Plano de aula - Energia (Repostado após revisão)

Público Alvo

Alunos do terceiro ano do ensino médio.

Temática

Tecnologia e meio ambiente.

Objetivos

O intuito deste trabalho é discutir as transformações de energia  numa usina hidrelétrica e numa usina termoelétrica. À partir disso, enumerar as vantagens e desvantagens do uso de cada usina, focando principalmente o impacto ambiental e a quantidade de energia transformada por cada uma.

Planos de aula

O tema proposto está programado para ser aplicado em quatro:

Aula 1 - Introdução ao conceito de energia elétrica.

Aula 2 – As transformações de energia numa usina hidroelétrica.

Aula 3 - As transformações de energia numa usina termoelétrica.

Aula 4 – Discussão acerca do tema.

Conteúdo e conceitos

Aula 1 – Introdução ao conceito de 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 não se esgota, pois pode ser gerada de diversas maneiras, ao contrário da energia química proveniente apenas da queima do combustível fóssil.

A energia elétrica pode ser obtida de diferentes maneiras, tais como a partir de usinas hidrelétricas (que utilizam a água como fonte geradora de energia), usinas termelétricas (que utilizam o calor como fonte geradora de energia), além da energia eólica e a solar (que utilizam o vento e os fótons provenientes da luz solar respectivamente, como fontes geradoras de energia).

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 (fonte: http://profmarcosfaria.blogspot.com.br/p/1ano.html)

Nota-se 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

Com base no vídeo “Como funcionam as usinas hidrelétricas” (http://www.youtube.com/watch?v=1QDosHWmRcM) pode-se entender o processo de transformação de energia mais simplificadamente.

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 (fonte: http://www.infoescola.com/energia/usina-hidreletrica/)

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

Com base no vídeo “Usinas Termoelétricas” (http://www.youtube.com/watch?v=eJKd1QAMyUI), uma nova explicação detalhada acerca do assunto 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. Pode-se concluir então que boa parte da energia é dissipada em uma fonte fria, o que nos garante que o rendimento aqui não é de 100%, pois o trabalho realizado não utiliza todo o calor gerado. É importante ressaltar que o 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 (Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/usina-termoeletrica/)

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 – Discussão acerca do tema.

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

1-) Tendo em mente os ciclos envolvidos tanto na usina hidrelétrica, quanto na usina termoelétrica, desenvolver um gráfico com as transformações de energia em cada processo e discutir em qual caso há uma perda maior para o ambiente.

2-) Com base no texto, discutir qual usina tem um rendimento maior. Estimar por meio dos conhecimentos acerca do assunto, valores para o trabalho realizado em cada processo ao longo de um dia.

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/

http://profmarcosfaria.blogspot.com.br/p/1ano.html

Autores: Joedson Almeida e Rafael Silva