Tópico 2 o sol e as fontes de energia
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1. O documento descreve as principais fontes de energia na Terra, sendo a principal delas a radiação solar. 2. Combustíveis fósseis como carvão e petróleo são formados a partir de matéria orgânica que recebeu energia da radiação solar ao longo de milhões de anos. 3. Algumas fontes terrestres de energia como usinas de maré e nucleares não dependem diretamente da radiação solar, porém ainda são influenciadas por ela.
Tópico 2 o sol e as fontes de energia
- 1. Tópico 2 – O SOL E AS FONTES DE ENERGIA abreviadamente como: 1. O Sol é a principal fonte de energia na Terra β = 1,4 k (J/s)/m2 = 1,4 kW/m2 Para nós, habitantes da Terra, o Sol é a estrela mais Para efeito de comparação: um ferro elétrico comum importante dos bilhões de estrelas que existem no Universo, de desamassar roupa tem potência de aproximadamente 1,2 pois dele recebemos toda a energia necessária à vida, tanto da kW; a constante solar, portanto, é um pouco maior do que a humanidade como dos animais e vegetais. energia (sob a forma de calor) que o ferro transmitiria durante A energia que recebemos do Sol, chamada radiação 1 segundo a uma área de 1 m2. Uma furadeira elétrica tem solar, é emitida incessantemente por ele e sua natureza é a potência de 750 watts, bem menor, portanto, do que a energia mesma da luz, das ondas de rádio, das radiações que utilizamos da radiação solar que incide na mesma área em 1 segundo. nos fornos de micro-ondas e na telefonia, entre outros Se considerarmos toda a superfície da Terra, a energia dispositivos que fazem parte do nosso dia-a-dia. Esses são que diariamente nosso planeta recebe do Sol vale cerca de: diversos tipos de radiação eletromagnética, que diferem uns dos outros por uma propriedade fundamental: a freqüência, que E = 6 x 1022 J é o número de vibrações (ou ciclos) por segundo realizados em cada ciclo; por exemplo, a luz, ou radiação visível, tem Para apreender o que significa esse dado numérico, basta freqüência muito alta, de muitos bilhões de ciclos/s (em torno compará-lo com a energia elétrica produzida diariamente por de 1015), enquanto a radiação das emissoras FM está na faixa todas as usinas geradoras existentes na Terra atualmente, isto é, de 10 6 ciclos/s. (Leia o quadro abaixo). cerca de 1018 joules, que é cerca de sessenta mil vezes menor Outra propriedade importante da radiação solar é que, do que a energia que recebemos do Sol em cada dia! qualquer que seja o seu tipo, ela se propaga tanto nas substâncias materiais como no vácuo. É provável que você 2. O Sol e os combustíveis saiba que não existe nenhuma matéria entre a Terra e o Sol ou qualquer outro corpo celeste; isto não nos impede de vê-los e Um combustível é qualquer substância que, estudar suas propriedades, o que evidencia que a radiação associando-se com o oxigênio, produz calor. A própria palavra eletromagnética se propaga no espaço vazio. Essa propriedade combustível já revela o mecanismo pelo qual a energia é da radiação eletromagnética é oposta à do som, que só pode se produzida: a combustão ou queima, isto é, a reação química na propagar em substâncias materiais, não importando se são qual a substância se combina com o oxigênio e origina calor. sólidos, líquidos ou gases. Existem combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Dos Além disso, todos os tipos de radiação combustíveis sólidos, o mais importante é o carvão mineral, eletromagnética têm a mesma velocidade no vácuo e no ar: que faz parte dos combustíveis fósseis, os quais são atinge 300.000 km/s, a maior velocidade conhecida; a radiação remanescentes de plantas e animais que viveram na Terra há solar leva cerca de 8 minutos para percorrer a distância Sol- milhões de anos e sofreram no solo um processo de Terra com essa velocidade. Na água a radiação tem velocidade carbonização incompleta, pelo calor e a pressão, durante menor, mas ainda assim enorme, próxima de 200.000 km/s; milhares de séculos. noutras substâncias materiais a velocidade da radiação Esses combustíveis foram todos originados pela ação eletromagnética também é menor do que no vácuo, mas é da energia proveniente do Sol, ao longo da existência de nosso sempre muito elevada. planeta, cuja idade provável é de 4,5 bilhões de anos (4,5 x 109 Para podermos compreender a importância da energia anos). O processo de formação dos combustíveis fósseis, em que recebemos do Sol, temos de medi-la, pois qualquer linhas gerais, pode ser compreendido lembrando que os propriedade física só tem significado se puder ser medida, isto animais se alimentam de plantas ou de outros animais que é, expressa numericamente, numa unidade adequada. No caso comem plantas. Ora, a vida dos vegetais depende estritamente da energia, a unidade chama-se joule, cujo símbolo é J. Esta é da radiação solar, graças a um processo de enorme importância uma unidade muito pequena para as necessidades