 1. CONHECIMENTO ENERGIA DEFINIR ENERGIA; ENUMERAR AS FORMAS DE ENERGIA; ORDENAR A FORMA DE ENERGIA DESCREVER AS UTILIZAÇÕES DE ENERGIA RECONHECER DIFERENTES FORMAS DE ENERGIA RELACIONAR ESTAS FORMAS DE ENERGIA; 2. COMPREENSÃO- ENERGIA RESOLVER EXERCICIOS QUE ENVOLVAM CÁLCULO DE ENERGIA; CLASSIFICAR DIFERENTES FORMAS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA; RECONHECER A TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA EM SITUAÇÕES ADVERSAS DAR EXEMPLOS INTERPRETAR PROBLEMAS 3. APLICAÇÃO APLICAR CONHECIMENTO DE ENERGIA EM PROBLEMAS REAIS DEMONSTRAR A TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA EM DIFERENTES SITUAÇÕES; INTERPRETAR PROBLEMAS ENERGÉTICOS; ESBOÇAR PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA CONSTRUIR PROCESSOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA 4. ANÁLISE- ENERGIA ANALISAR AS DIFERENTES FORMAS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA; CLASSIFICÁ-LAS QUANTO AO IMPACTO AMBIENTAL; DETERMINAR AS FORMAS DE ENERGIAS “LIMPAS” 5. SINTETIZAR - ENERGIA COMBINAR AS RELAÇÕES DE ENERGIA E SUSTENTABILIDADE; COMPOR MECANISMOS DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA PLANEJAR FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGIA ELABORAR PROPOSTAS DE USO RACIONAL DOS RECURSOS NATURAIS, NOTADAMENTE OS RECURSOS ENERGÉTICOS. Professora: Lisandra Ferreira de Lima [email protected] lab. Panificação (térreo bloco A) ATENDIMENTO: Critérios de Avaliação. MP = (P1 + P2 + P3)/3 MP = 6 Aprovado 3 < MP < 6 Avaliação substitutiva. MP < 3 Reprovado. A NOTA SERÁ COMPOSTA POR: -VALOR DA AVALIAÇÃO: 6,0 -Projetos – 3,0 -APS: 1,0 – se tiver nota da avaliação superior a 4,0 APS: Tarefas diárias =1 pontos; * Desde que esteja com data; hora inicial; hora final de execução; * Entregue pontualmente – aula posterior; As tarefas incluem exercícios, leitura, resumos, APS A CADA AULA VOCÊS RECEBERÃO UMA ATIVIDADE DE EXERCICIOS QUE DEVERÁ SER ENTREGUE NA AULA SEGUINTE DEVERÁ CONTER A DIA QUE FOI REALIZADO, O HORÁRIO DE INÍCIO E DE TÉRMINO DE REALIZAÇÃO DE CADA EXERCÍCIO VOCÊS DEVERÃO FAZÊ-LOS NO MESMO DIA DA AULA (ANTES DE DORMIR) REFERENCIAS UTILIZADAS LIVROS DE TERMODINAMICA DA BIBLIOTECA: VAN WYLEN; SHAPIRO; SMITH VAN NESS; INDIO LEVENSPIEL MATERIAL DE SALA DE AULA OBJETIVOS DESTA AULA Relacionar (1) Engenharia Ambiental x Disciplina Apontar (1) a relação entre conversão energética e a Termodinâmica; Mostrar (1) o vocabulário único associado a termodinâmica; Recordar(1) o SI métrica e os sistemas de unidades internacional e inglês; Definir (1) sistemática de resolução de problemas técnica. 1- Lembrar CONVERSÃO DE ENERGIA EMENTA ENERGIA: CONVERSÃO; PARA ENTENDER A CONVERSÃO PRIMEIRO É PRECISO SABER O QUE PODE SER TRANSFORMADO? EM QUE PODE SER TRANSFORMADO? CONSERVAÇÃO; 1ª LEI DA TERMODINÂMICA EFICIÊNCIA; 2ª LEI DA TERMODINÂMICA ENERGIA O que é energia? O que uso eficiente de energia? O que é racionamento de energia? O que é conservação de energia? FONTE: Conservação de Energia/ Eletrobras/Procel ENERGIA ARISTÓTELES (V a.C) “REALIDADE EM MOVIMENTO” TERMODINAMICA “MEDIDA DA CAPACIDADE DE REALIZAR TRABALHO” MAXWELL, 1872 “ PERMITE UMA MUDANÇA NA CONFIGURAÇÃO DE UM SISTEMA, Sistema Aberto Sistema Fechado Sistema Isolado FORNTEIRA IMPERMEAVEL A MASSA; ADIABÁTICA; RÍGIDA; MÓVEL aberto • Sistema : fronteiras permeáveis à passagem de matéria fechado • Sistema : fronteiras impermeáveis à passagem de matéria Podem trocar Energia com a Vizinhança isolado • Sistema : não tem contato mecânico, nem térmico com suas vizinhanças SISTEMAS Sistemas simples – isentos de paredes internas restritivas (impermeáveis, rígidas ou adiabáticas); não apresentam fenômenos de superfície (tensão superficial); não são suscetíveis a campo de forças externas ou a forças inerciais. Trabalhar-se-á com sistemas simples ou sistemas compostos por sistemas simples em TD. Sistemas uniformes - são sistemas simples cujo valor das propriedades intensivas é o mesmo em qualquer ponto. Sistemas em regime permanente – os sistemas sofrem um processo no qual nenhuma de suas propriedades varia com o tempo. Sistemas isolados térmicamente; Sistemas isolados mecânicamente, COMO CONSERVAR ENERGIA HUMANO TECNOLÓGICO CONVERSÃO DE ENERGIA QUAIS SÃO AS FORMAS DE ENERGIA QUE VOCÊ CONHECE? QUAIS FORMAS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA VOCÊ CONHECE? 