Plano de aula - Energia

Público Alvo

Alunos do terceiro ano do ensino médio, que estejam no terceiro bimestre.

Temática

Tecnologia e meio ambiente.

Objetivos

O intuito deste trabalho é a verificação dos ciclos envolvidos na transformação de energia para uma usina hidrelétrica e para uma usina termoelétrica, e à partir disso enumerar as vantagens e desvantagens do uso de cada usina, focando principalmente no impacto ambiental e na quantidade de energia transformada por cada uma.

Planos de aula

O tema proposto é programado para ser aplicado em cinco aulas com um breve questionário sobre o assunto ao final das aulas para avaliação:

Aula 1 - Introdução ao conceito de energia elétrica do ponto de vista físico.

Aula 2 - Energia proveniente de uma usina hidroelétrica.

Aula 3 - Energia proveniente de uma usina termoelétrica.

Aula 4 - Questionário sobre o assunto estudado.

Aula 5 - Correção e debate sobre as questões.

Conteúdo

Aula 1 – Energia elétrica

Do ponto de vista físico a energia elétrica é a capacidade de uma corrente elétrica de realizar trabalho. Essa corrente é gerada pela diferença de potencial elétrico entre dois pontos. A energia elétrica é uma fonte de energia renovável, ou seja, ela não se esgota, pois pode ser gerada de diversas maneiras, ao contrário da energia proveniente apenas da queima do combustível fóssil.

A energia elétrica pode ser obtida de diferentes maneiras, tais como a partir de usinas hidrelétricas, usinas termelétricas, além da energia eólica e a solar que também se transformam em energia elétrica. O foco aqui é a transformação de energia nas usinas termoelétricas e nas hidrelétricas.

Resumidamente, a energia elétrica é obtida a partir da energia química pela queima dos combustíveis na termoelétrica ou da energia mecânica do movimento das águas em uma represa, ou seja, em ambos os casos uma matriz energética fornece energia a qual se transforma em energia elétrica.

Em todo o mundo, aproximadamente 500 000 MW de eletricidade são gerados diariamente a partir das usinas hidrelétricas e termelétricas, como pode ser visto no fluxograma a seguir:

Figura 1 – Fluxograma do ciclo da energia elétrica

É possível observar que a energia térmica proporciona maior produtividade para a transformação em energia elétrica, uma vez que o calor da queima dos combustíveis gera mais energia do que a energia mecânica proveniente do movimento da água.

Aula 2 – Usina Hidrelétrica

A aula se inicia com a apresentação de um breve vídeo sobre como funcionam as usinas hidrelétricas, de um ponto de vista resumido. O vídeo se chama “Como funcionam as usinas hidrelétricas” (http://www.youtube.com/watch?v=1QDosHWmRcM). O vídeo possui menos de dois minutos de duração e simplifica o processo, para que os alunos tenham uma introdução ao tema.

Com base no vídeo, o processo de transformação de energia pode ser explicado agora com mais detalhes.

Historicamente, a obtenção de energia pelo uso as força das águas é a maneira mais antiga para efetuar algum tipo de trabalho e data do século I a.C. Neste caso, rodas de água eram colocadas embaixo de quedas d’água e com isso um trabalho realizado pela energia mecânica do movimento das águas proporcionava uma maior facilidade para se movimentar objetos e eventualmente diminuir o esforço humano em colheitas.

No final do século XVIII, idealizado por Nicola Tesla, a energia mecânica obtida com o movimento da água começou a ser usada para a obtenção da energia elétrica. A primeira usina foi a de Niágara Falls, e de lá pra cá, nada mudou além das novas tecnologias que ajudaram a facilitar o processo.

Atualmente, 20% da energia elétrica do mundo é obtida pelas usinas hidrelétricas e corresponde à aproximadamente 100 000 MW diários.

O processo de obtenção de energia elétrica por meio do movimento das águas é bem simples: Uma represa armazena uma grande quantidade de água. Esta por sua vez, acumula energia potencial, pois está em uma altura maior que o duto pelo qual ela se movimenta. Ao passar pelo duto com uma determinada velocidade, a água adquire energia cinética que ao fim do duto se encontra com uma turbina. Partindo do ponto que a energia mecânica é a soma da energia potencial com a energia cinética (ΔEm = ΔEc + ΔEp), a turbina com a energia acumulada move as bobinas do gerador causando uma diferença de potencial e conseqüentemente a geração de uma corrente elétrica. É importante observar que nem toda a energia mecânica se transforma em energia elétrica, visto que o movimento rápido da turbina se transforma em energia térmica também. Esta por sua vez, se transfere para todo o sistema interno ao redor da turbina.

Figura 2 – Funcionamento de uma hidroelétrica

As vantagens de se obter energia elétrica dessa maneira, é que a água é uma fonte de energia renovável, e não corre o risco de esgotamento para essa finalidade.