diárias; por que neles ocorre, denominado fotossíntese, que consiste na isso, utiliza-se mais freqüentemente um múltiplo do joule, o formação de moléculas orgânicas a partir da água e do dióxido kilojoule, cujo símbolo é kJ, mil vezes maior: 1 kJ = 1.000J. (O de carbono atmosférico, sendo a luz solar a fonte de energia k minúsculo é uma abreviação para 1.000 e pode ser usado necessária. com quaisquer unidades). Outra unidade de energia de uso comum é a caloria, QUADRO 1 - A FOTOSSÍNTESE símbolo cal e seu múltipli, a kcal = 1000 cal; 1 caloria equivale a 4,2 joules, logo 1 kcal = 4,2 kj. Os alimentos que devemos consumir regularmente, A radiação proveniente do Sol, em cada segundo, 1 substâncias complexas e essenciais à vida, são as fontes de metro quadrado da superfície terrestre recebe a energia de energia que permitem aos nossos corpos e aos dos animais 1.400J = 1,4 kJ, que é denominada constante solar e será manter-se aquecidos e praticar as inúmeras atividades que representada por β. Esse dado pode ser apresentado de maneira realizam. Se a energia de que dependemos para viver mais concisa escrevendo-se proviesse de um combustível semelhante ao petróleo ou ao carvão, há muito tempo estaria esgotada sua reserva em β= 1.400 J/s.m2 = 1,4 kJ/s.m2 nosso planeta. A solução desse problema encontra-se nas plantas verdes, O cociente J/s (joule por segundo) aparece que apresentam uma propriedade notável: a fotossíntese, freqüentemente em Física, porque indica uma propriedade que só ocorre nelas e em alguns tipos de bactérias. Trata-se importante das máquinas, denominada potência; ele recebe um de um processo complicado, pelo qual a água e o dióxido de nome especial: watt e seu símbolo é W; 1.000 watts = 1 kW. O carbono são transformados nos açúcares, proteínas e gorduras de que necessitamos, graças à absorção da valor de β acima indicado pode então ser escrito radiação solar na clorofila, que é um pigmento verde.
- 2. Os organismos animais eliminam água e gás Mas é fácil nos convencermos de que também nesses carbônico como rejeitos de seu metabolismo; as plantas casos a radiação solar é o principal agente. Com efeito, os absorvem o gás carbônico e eliminam o oxigênio, ventos são conseqüência de diferenças de aquecimento entre constituindo a principal fonte de oxigênio no globo terrestre. regiões da superfície terrestre sob a incidência da luz solar; as Podemos afirmar, então, que nossos alimentos são, em quedas d´água, por sua vez, resultam da evaporação da água de grande parte, luz solar que as plantas verdes sintetizam. rios, lagos e mares, também devido ao aquecimento provocado pela radiação solar, o que leva à formação de nuvens e à sua O carvão mineral se apresenta sob vários tipos, precipitação (isto é, chuvas) e a água volta aos lugares de onde dependendo de seu grau de carbonização; ele foi o combustível havia saído. mais utilizado em todo o mundo até uns 50 anos atrás. No Brasil não existem grandes jazidas desse combustível e as que 3. As fontes terrestres de energia independentes do existem não são de boa qualidade, razão pela qual ele sempre Sol foi pouco utilizado em nosso País. O carvão mineral (também chamado carvão de pedra) não deve ser confundido com o Existem em nosso planeta, entretanto, fontes de carvão vegetal, muito utilizado em nossas usinas siderúrgicas e energia que de fato não dependem da radiação solar: as usinas que tem sido um dos maiores responsáveis pela destruição de de maré, as fontes geotérmicas e as usinas nucleares. nossas florestas nativas. As usinas de maré dependem da atração O petróleo é um combustível fóssil que se apresenta gravitacional exercida pela Lua e pelo Sol sobre a Terra, no estado líquido e tem a mesma origem que o carvão mineral principalmente sobre as águas oceânicas, o que provoca o mencionado acima. Ele é encontrado no subsolo, conhecido fenômeno das marés, ou seja, o aumento e a freqüentemente a grande profundidade abaixo da superfície, diminuição alternados da profundidade do mar perto do litoral, nos interstícios de rochas porosas, não em “poços” a intervalos de aproximadamente 12 horas. subterrâneos. A operação dessas usinas é explicada no quadro Há meio século abaixo e pode ser resumida assim: durante a maré alta o nível predominava no Brasil a crença da água do mar é maior do que o da água represada por uma de que não existia petróleo aqui barragem, na qual estão instalados geradores elétricos. Quando em quantidade apreciável que se abrem comportas apropriadas, a água do mar penetra no justificasse o trabalho e os reservatório e aciona os geradores. O nível da água da represa, investimentos necessários para ser no fim da maré alta, é superior ao nível do mar e começa a explorado. Essa suposição foi escoar para ele, durante a maré baixa, acionando de novo os desmentida pela pesquisa geradores elétricos. A contribuição das usinas de maré para a sistemática, que revelou a produção mundial de energia