1ª LEI DA TERMODINÂMICA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA MAS SE ELA SE CONSERVA? POR QUÊ A PREOCUPAÇÃO? Liberação de Energia proporciona Calor Trabalho (mecânico) Elétrico Trabalho Sistema + Vizinhança = UNIVERSO A termodinâmica é básica para estudos subsequentes em campos como: • mecânica dos fluidos • transferência de calor • Turbinas • compressores, bombas • plantas de potência a combustível fóssil ou nuclear • calefação, ventilação e ar-condicionado • refrigeração • sistemas de energia alternativos • células de combustível • energia solar • sistemas geotérmicos • energia eólica • micro e nanosistemas •escoamento multifásico •produção e transporte de petróleo • etc. O consumo de energia do mundo dobra a cada 50 anos!! Reservas, geração e otimização da energia é uma questão estratégica. Desafios para a engenharia: Aperfeiçoamento do uso fontes convencionais de energia (petróleo, energia nuclear, energia hidráulica, carvão, lenha, etc.) Uso mais intenso das fontes não convencionais de energia (solar, eólica, geotérmica, marés, etc.) Reestruturação do uso da energia (recuperação de energia) Aumento do rendimento das máquinas de conversão de energia HIDROELÉTRICA ENERGIA SOLAR ENERGIA EÓLICA REFRIGERAÇÃO DE AR FORMAS DE ENERGIA A energia cinética (energia de movimento); A energia elétrica (que move nossos eletrodomésticos); A energia química (presente em uma bateria de carro e em nossos corpos); A energia nuclear (que reside no interior dos átomos e se manifesta nos reatores e nas bombas), Calor e Trabalho. Todas podem ser tratadas como equivalentes. CONVERSÃO ENERGÉTICA FIG 1.5 ÇENGEL CONVERSÃO ENERGÉTICA Conservação de energia, Eletrobrás ENERGIA QUÍMICA X ELÉTRICA Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag ENERGIA NUCLEAR X MECÂNICA Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag ENERGIA QUÍMICA x ENERGIA TÉRMICA ENERGIA TÉRMICA x ELÉTRICA Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag QUIMICA EM ELETRICA E CALOR EM TRABALHO Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag ENERGIA CINÉTICA x ENERGIA ELETRICA Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag ENGENHARIA AMBIENTAL X ENERGIA ENGENHARIA AMBIENTAL TEMPERATURA O que é temperatura? PRESSÃO F P A Pabs = Pbar + Pman Pabs= Pbar - Pman para Pman > 0 para Pman < 0 (vácuo) PRESSÃO INSTRUMENTOS DE PRESSÃO Unidades de Pressão PRESSÃO RELAÇÃO DA PRESSÃO COM ENERGIA; F F .d E P A A.d V Pabs = Pbar + Pman Pabs= Pbar - Pman para Pman > 0 para Pman < 0 (vácuo) PROCESSOS Processo: evolução do sistema de um estado termodinâmico inicial para um estado termodinâmico final. ISOTÉRMICO; ISOCÓRICO; ISOBÁRICO; ADIABÁTICO; ESTADO TERMODINÂMICO Quando um sistema está em equilíbrio – isto é, suas propriedades termodinâmicas não variam com o tempo, diz-se que ele está em um determinado Estado. O estado de qualquer sistema pode ser descrito por algumas variáveis termodinâmicas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de variáveis. Propriedades extensivas dependem da quantidadde do material do sistema tal como U & V. U & V tornam-se propriedades intensivas se for consideradad uma massa unitária (U & V específica), ou um mol (U & V molar) m ½m ½m Propriedade Extensiva V ½V ½V T T T P P P Diferença entre propriedades extensiva e intensiva Propriedade Intensiva PROPRIEDADES DE ESTADO DE CAMINHO ESTADO DE EQUILIBRIO Existem outras definições para o estado de equilíbrio, mas a priori, podemos considerar: 1. nenhuma propriedade (p, V, T, m, n, etc..) do sistema varia durante um certo tempo; 2. o sistema é uniforme ou é composto por partes uniformes; 3. as trocas líquidas de qualquer natureza entre o sistema e vizinhanças ou entre partes internas do sistema são nulas; 4. as taxas líquidas de reações químicas são nulas. Um sistema termodinâmico pode apresentar estados de equilíbrio cuja estabilidade pode ser