A maior desvantagem de se usar as usinas hidrelétricas, é o fato da quantidade de usinas estar aumentando em uma velocidade muito grande, destruindo áreas inteiras para sua construção. Do ponto de vista ambiental, o impacto é forte, porém para a geração de energia não há grandes desvantagens.

Aula 3 – Usina Termoelétrica

A aula se inicia com um vídeo de três minutos sobre o funcionamento de uma usina termoelétrica, para assim se criar uma base para a discussão. O vídeo se chama “Usinas Termoelétricas” (http://www.youtube.com/watch?v=eJKd1QAMyUI).

Com base no vídeo, uma nova explicação detalhada pode ser dada.

No contexto histórico, a obtenção de energia a partir de energia térmica é recente e data da Revolução Industrial no Século XIX. Inicialmente máquinas totalmente mecânicas se movimentavam com a energia vinda da queima do carvão mineral. Essa energia passou a mover locomotivas, e com a descoberta de outros combustíveis fósseis ao longo dos anos, como o petróleo, se expandiu para os veículos automotores.

A obtenção de energia elétrica a partir da energia térmica é mais recente ainda e data da segunda metade do Século XX.

As usinas termoelétricas utilizam o calor proveniente da queima de combustíveis fósseis (carvão mineral, óleo, gás, entre outros) ou o calor gerado na fissão nuclear, tendo em vista que uma usina nuclear é um tipo de usina termoelétrica.

O processo consiste em primeiro lugar do aquecimento de uma caldeira com água,  a qual ao se transformar em vapor, gera uma força que irá movimentar as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um gerador.

Pode-se aquecer o caldeirão através da queima de combustíveis fósseis. Uma outra maneira de aquecimento é utilizando a energia nuclear, através de reações nucleares como a fissão do urânio.

Após o vapor ter movimentado as turbinas ele é enviado a um condensador para ser resfriado e transformado novamente em água líquida para ser reenviado ao caldeirão, para um novo ciclo. Esse vapor pode ser resfriado utilizando água de um rio, um lago ou um mar, mas causa danos ecológicos devido ao aquecimento da água e consequentemente uma diminuição do oxigênio. Uma maneira alternativa de resfriar esse vapor é utilizando água armazenada em torres, por sua vez esta água é enviada em forma de vapor a atmosfera, alterando o regime de chuvas.

Figura 3 – Funcionamento de uma termoelétrica

A grande vantagem de se utilizar as usinas termelétricas é que elas podem sem construídas próximas aos centros urbanos, o que proporciona um desperdício menor de energia, visto que as linhas de transmissão são diminuídas. Outra grande vantagem, é que as termoelétricas mantém um ciclo constante de transformação de energia, ao contrário das hidroelétricas que dependem do nível dos rios.

Por outro lado, um dos maiores problemas das usinas termoelétricas é a grande contribuição que elas têm com o aquecimento global através do efeito estufa e de chuvas ácidas, devido a queima de combustíveis. No caso das usinas termoelétricas que usam como fonte de calor energia nuclear, além da poluição térmica ainda existe o problema do lixo atômico, sem contar que as fontes de energia não são renováveis.

Aula 4 – Questionário

As questões serão dadas com o objetivo de possibilitar uma discussão em classe numa aula posterior. Essa atividade será em grupos de até quatro alunos, e as questões estão dispostas à seguir:

1-) Com base no conteúdo do texto, porque a energia mecânica proveniente do movimento da água não é totalmente transformada em energia elétrica?

2-) Tendo em vista que a água é uma fonte de energia renovável, por que há racionamentos?

3-) Se as usinas termoelétricas tem uma produtividade maior de eletricidade, por que são menos utilizadas que as hidrelétricas?

4-) Qual o maior problema da construção e usinas hidrelétricas? Por que esse problema não ocorre com as termoelétricas?

5-) É possível dizer que todo o calor gerado em uma termoelétrica é aproveitado em forma de eletricidade?

Aula 5 – Correção e debate das questões

Nesta aula, haverá um debate sobre as questões anteriores. O objetivo não é expor uma resolução pré definida de cada questão, mas sim separar e realizar uma análise das respostas que cada grupo, para assim se ter uma discussão sobre o tema abordado.

Bibliografia

Halliday, D., Resnick ,R., Walker, J., Fundamentos de física. 7ª edição, vol. 2, editora LTC, 2006;

Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W.; Freedman, Roger A.; Young, Hugh D. Física II, 12ª Ed. (Pearson Addison-Wesley, São Paulo, 2008).

http://www.suapesquisa.com/o_que_e/energia_eletrica.htm

http://www.brasilescola.com/fisica/energia-eletrica.htm

http://www.infoescola.com/fisica/usina-termoeletrica/

http://www.infoescola.com/energia/usina-hidreletrica/

Autores: Joedson Almeida e Rafael Silva