ainda é muito reduzida. existência de grandes jazidas desse combustível, principalmente no subsolo marinho, a QUADRO 2 – AS USINAS DE MARÉ distâncias relativamente pequenas do litoral. A exploração bem sucedida desses depósitos tem sido uma grande vitória de nossos engenheiros e operários, graças a tecnologias avançadas de exploração, muitas delas desenvolvidas no Brasil por brasileiros. Mantido o ritmo atual de produção de petróleo em nosso País, em breve seremos auto-suficientes em relação a esse insumo essencial para a atividade econômica. Outro combustível que era pouco utilizado no Brasil e que adquiriu importância há relativamente pouco tempo é o gás combustível, o qual pode ter origem natural, proveniente de depósitos subterrâneos, ou então é fabricado a partir de combustíveis fósseis. O gás de cozinha, que é o combustível doméstico mais utilizado entre nós, deriva do petróleo (é Na maré baixa o nível de água no reservatório R, denominado GLP, sigla de gás liquefeito de petróleo). criado pela barragem B, é o mesmo do mar M; a O gás natural tem adquirido crescente papel como comporta C está fechada. combustível para as indústrias e para abastecimento de automóveis e caminhões. A maior parte do que consumimos desse combustível é hoje importado da Bolívia, mas dentro de alguns anos haverá condições de produzirmos aqui grande parte dele. Como a energia é absolutamente indispensável, a humanidade inventou, ao longo de sua evolução, vários recursos para produzir energia que aparentemente não dependem da radiação solar. São exemplos os moinhos de vento e as rodas d´água, aparelhos dos mais antigos usados para produzir energia e foram muito importantes até há alguns séculos atrás. Atualmente, as turbinas eólicas, isto é, geradores de eletricidade movidos pelo vento, e as usinas hidrelétricas, em que a eletricidade é produzida mediante geradores acionados Quando a maré começa a subir a comporta C é aberta pela queda da água, são os sucessores daquelas antigas e água penetra no reservatório R e aciona a turbina instalações. existente na barragem, que passa a gerar energia.
- 3. na produção de eletricidade na Islândia, na Nova Zelândia e nos Estados Unidos (Califórnia). Nas usinas nucleares o “combustível” é um elemento radioativo, sendo o urânio o mais importante deles para essa finalidade. No urânio ocorre a desintegração do núcleo atômico, com a conseqüente liberação de energia, que é utilizada para aquecer água ou outro fluido a fim de acionar turbinas acopladas a geradores de eletricidade (veja o quadro 3). QUADRO 3 – REATOR NUCLEAR Quando a maré atinge a altura máxima o nível da água é o mesmo no reservatório e no mar, a comporta C é Um reator nuclear é um aparelho destinado a produzir fechada e a turbina fica inativa. energia, utilizando como “combustível” determinados elementos químicos, principalmente o urânio. Essa energia provém de uma transformação que ocorre nos núcleos do elemento utilizado, denominada fissão nuclear, em que os núcleos atômicos se fragmentam e ao mesmo tempo liberam enorme energia. A maioria dos reatores existentes atualmente destina-se a gerar eletricidade. A energia produzida na fissão nuclear é utilizada para vaporizar água ou outro fluido, que irá acionar as turbinas acopladas a geradores de eletricidade. Sob esse aspecto, o reator nuclear cumpre a mesma função que uma caldeira aquecida com a combustão de carvão ou de óleo diesel, por exemplo. A figura abaixo ilustra como funciona um reator nuclear por exemplo. A A maré começa a baixar e a comporta novamente é figura abaixo ilustra como funciona um reator nuclear. aberta, acionando a turbina e o gerador de eletricidade, até que o nível da água no reservatório e no mar seja o mesmo. As fontes geotérmicas são as que dependem do calor gerado no interior de nosso planeta e que se manifesta nos vulcões, gêiseres e fonte termais. Esse calor provém em parte da formação da Terra, há alguns bilhões de anos, quando sua temperatura era altíssima e desde então tem diminuído lentamente, da superfície para o interior. O calor interno de nosso planeta também decorre da existência de substâncias radioativas em camadas profundas do globo terrestre. As substâncias radioativas são elementos químicos como o urânio, o rádio, o tório e alguns outros, cujos núcleos 4. O interior da Terra atômicos se desintegram e liberam energia que se manifesta como calor. A desintegração radioativa é um fenômeno muito Nosso conhecimento do interior da Terra é indireto e importante, que apresenta a seguinte propriedade especial: não até hoje muito limitado, devido à impossibilidade de penetrar existe nenhuma ação externa – tal como a aplicação de altas até grandes profundidades. As principais fontes de informações temperaturas, de grandes pressões e pancadas, produtos para esse conhecimento são as ondas geradas pelos terremotos químicos, campos magnéticos ou elétricos – que possam alterar (chamadas ondas sísmicas) e