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Leis da Conversão de energia: Parte 02 - Grupo GIMI



No capítulo anterior, discutimos sobre a importância da bioquímica como uma ciência que investiga os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. Exploramos diversos tipos de reações químicas, incluindo aquelas classificadas como exotérmicas, endotérmicas, nucleares, eletrólise e bioquímicas. Além disso, abordamos os meios naturais de conservação de energia e apresentamos o conceito fundamental de conservação de energia.


Hoje, daremos continuidade a essa jornada de conhecimento. Prepare-se para uma leitura instigante e enriquecedora!


Térmica: Ciclo Termodinâmico, Atrito e Resistência.

  • Ciclo Termodinâmico


A termodinâmica estuda as relações entre o calor e trabalho realizado em um corpo ou sistema. Por meio de variações da temperatura, do volume e da pressão de um sistema estudam-se as transformações naturais ou artificiais conduzidas pelo homem.


As transformações que ocorrem a pressão constante denominam-se isobáricas, enquanto as que ocorrem sob temperatura constante denominam-se isotérmicas e finalmente as transformações que ocorrem a volume constante são denominadas isocóricas ou isovolumétricas. Quando uma transformação ocorre sem que haja troca de calor com o meio ao seu redor, essa transformação denomina-se adiabática.


Quando o sistema entra em equilíbrio térmico em volume, temperatura e pressão ele está em equilíbrio termodinâmico.


Para gases ideais, a equação utilizada para encontrar a terceira grandeza é definida por:

P.V=n.R.T, sendo a primeira lei da termodinâmica já definida anteriormente neste capítulo.

Um processo térmico é considerado cíclico quando se repetem muitas vezes entre o estado final e o estado inicial, ou seja, o ciclo reinicia-se ao final do processo.


Um ciclo termodinâmico bastante trivial em nossas vidas é a geladeira. A figura abaixo é bastante ilustrativa.


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O reservatório de baixa temperatura é o compartimento da geladeira onde colocamos nossos alimentos para serem resfriados, onde está o evaporador, que rouba calor do compartimento através das moléculas do gás refrigerante.


O compressor é onde inserimos energia ao ciclo termodinâmico (trabalho) por meio do motor do compressor da geladeira.


No condensador, que muitas vezes é um complexo sistema de “grelhas” atrás da geladeira”, o gás refrigerante é manobrado por um longo trecho de tubos por onde o calor é trocado com o meio externo para refrigeração do gás refrigerante. No condensador, a energia térmica é devolvida ao ambiente compensando a energia que fornecemos pelo motor ao ciclo termodinâmico, fazendo-o cumprir a primeira lei da termodinâmica.


No dispositivo de expansão, o gás refrigerante expande-se em volume e tem sua temperatura reduzida para reiniciar o ciclo no evaporador, roubando novamente calor dos alimentos, e assim sucessivamente.


Atrito


Atrito, em física, é a força de contato que atua entre dois corpos que se tocam e quando há tendência ao movimento. É gerada pela aspereza (rugosidade) dos corpos. A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interação e contrária ao movimento relativo entre elas.


Apesar de sempre paralelo às superfícies em interação, o atrito entre estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de contato que, quanto maior for a força normal, maior será o atrito. Passar um dedo pelo tampo de uma mesa pode ser usado como exemplo prático: ao pressionar-se com força o dedo sobre o tampo, o atrito aumenta e é mais difícil manter o dedo se movendo pela superfície. Entretanto, ao contrário do que se poderia imaginar, mantidas as demais variáveis constantes, a força de atrito não depende da área de contato entre as superfícies, apenas da natureza destas superfícies e da força normal que tende a evitar que uma superfície "penetre" na outra.


A energia dissipada pelo atrito é, geralmente, convertida em energia térmica e/ou quebra de ligações entre moléculas, como ocorre ao lixar alguma superfície.


O Coeficiente de atrito, geralmente representado pela letra μ, é uma grandeza adimensional que relaciona a força de atrito e a força de compressão entre dois corpos. Esse coeficiente depende dos materiais envolvidos. Pode-se diferenciar o coeficiente de atrito em duas formas distintas: coeficiente de atrito dinâmico e Coeficiente de atrito estático.


Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético é definido a partir do momento em que as superfícies em contato apresentam movimento relativo. Relaciona a força de atrito cinético presente nos corpos que se encontram em movimento relativo com o módulo das forças normais que neles atuam.


Coeficiente de atrito estático é definido a partir do momento em que duas superfícies em contato se encontram em iminência de movimento relativo, mas ainda não se moveram. Relaciona a máxima força de atrito possível (com as superfícies ainda estáticas uma em relação à outra) com a(s) força(s) normal(is) a elas aplicadas.


Comparando-se os módulos dos dois coeficientes, no contato entre superfícies sólidas, o coeficiente de atrito cinético será sempre menor que o coeficiente de atrito estático.


SUPERFÍCIE DE CONTATO

µe

µc

Borracha sobre concreto

1,0

0,8

Madeira sobre Madeira

0,4

0,2

Articulações dos ossos humanos

0,01

0,003

Vidro sobre vidro

0,94

0,4


Resistência


Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica, mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada sobre ele. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.


Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente pelo condutor.


Os fatores que influenciam na resistência de um dado condutor são:


⦁ A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento.


⦁ A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor.


⦁ A resistência de um condutor depende da resistividade do material de que ele é feito.


A resistividade, por sua vez, depende da temperatura na qual o condutor se encontra.

Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela Segunda Lei de Ohm.


R= ρ.l.A-1


ρ é a resistividade elétrica do condutor;


R é a resistência elétrica do material;


l é o comprimento do condutor;


A é a área da seção do condutor.


Essa relação vale apenas para materiais uniformes e isotrópicos, com seções transversais também uniformes.


Um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece. Num ferro de passar roupa, num secador de cabelos ou numa estufa elétrica, o calor é produzido pela corrente que atravessa um fio metálico. Esse fenômeno, chamado efeito Joule, que já conhecemos neste capítulo em 3.1, deve-se aos choques dos elétrons contra os átomos do condutor. Em decorrência desses choques dos elétrons contra os átomos do retículo cristalino, a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor. O efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica.


A característica tensão-corrente da associação de várias resistências têm sempre o mesmo aspecto que a caraterística de uma única resistência, ou seja, pode ser considerada uma associação. Podemos usar algumas regras para calcular a resistência equivalente, quando as resistências estiverem ligadas em série ou em paralelo.


Duas resistências estarão ligadas em série, quando uma estiver ligada à outra, sem nenhum outro elemento de circuito no meio, como se mostra na figura abaixo.

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Em um circuito composto por duas resistências ligadas em série, a corrente é a mesma nas duas resistências. A diferença de potencial no sistema é a soma das diferenças de potencial em cada resistência.

ΔV = ΔVR1 + ΔVR2 = (R1 + R2). I


Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência Rs com valor igual à soma das duas resistências.


Rs = R1 + R2


Diz-se que duas resistências estão ligadas em paralelo se os dois terminais de cada uma das resistências estiverem ligados entre os mesmos pontos, como mostra a figura a seguir:

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Para um circuito composto por duas resistências ligadas em paralelo, a diferença de potencial é a mesma nas duas resistências. A corrente no sistema é a soma das correntes em cada resistência.


I = I1 + I2 =


Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência Rp que verifica a equação:


Em alguns sistemas com várias resistências é possível simplificar o sistema substituindo sucessivamente as resistências que se encontrarem em série ou em paralelo por uma resistência equivalente, até obter uma única resistência equivalente.


No sistema internacional de unidades, a unidade usada para medir a resistência é o ohm, designado pela letra grega omega maiúscula, Ω. Uma resistência de 1 ohm é uma resistência em que uma tensão de 1 volt produz uma corrente de 1 ampere.


Usando a lei de Ohm, a potência dissipada por efeito Joule numa resistência pode ser escrita em função do valor da resistência:


P = R.I2 ou


Assim, a especificação da potência de um dispositivo elétrico tem implícito um valor da diferença de potencial que deverá ser usado para o seu correto funcionamento. Quanto maior for essa potência nominal, menor será a resistência do dispositivo.


Caso os valores dos resistores sejam iguais, a resistência equivalente é igual ao valor de uma das resistências dividido pelo número de resistores utilizados.


onde n = Número de resistores


A potência elétrica que dissipa um elemento de um circuito, por exemplo, uma lâmpada, é igual ao produto da diferença de potencial e a corrente no elemento: P = I.ΔV.


Duas lâmpadas diferentes podem ter diferentes valores da potência, com o mesmo valor da tensão. Por exemplo, existem lâmpadas pequenas de 12V com potências de 1W e de 2W. Isso indica que para o mesmo valor da diferença de potencial, a corrente na lâmpada de 2W é o dobro do que a corrente na lâmpada de 1W.


Cada elemento de circuito tem uma curva caraterística que mostra os valores resultantes da corrente I para diferentes valores da diferença de potencial, ΔV. A figura abaixo mostra algumas dessas curvas caraterísticas, para três elementos de circuito diferentes.

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Resistências são geralmente caraterizadas por curvas lineares da relação Tensão e corrente, ou seja, na figura acima, representam a letra a.

Cargas compostas pela associação de resistores, capacitores e indutores, além de semicondutores ou dispositivos controlados podem ter curvas características de tensão e corrente não lineares, representadas pelos exemplos das curvas b e c acima.


Contínua no próximo capítulo, até lá!


Bibliografia

HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.

GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Quíca. Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.

FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011

TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em: <http://www. liberato.com.br/upload/arquivos/0131010716090416. pdf>. Acesso em 16 fev. 2011.

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TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em:<http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/ pdf/0100.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/teses_mestrado/200102_dutra_r_m_ms.pdf>. Acesso em: 20 fev. 2011.

AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010. Disponível em:<http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf>. Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.

Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.

Website Wikipedia :<https://pt.wikipedia.org/wiki/>. Acesso em: 26 maio. 2018.


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