comparada a de um sólido, como um cone, sobre uma superfície plana horizontal: 1. Quando o cone está apoiado sobre sua base, tem-se um equilíbrio estável; EQUILIBRIO A palavra equilíbrio denota condição estática (ausência de modificações) mas para a Termodinamica, representa ausência de tendência a mudanças. No estado de equilíbrio: Não há taxas de variação ( as propriedades não variam com o tempo); O sistema é uniforme, ou composto por vários subsistemas uniformes; Todos os escoamentos são nulos ( de calor, de trabalho ou massa) no interior do sistema, ou entre sistema e vizinhança; A taxa liquida de reação é nula. Equilíbrio Termodinâmico: implica em equilíbrio mecânico, térmico, de fase e químico. Em processos, ocorrem uma sucessão de mudanças de estado, ou seja, desvios de equilíbrio. Como as propriedades só descrevem o estado do sistema no equilíbrio, conceituou-se um processo ideal, chamado de processo quasi- estático. Equilíbrio quase-estático (meta-estável): Composto por uma sucessão de estados de equilíbrio, representando em cada processo, um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA “Se um sistema A está em equilíbrio térmico com outro sistema B, e se o sistema B está em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, então o sistema C está em equilíbrio térmico com o sistema A” 1ª LEI DA TERMODINÂMICA CONSERVAÇÃO BALANÇO DE ENERGIA o VIZINHANÇA; o SISTEMA oΔE(sistema)=ΔE(vizinhança) QUAIS AS ENERGIAS PODEM ESTAR NO SISTEMA E QUAIS ATRAVESSAM A FRONTEIRA ESTÃO NA VIZINHANÇA? EXPERIMENTO DE JOULE 1 caloria = 4,18 Joules CALOR (Q) É o fluxo de energia movido por uma diferença de temperatura. Energia em trânsito Depende do caminho. Calor e Temperatura não são a mesma coisa! TRABALHO ENERGIA UTIL; ENERGIA EM TRANSITO; DEPENDE DO CAMINHO; QUALQUER OUTRA FORMA DE ENERGIA QUE NÃO TENHA A VARIAÇÃO DE TEMPERATURA COMO FORÇA MOTRIZ Trabalho • Deslocamento de um corpo contra uma força que se opõe ao deslocamento • Expansão de uma gás que empurra um pistão • Reação química que gera corrente elétrica TRABALHO (W) TRABALHO MECÂNICO ENERGIA MECÂNICA - Energia Cinética (Ec): dv W Fdx (ma)dx m dx dt 1 1 1 2 2 2 dx v dt v22 v12 mv 2 W m vdv m 2 2 2 1 2 ENERGIA MECÂNICA - Energia Potencial (Ep): 2 2 2 1 1 1 W Fdx (mg )dx mg dx mgx TRABALHO HIDRAULICO Trabalhos Mecânico w=Fext dl Fext = força externa l = deslocamento De Estiramento w= k l dl kl = tensão l = deslocamento Gravitacional w= mg dl Expansão w=Pext dV m = massa g = constante gravitacional l = deslocamento Pext = pressão externa V = volume Expansão superfícial w= dA = tensão superficial A= área Eletroquímico w=V dQ = I V dt V = diferença de potencial Q = quantidade de eletricidad I = corrente elétrica t = tempo Trabalho TRABALHO CALOR x TRABALHO ENERGIA INTERNA DEFINIÇÃO: Energia das próprias moléculas, devida a força de atração, repulsão, translação, rotação das moléculas ENERGIA INTERNA PROPRIEDADE DE ESTADO; PROPRIEDADE EXTENSIVA; IMPOSSIVEL A MEDIDA LOCAL Energia Interna: U U = Ufinal - Uinicial Função de estado: depende do estado no qual o sistema está, não do modo que chegou QUESTIONAMENTOS Conceituação de sistemas e seus diferentes tipos; Se a energia sempre se transforma, quais as Formas de energia? Se energia elétrica tem unidade diferente da en. cinética, como são semelhantes? Como transformar uma na outra? O que é equilíbrio? O Calor flui em que direção? O que é um processo reversível? O que é um processo cíclico, e eficiência? Termos como: processo adiabático, compressão isotérmica, expansão adiabática, vácuo, devem ser bem entendidos; Quando considerar o ar um gás ideal e quando isto é impossível? Por quê? 2o Princípio da Termodinâmica As transformações não alteram a quantidade de energia do Universo. Embora permaneça inalterada, ... ... em cada transformação, a parcela da energia disponível torna-se cada vez menor. Na maioria das transformações parte da energia converte em calor... ... que ao se dissipar caoticamente pela vizinhança torna-se , cada vez menos disponível, para realização de trabalho. A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez menor.