registradas nos aparelhos a taxa em que as desintegrações ocorrem. denominados sismógrafos, os quais revelam que essas ondas As fontes termais são fontes de água quente, que são de dois tipos: as longitudinais e as transversais. As ondas emerge da superfície terrestre e pode conter diversos minerais longitudinais podem penetrar nos sólidos, líquidos e gases, mas e gases sulfurosos nela dissolvidos. No Brasil, existem fontes as transversais só se transmitem nos sólidos; o estudo do termais em numerosas localidades e em nosso Estado são bem comportamento das ondas sísmicas revelou que existem regiões conhecidas as de cidades como Araxá, Caxambu e Poços de no interior da Terra que são sólidas e outras que são líquidas. Caldas, além de outras. Essas regiões formam diversas camadas concêntricas, Os gêiseres, que ocorrem em áreas onde existe diferentes umas das outras na composição química e nas atividade vulcânica, são fontes resultantes de fendas profundas propriedades físicas (veja abaixo um esquema simplificado). A na crosta terrestre e delas irrompem intermitentemente jatos de primeira camada (denominada crosta terrestre) forma a parte água superaquecida e vapor d´água. Essas fontes são utilizadas externa da Terra e está em contato com a atmosfera que
- 4. circunda nosso planeta; nela estão situados os mares e lagos, os toneladas por segundo. O tempo de “vida” que lhe resta, continentes e seu relevo. A crosta é rochosa e de espessura entretanto, é ainda extremamente grande para os padrões variável; na maior parte sua profundidade é de 40 km, mas há humanos: cerca de 5 bilhões de anos; em vista disso, ele pode lugares onde atinge 70 km. ser considerado uma fonte renovável de energia. Logo abaixo da crosta começa a região denominada A energia hidráulica e a energia eólica (isto é, manto, que se estende até cerca de 2.900 km de profundidade e produzida pelo vento) são igualmente formas de energia é formada também de material sólido que pode atingir até 200 renováveis. O aproveitamento da energia eólica ganhou grande km de profundidade. O conjunto crosta terrestre + manto impulso nos últimos anos, graças ao desenvolvimento de superior é chamado litosfera, o que significa camada rochosa, turbinas eólicas eficientes; em alguns países, como a porque ela consta de enormes blocos maciços mas separados, Dinamarca e a Alemanha, elas já fornecem uma parcela que se denominam placas tectônicas, as quais flutuam sobre considerável da energia elétrica neles consumida. um material parcialmente fundido e pastoso. As placas As células solares efetuam a transformação da energia tectônicas podem mover-se muito lentamente e se chocam solar diretamente em eletricidade; são hoje relativamente umas com as outras, o que provoca os terremotos, as falhas comuns os painéis solares com elas formados, utilizados para geológicas, montanhas, vulcões e fontes termais. aquecimento de água. Embora tenham baixa eficiência, são um Os mineradores sabem, há muitos séculos, que a recurso promissor porque muitas empresas estudam ativamente temperatura aumenta à proporção que se desce no interior da seu aperfeiçoamento. Terra. Na interface da crosta com o manto ela atinge 100 oC e A energia nuclear é outra fonte de energia renovável continua subindo daí em diante. independente do Sol. Os reatores nucleares são equipamentos Abaixo do manto existe a camada que se chama núcleo dispendiosos e complexos Tal como os combustíveis fósseis, externo, cuja espessura se estende entre as profundidades de sua utilização produz subprodutos indesejáveis que constituem 2.900 e 5.100 km; é formada por material metálico em estado o lixo nuclear. A manipulação e eliminação desse lixo criam pastoso e em movimento violento, cuja temperatura pode problemas muito difíceis de serem resolvidos, mas tem havido chegar talvez a 3.500 oC na interface com o manto. progressos consideráveis no seu tratamento. Pode-se esperar Finalmente, há o núcleo interno, esfera cujo raio é de uns que, em futuro não muito distante, os reatores nucleares 1.250 km e que se supõe seja sólido e constituído de ferro e constituirão uma fonte de energia não apenas renovável, mas níquel; sua temperatura deve alcançar 5.000 oC ou mais e também confiável e bastante “limpa”, embora sejam suporta uma pressão de milhões de atmosferas. condenados atualmente por ecologistas extremados. 5. Fontes de energia renováveis e não renováveis QUADRO 4 - O URÂNIO E OUTROS COMBUSTÍVEIS Como a Terra e os recursos naturais que existem nela O urânio é um dos elementos químicos de maior são finitos, está claro que, se continuar o atual ritmo de densidade (muitas vezes se diz que é dos “mais pesados”). consumo, as reservas de combustíveis fósseis fatalmente se Um quilograma de urânio ocupa um volume pouco maior esgotarão. Prevê-se que esse esgotamento ocorrerá dentro de que uma bola de tênis. Quando utilizado completamente 30 anos (segundo os pessimistas) ou no máximo em 60 anos como combustível num reator nuclear, para produzir energia, (opinião dos otimistas), mas é inevitável. Os depósitos de 1 kg de urânio produz a mesma energia que as seguintes combustíveis fósseis são pois fontes não renováveis de quantidades de outros combustíveis: energia, por ser impossível formar novas reservas desse tipo. 3.000 toneladas de carvão (cerca de 60 vagões ferroviários) Além disso, os combustíveis fósseis apresentam um 12.000 toneladas de petróleo (cerca de 75.000 barris) grave inconveniente: sua combustão acarreta a dispersão na Conforme esses dados, a utilização dos reatores nucleares atmosfera de várias substâncias nocivas, entre elas o gás impede que, para produzir a mesma energia, sejam lançados carbônico (CO2). Esse gás, que é produzido pelas indústrias na atmosfera milhares de quilogramas de resíduos da queima em todo o mundo, atinge bilhões de toneladas a cada ano e se do petróleo ou do carvão, o que aumenta a poluição acumula na atmosfera terrestre, gerando um efeito muito atmosférica e agrava o aquecimento do globo terrestre. Mas prejudicial: o efeito de estufa nocivo, descoberto por um os reatores nucleares também produzem rejeitos (o “lixo químico sueco há mais de cem anos, pouco depois de começar nuclear”) que igualmente apresentam sérios inconvenientes. o uso do petróleo como combustível. O efeito estufa consiste na acumulação do gás carbônico na atmosfera numa Outra fonte de energia renovável, ainda pouco quantidade tal que impede a dispersão do calor produzido pela utilizada, mas cuja importância vem crescendo, é o biogás. Este irradiação solar e pela atividade humana; o resultado é o é um combustível derivado da biomassa, isto é, de seres vivos, aquecimento lento mas contínuo da atmosfera e da superfície que, sob o aspecto da energia, podem ser produtores (as terrestre, ocasionando o derretimento progressivo das geleiras plantas); consumidores (os animais que se alimentam delas, existentes nas regiões polares e nas montanhas muito altas e direta ou indiretamente) e decompositores (tais como as por fim a elevação do nível dos oceanos; todo o clima de nosso bactérias e os fungos, que transformam plantas e animais planeta será afetado e muitas espécies animais e vegetais serão mortos em substâncias simples capazes de serem reciclados extintas por esse processo. como nutrientes). Exemplos: o gás produzido pela fermentação Está claro portanto que é de importância vital para a de lixo orgânico, pela decomposição de esterco animal ou de humanidade que sejam desenvolvidas e utilizadas cada vez resíduos de colheitas agrícolas e do processamento de mais as fontes renováveis de energia, isto é, as que possam ser alimentos. Essa fermentação produz um gás rico em metano empregadas sem o risco de exaustão. (CH4), que é inflamável e pode ser aproveitado como fonte de A primeira fonte renovável de energia é a própria energia. energia solar, embora essa afirmação pareça contraditória com Além disso, esse processo poderá contribuir fortemente para o que foi dito antes. O Sol é uma estrela condenada a extinguir- resolver um dos problemas mais sérios que enfrentam as se, pois a radiação que ele produz resulta de ele “queimar” a cidades , sobretudo as grandes, que é o destino do lixo. A matéria de que é formado à fantástica taxa de 5 milhões de
- 5. utilização do biogás é um reprocessamento, semelhante ao que inevitavelmente para aquecer o ambiente em que opera. Essa é adotado, por exemplo, com vidro, papel e latinhas de cerveja situação é às vezes denominada poluição térmica, para e refrigerante etc., o que ajuda a poupar recursos naturais exprimir o fato de que o aquecimento desnecessário da limitados e tem considerável valor econômico. atmosfera é um resultado inconveniente, mas inevitável, do uso Nosso País tem prestado importante contribuição ao dessas máquinas, inventadas e operadas por pessoas; as combate à poluição atmosférica e ao aquecimento global com a máquinas não são parte integrante do mundo natural. adoção do álcool combustível, programa iniciado Outra conclusão, também aplicável a todas as pioneiramente há cerca de trinta anos, com sucesso crescente. máquinas térmicas, é que uma parte da energia que nelas for O uso do álcool combustível compensa parcialmente – mas só aplicada não se transforma em movimento, mas se perde como parcialmente – o crime que temos cometido repetidamente com calor, que é agitação desordenada das moléculas e não pode ser as queimadas, principalmente na floresta amazônica, onde a aproveitada na realização de atividade útil; o aquecimento da cada ano mais de 20.000 quilômetros quadrados são máquina está nesse caso. Esta é uma lei da natureza a que não transformados em cinzas – que vão poluir diretamente o ar e podemos escapar. No estudo da Física você aprenderá mais nos privam da produção de oxigênio pelas árvores. tarde como avaliar quantitativamente a capacidade de uma O sonho dos físicos e engenheiros, em termos de máquina térmica em transformar energia térmica em trabalho conseguir reservas praticamente ilimitadas de energia, é a útil. conquista da fusão nuclear dos elementos leves. A energia do Sol origina-se na fusão nuclear, que consiste na combinação QUADRO 5 - ORIGEM DA ENERGIA DO SOL dos núcleos de dois elementos de baixo número atômico, em geral hidrogênio e hélio (veja o quadro 5). Ainda não se sabe No Sol e nas outras estrelas as temperaturas são como controlar a fusão nuclear, tarefa extremamente difícil que elevadíssimas. Na superfície do Sol ela é de uns 6.000°C e está sendo pesquisada em grandes laboratórios de vários no seu interior chega a milhões de célsius. países. As imensas despesas necessárias nesses estudos são Nessas condições, os átomos se chocam justificadas pelo fato de os elementos leves serem os mais continuamente uns com os outros, com grande violência, e abundantes do universo; aprender a controlar a fusão nuclear seus núcleos sofrem uma transformação denominada fusão garantirá à humanidade uma fonte de energia que só se nuclear, na qual eles se combinam, formando núcleos de esgotará com o fim do próprio universo. outro elemento químico e de maior massa. A massa dos É oportuno mencionar, finalmente, que não apenas núcleos resultantes é menor que a soma das massas dos certas fontes de energia se esgotarão em futuro relativamente núcleos originais e a diferença entre elas aparece como uma próximo. Há outros recursos igualmente importantes para a imensa energia, que o Sol emite como radiação humanidade, no aspecto econômico, e que também não são eletromagnética. Uma parte pequeníssima dessa energia que renováveis: é o caso dos minerais, das florestas, do pescado, recebemos na Terra é responsável por toda a vida aqui que se constituíram ao longo de enormes períodos de tempo existente. desde que a Terra se formou. Esses recursos só podem O processo mencionado ocorre com os núcleos de considerar-se renováveis a longo prazo e desde que sejam hidrogênio, que se combinam e produzem o elemento hélio, geridos com grande prudência para evitar sua exploração além de liberar energia. Essa transformação é simbolizada da exagerada e incompetente, a curto prazo, como está seguinte maneira: acontecendo na atualidade. 1H1 + 1H1 + 1H1 + 1H1 4He2 + energia, 6. As máquinas térmicas que significa: 4 núcleos de hidrogênio se combinam e Podemos utilizar a energia calorífica dos combustíveis formam 1 núcleo de hélio e liberam certa energia. O índice de duas maneiras. A primeira é em casos como ao cozinhar superior (à direita) no símbolo de cada elemento químico num fogão a gás ou a lenha, ou ao soldar peças com um indica o número de elétrons de seu átomo; o índice inferior maçarico, quando a energia calorífica da combustão é aplicada (à esquerda) indica o número de prótons e de nêutrons de seu diretamente nas panelas ou nas peças que serão soldadas. núcleo. Portanto 1H1 indica que o átomo de hidrogênio A segunda maneira é quando devemos transformar a energia possui 1 próton em seu núcleo e 1 elétron na parte externa; térmica da combustão em energia mecânica, isto é, quando a 4He2 significa que o átomo de hélio é constituído de 2 finalidade é produzir movimento. É o que acontece nos prótons e 2 nêutrons no núcleo e 2 elétrons na parte externa. motores dos automóveis, ônibus, locomotivas, aviões, navios e Em um átomo neutro (isto é, não carregado eletricamente), o centenas de outros tipos de aparelhos destinados a transportar número de prótons no núcleo é sempre igual ao número de pessoas ou cargas. elétrons. Máquina térmica é o nome genérico de qualquer As experiências de física revelam que a massa do aparelho, como os mencionados acima, destinado a núcleo de hélio (4He2) é sempre menor do que a soma das transformar a energia da combustão em movimento. Todas as massas dos quatro núcleos de hidrogênio, a diferença máquinas térmicas têm uma característica comum: nelas a manifestando-se como energia. Esse fato foi pela primeira combustão, que acontece sempre em temperatura superior à do vez compreendido por Albert Einstein, que representou o ambiente (por exemplo, a centenas de graus no caso da processo pela equação: explosão da gasolina nos motores dos automóveis) produz resíduos que têm de ser eliminados direta ou indiretamente no E = ∆m.c2 ambiente; embora a temperatura desses resíduos seja inferior à da combustão, ela em geral está acima da temperatura Essa equação significa que a radiação eletromagnética ambiente. Além disso, a própria máquina térmica também se transfere inércia do corpo que a emite para o corpo que a aquece ao funcionar, fato do qual todos temos conhecimento. absorve. Ela não significa que haja transporte de matéria Em qualquer caso, seja ao expulsar os resíduos da (átomos, moléculas, etc.) de um corpo para outro: o que se combustão, seja ao esfriar, toda máquina térmica contribui transfere entre eles é inércia ou massa.
- 6. 7. O que é energia? (A) muito antigas, utilizadas há muitos séculos; (B) não renováveis, por se localizarem a grandes Até agora discutimos os combustíveis e as diferentes profundidades; fontes de energia, mas não foi esclarecido o que é energia. (C) constituídas de restos de plantas e animais carbonizados Acontece que a energia é uma propriedade da qual não temos após longo tempo; percepção direta, ao contrário da luz, do som, do peso e outras (D) extremamente poluidoras do ar. características dos corpos e das transformações que ocorrem interminavelmente no mundo, por isso não é fácil defini-la. QUESTÃO 2: As fontes de energia terrestres independentes do Repare que a mesma situação se verifica com outros conceitos Sol: que utilizamos com freqüência, embora não sejamos capazes (A) podem ser utilizadas nos dias nublados; de defini-los com exatidão e clareza, mas nem por isso (B) são alimentadas pelas ondas do mar; deixamos de usá-los; por exemplo: beleza, democracia, (C) resultam de processos naturais independentes da radiação liberdade, bondade, patriotismo e uma infinidade de outros. solar; No caso da energia, a compreensão do seu significado (D) resultam da atividade dos vulcões e gêiseres. exato será conseguida aos poucos, à medida que prosseguir o estudo da Física. A energia é uma idéia que foi descoberta QUESTÃO 3: As fontes de energia renováveis: gradualmente pelos cientistas e engenheiros ao investigar o (A) estão situadas a grande profundidade e seu aproveitamento mundo material. Desde já, porém, pode-se afirmar que a é muito difícil; energia não é algo material, tal como um líquido ou um gás, (B) b) dependem da diminuição da radiação solar recebida na isto é, algum tipo de combustível que se transmita de um corpo Terra; ou de um lugar a outro. (C) fornecem combustíveis em quantidade limitada que não O que leva a pensar que a energia seja alguma coisa pode ser aumentada; material que passa de um objeto a outro é que, para nos (D) fornecem combustíveis que poluem fortemente a atmosfera comunicarmos, termos de utilizar a linguagem comum, mesmo terrestre. em ciência; por exemplo, neste capítulo falamos repetidamente na energia transmitida pelo Sol à Terra, como se a radiação QUESTÃO 4: Os reatores nucleares produzem eletricidade eletromagnética fosse alguma substância. Devemos considerar, porque: porém, que em ciência as palavras da língua comum adquirem (A) os núcleos atômicos são ricos em energia elétrica; significados diferentes, que só aprendemos a dominar aos (B) neles todos os elementos químicos se decompõem em poucos. eletricidade; Outro aspecto importante do conceito de energia é a (C) os núcleos de determinados elementos químicos se impossibilidade de ela ser criada ou destruída; podemos desintegram e produzem grande quantidade de energia apenas transformá-la de um tipo para outro. Dois exemplos, calorífica; que retratam uma propriedade geral: a transformação da (D) podem ser alimentados com materiais que se queimam a energia calorífica em movimento, nas máquinas térmicas; e a temperaturas elevadas. transformação da energia mecânica do vento em energia elétrica, no caso das turbinas eólicas. QUESTÃO 5: O conceito de energia é importante porque é: As duas propriedades básicas da energia – a de não ser (A) uma propriedade de determinadas transformações dos uma substância material e de só podermos transformá-la – não elementos químicos mais comuns na natureza; foram demonstradas numa ou em várias experiências de (B) uma propriedade que se revela nas transformações laboratório planejadas especialmente para isso; elas são incessantes que ocorrem na natureza; conclusões a que chegaram muitos cientistas e engenheiros ao (C) uma propriedade de determinados tipos de combustíveis longo de numerosos anos de cuidadosas observações e explorados no subsolo; análises. (D) nenhuma das respostas anteriores é satisfatória. Desde os primeiros indícios de existência da energia até que ela foi reconhecida como uma propriedade real da QUESTÃO 6: As máquinas térmicas, como foi explicado no natureza, decorreram cerca de dois séculos. Não se surpreenda, texto, são utilizadas no mundo todo em grande número com a portanto, se no momento você ainda não entendeu o que é finalidade de: energia: você está em boa companhia, a dos físicos, químicos e (A) produzir calor destinado a aquecer o ambiente; engenheiros que durante muito tempo lutaram para (B) movimentar cargas pesadas de modo econômico porque compreender essa idéia. poupam os combustíveis fósseis; Vale a pena recordar um argumento apresentado por (C) podem ser alimentadas com combustíveis que se queimam um físico holandês para mostrar que a energia é algo real: ele apenas em temperaturas muito elevadas; nos lembra que em quase todos os países o código penal prevê (D) transformar energia térmica em movimento, com a queima o furto de energia e estabelece penalidades para quem cometer de determinados materiais. esse crime... Pode-se acrescentar também outro raciocínio QUESTÃO 7: O urânio utilizado em um reator nuclear é importante: pagamos pela energia contida na gasolina denominado elemento combustível porque: necessária para movimentar nossos automóveis e aviões, pelo (A) provoca combustão em todo material colocado no reator; gás usado em nossas cozinhas, pela eletricidade que ilumina (B) combina-se com o oxigênio atmosférico, provocando nossas casas etc. combustão; (C) gera vapor d’água que pode aquecer o reator; EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO (D) nenhuma das respostas anteriores é satisfatória. QUESTÃO 1: O petróleo e o carvão mineral denominam-se QUESTÃO 8:Os combustíveis fósseis se relacionam com a combustíveis fósseis porque são fontes de energia: fotossíntese, na qual a radiação solar sobre as plantas é a fonte
- 7. de energia, porque: Escreva na mesma forma o número 62.904.873. (A) todos os seres vivos, de um modo ou outro, se alimentam de plantas; QUESTÃO 17: Nem sempre compreendemos de imediato o (B) a fotossíntese permite a formação de moléculas orgânicas, que significa um número expresso como potência de 10. constituintes de todos os seres vivos; Suponha que 6x1022 seja o número de centavos de um tesouro (C) as plantas absorvem dióxido de carbono e contribuem para e que este fosse repartido igualmente por todos os habitantes despoluir a atmosfera; da Terra (6 bilhões de pessoas). Quantos reais você receberia? (D) todas as alternativas anteriores são verdadeiras. QUESTÃO 18: Um selo postal comum tem as dimensões de 2 QUESTÃO 9: Os antigos moinhos de vento e as turbinas cm x 2,5 cm = 5 cm2. Mostre que 6 x 1022 selos desse eólicas da atualidade podem ser consideradas máquinas tamanho seriam mais que suficientes para cobrir inteiramente a térmicas? área ocupada pelo nosso País (8,5x106 km2) e formariam uma (A) Sim, porque o vento se origina em diferenças de pilha com mais de 3 milhões de camadas! Se a espessura de temperaturas entre regiões da Terra; cada selo for de 0,1 mm, que altura essa camada teria? (B) Não, porque em nenhum dos dois casos a radiação solar é utilizada; QUESTÃO 19: Uma das lendas sobre o xadrez é que seu (C) Sim, porque os eixos e outras partes desses aparelhos se inventor pediu como recompensa o número de grãos de trigo aquecem quando eles funcionam; calculado assim: na 1a casa seria colocado 1 grão, na 2a dois (D) Não, porque nelas não existe combustão para que esses grãos, na terceira 4 grãos, e assim sucessivamente, dobrando o aparelhos funcionem. número de grãos de uma casa à seguinte, até à última casa, a 64a; o número de grãos correspondente a essa casa seria a QUESTÃO 10: Várias camadas do interior da Terra recompensa desejada. Calcule quantos grãos o inventor encontram-se a temperaturas muito elevadas, porém na maior receberia. Suponha que cada grão de trigo “pese” 0,001 grama parte da crosta terrestre predominam temperaturas brandas, e compare a quantidade de trigo da 64a casa com a produção situação que se explica porque: anual de trigo no mundo (para isso, consulte alguma (A) as regiões de alta temperatura estão muito distantes da enciclopédia ou outra fonte dessa informação). Quanto tempo superfície; seria necessário para atender ao pedido do inventor do (B) existem nessas regiões núcleos radioativos que se xadrez? desintegram constantemente; (C) as camadas mais próximas da superfície são bons isolantes GABARITO do calor; (D) todas as alternativas anteriores são válidas. 1C, 2C, 3C, 4C, 5B, 6D, 7C, 8D, 9D, 10C QUESTÃO 11: O raio terrestre médio vale aproximadamente 11)A = 6,38 . 106 , E = 6,18 . 1022 6.380 km. Calcule a área do globo terrestre e, utilizando o 12) pesquisa valor da constante solar, confira o valor mencionado no texto 13) 150 bilhões de km de distância para a energia recebida do Sol em 24 horas. Lembre-se que a 14) 10 GJ ou 10.000 MJ área de uma esfera de raio R é calculada pela equação A = 15) cerca de 30 watt 4π.R2. 16) 6x107+2x106+9x105+4x103+8x102+7x101+3x100 17) 100 bilhões de reais! QUESTÃO 12: A cada ano a atividade humana despeja na 18) 3,5 milhões de camadas, altura de 350 m atmosfera 6 bilhões de toneladas de gás carbônico (ou CO2). 19) Haveria cerca de 9,2 x 1018 grãos na última casa; para uma Consulte uma enciclopédia ou outra fonte para saber qual a produção mundial de trigo de 350 milhões de toneladas/ano, produção mundial de um alimento, por exemplo, soja ou trigo, seriam necessários 260 anos! e compare-a com o dado acima. O que se pode concluir? QUESTÃO 13: O que significa afirmar que a distância média do Sol à Terra é de 1,5 . 108 km? QUESTÃO 14: A usina hidrelétrica de Itaipu é a maior do mundo. Ela é capaz de gerar energia elétrica à potência de 12.600 kW; que quantidade dessa energia a usina de Itaipu produz por dia? QUESTÃO 15: Uma pessoa adulta normal necessita ingerir diariamente, apenas para se manter viva e saudável, alimentos que lhe forneçam pelo menos 2.500 kJ de energia. Qual, em watts, a potência média do corpo humano nessas condições? QUESTÃO 16: Se você tem pouca prática em calcular utilizando potências de 10, faça o seguinte exercício. Um número como 8.235 pode ser escrito como 8.000+200+30+5, que por sua vez pode ser anotado como 8x103 + 2x102 + 3x101 + 5x100. (Essa é a base do nosso maravilhoso sistema decimal de numeração).