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Fontes de energia

As fontes de energia sempre desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da sociedade humana. Desde a revolução industrial, a energia tem sido uma força motriz para o desenvolvimento da civilização moderna. O desenvolvimento tecnológico e o consumo de energia primária , juntamente com o aumento da população mundial, são interdependentes. Nos últimos 20 anos, o mundo ao nosso redor mudou significativamente. A tecnologia tornou-se um dos principais motores do desenvolvimento econômico e social. O rápido avanço da Tecnologia da Informação (TI) em todo o mundo transformou não apenas a maneira como pensamos, mas também a maneira como agimos. Deve-se notar que praticamente todas as tecnologias funcionam com energia elétrica e, portanto, a parcela de eletricidade está aumentando rapidamente, mais rapidamente do queFornecimento total de energia primária (TPES – soma da produção e importações subtraindo as exportações e as mudanças de armazenamento).

Atualmente, o combustível fóssil ainda é a fonte de energia predominante no mundo e sua extração, produção e uso não são consideradas eficientes, independentemente das novas tecnologias disponíveis para melhorar seu uso e extração. Ao estudar os recursos energéticos, precisamos distinguir as fontes de energia primária e secundária .

Fontes de energia primária

A energia primária (PE) é um recurso energético encontrado na natureza que não foi submetido a nenhum processo de conversão ou transformação. É a energia contida nos combustíveis brutos e outras formas de energia recebidas como insumo para um sistema. As fontes de energia primária assumem várias formas, incluindo energia nuclear, energia fóssil – como petróleo, carvão e gás natural – e fontes renováveis ​​como eólica, solar, geotérmica e hidrelétrica. Essas fontes primárias podem ser convertidas em fonte de energia secundária, os chamados portadores de energia . As fontes de energia primária podem ser divididas em:

• Fontes não renováveis
  • Combustíveis fósseis
    • Óleo
    • Carvão
    • Gás natural
  • Combustíveis minerais
    • Urânio natural
    • Tório natural
• Fontes renováveis
  • Energia solar
  • Energia eólica
  • Energia hídrica e das marés
  • Energia geotérmica
  • Energia de biomassa (se explorada de forma sustentável)

Fontes de energia secundárias – Transportadoras de energia

Fontes de energia secundárias , também chamadas de portadoras de energia , são derivadas da transformação de fontes de energia primária. Eles são chamados portadores de energia, porque movem energia de uma forma utilizável de um lugar para outro. Os portadores de energia conhecidos são:

• Eletricidade
• Gasolina
• Hidrogênio

Eletricidade e hidrogênio produzidos a partir de fontes de energia primária, como carvão, gás natural, energia nuclear, petróleo e fontes de energia renováveis. A eletricidade é particularmente útil, pois possui baixa entropia (é altamente solicitada) e pode ser convertida em outras formas de energia com muita eficiência. Simplesmente, não podemos dizer que o hidrogênio tenha potencial para compensar os combustíveis fósseis.

Fontes de energia secundárias são usadas, porque seu uso é mais fácil do que usar uma fonte de energia primária. Por exemplo, usar eletricidade para iluminação é mais seguro do que usar petróleo em velas ou lâmpadas de querosene.

Por outro lado, qualquer conversão de energia primária em transportadora de energia está associada a alguma ineficiência. Portanto, ao lidar com fonte de energia secundária, devemos sempre considerar o caminho, como a transportadora foi fabricada.

Exemplos de energia de 1 Joule

Um joule na vida cotidiana e na ciência corresponde aproximadamente a:

• A energia cinética de um objeto com massa 1 kg movendo-se a √2 ≈ 1,4 m / s .
• A energia cinética de um objeto de 50 kg (por exemplo, humano) se move muito lentamente – aproximadamente 0,72 km / h .
• A energia necessária para levantar uma maçã de tamanho médio ( 100 g ) 1 metro verticalmente da superfície da Terra.
• O calor necessário para aumentar a temperatura de um g de água de 0,24 ° C .
• O calor necessário para evaporar de 0,00044 g de água no estado líquido a 100 ° C.
• A quantidade de eletricidade necessária para acender um LED de 1 watt por 1 s .
• É liberado por aproximadamente 3,1 × 10 ¹⁰ fissões em um reator nuclear.

Várias declarações da lei

A segunda lei da termodinâmica pode ser expressa de várias maneiras específicas. Cada declaração expressa a mesma lei. Listados abaixo estão três frequentemente encontrados.

• Declaração Clausius
• Declaração de Kelvin-Planck
• Entropia e a Segunda Lei

Antes dessas declarações, devemos lembrar o trabalho de  um engenheiro e físico francês, Nicolas Léonard Sadi Carnot, que avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio ( também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter .

Várias declarações da lei

A segunda lei da termodinâmica pode ser expressa de várias maneiras específicas. Cada declaração expressa a mesma lei. Listados abaixo estão três frequentemente encontrados.

• Declaração Clausius
• Declaração de Kelvin-Planck
• Entropia e a Segunda Lei

Antes dessas declarações, devemos lembrar o trabalho de  um engenheiro e físico francês, Nicolas Léonard Sadi Carnot, que avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio ( também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter .

Várias declarações da lei

A segunda lei da termodinâmica pode ser expressa de várias maneiras específicas. Cada declaração expressa a mesma lei. Listados abaixo estão três frequentemente encontrados.

• Declaração Clausius
• Declaração de Kelvin-Planck
• Entropia e a Segunda Lei

Antes dessas declarações, devemos lembrar o trabalho de  um engenheiro e físico francês, Nicolas Léonard Sadi Carnot, que avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio ( também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter .

Clausius Declaração da Segunda Lei

Uma das primeiras declarações da Segunda Lei da Termodinâmica foi feita por R. Clausius em 1850 . Ele afirmou o seguinte.

“É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente”.

O calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que seja executado um trabalho externo no sistema. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Em uma geladeira, o calor flui do frio para o quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo, as geladeiras são acionadas por motores elétricos que exigem trabalho do ambiente para operar.

As declarações Clausius e Kelvin-Planck demonstraram ser equivalentes.

Várias declarações da Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica pode ser expressa de várias maneiras específicas. Cada declaração expressa a mesma lei. Listados abaixo estão três frequentemente encontrados.

• Declaração Clausius
• Declaração de Kelvin-Planck
• Entropia e a Segunda Lei

Antes dessas declarações, devemos lembrar o trabalho de  um engenheiro e físico francês, Nicolas Léonard Sadi Carnot, que avançou o estudo da segunda lei, formando um princípio ( também chamado de regra de Carnot ) que especifica limites para a máxima eficiência que qualquer motor térmico pode obter .

Clausius Declaração da Segunda Lei

Uma das primeiras declarações da Segunda Lei da Termodinâmica foi feita por R. Clausius em 1850 . Ele afirmou o seguinte.

“É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente”.

O calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que seja executado um trabalho externo no sistema. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Em uma geladeira, o calor flui do frio para o quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo, as geladeiras são acionadas por motores elétricos que exigem trabalho do ambiente para operar.

As declarações Clausius e Kelvin-Planck demonstraram ser equivalentes.

Declaração da Segunda Lei de Kelvin-Planck

“É impossível construir um dispositivo que opera em um ciclo e não produz outro efeito senão a produção de trabalho e a transferência de calor de um único corpo”.

Esta declaração opera com o termo ” reservatório térmico ” ou ” reservatório único “. Um reservatório é um objeto grande, no qual a temperatura permanece constante enquanto a energia é extraída. Esse sistema pode ser aproximado de várias maneiras – pela atmosfera da Terra, grandes massas de água como lagos, oceanos e assim por diante.

A declaração Kelvin-Planck não exclui a existência de um sistema que desenvolve uma quantidade líquida de trabalho a partir de uma transferência de calor extraída de um reservatório térmico. De acordo com esta declaração, um sistema em ciclo não pode desenvolver uma quantidade líquida positiva de trabalho a partir de uma transferência de calor extraída de um reservatório térmico.

Entropia e a Segunda Lei

Uma conseqüência da segunda lei da termodinâmica é o desenvolvimento da propriedade física da matéria, conhecida como entropia (S) . A alteração nesta propriedade é usada para determinar a direção na qual um determinado processo continuará. A entropia quantifica a energia de uma substância que não está mais disponível para realizar um trabalho útil . Isso se refere à segunda lei, uma vez que a segunda lei prevê que nem todo o calor fornecido a um ciclo pode ser transformado em uma quantidade igual de trabalho; alguma rejeição de calor deve ocorrer.

Veja também: Entropia

Segundo Clausius, a entropia foi definida através da mudança na entropia S de um sistema. A mudança na entropia S, quando uma quantidade de calor Q é adicionada a ela por um processo reversível a temperatura constante, é dada por:

Aqui Q é a energia transferida como calor para ou do sistema durante o processo, e T é a temperatura do sistema em Kelvins durante o processo. A unidade SI de entropia é J / K .

A segunda lei da termodinâmica também pode ser expressa como ∆S≥0 para um ciclo fechado.

Em palavras:

A entropia de qualquer sistema isolado nunca diminui. Em um processo termodinâmico natural, a soma das entropias dos sistemas termodinâmicos em interação aumenta.

∆S≥0

Como a entropia diz muito sobre a utilidade de uma quantidade de calor transferida na execução do trabalho, as tabelas de vapor incluem valores de entropia específica (s = S / m) como parte das informações tabuladas.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

Direção de Processos Termodinâmicos

Muitos processos termodinâmicos procedem naturalmente em uma direção, mas não o contrário. Por exemplo, quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio , nunca o contrário. De fato, esse fluxo de calor (de um corpo mais frio para um sistema mais quente) não violaria a primeira lei da termodinâmica , ou seja, a energia seria conservada. Mas isso não acontece na natureza.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica . Nesta direção inversa, existem muitos dispositivos que convertem parcialmente o calor em energia mecânica. Mas você não pode construir uma máquina que converta calor completamente em energia mecânica. Sempre haverá perdas significativas de energia.

As direções dos processos termodinâmicos estão sujeitas à segunda lei da termodinâmica, especialmente à Declaração Clausius da Segunda Lei .

“É impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente”.

O calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que seja executado trabalho externo no sistema. É exatamente isso que os refrigeradores e bombas de calor realizam. Em uma geladeira, o calor flui do frio para o quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo, as geladeiras são acionadas por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar.

As declarações Clausius e Kelvin-Planck demonstraram ser equivalentes.

2ª Lei da Termodinâmica

A entropia de qualquer sistema isolado nunca diminui. Em um processo termodinâmico natural, a soma das entropias dos sistemas termodinâmicos em interação aumenta.

Esta lei indica a irreversibilidade dos processos naturais . Processos reversíveis são uma ficção teórica útil e conveniente, mas não ocorrem na natureza. A partir desta lei, é impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Segue-se que máquinas perpétuas de movimento do segundo tipo são impossíveis.

A  2ª lei da termodinâmica é um princípio geral, que vai além das limitações impostas pela 1ª lei da termodinâmica . A primeira lei é usada para relacionar e avaliar as várias energias envolvidas em um processo. No entanto, nenhuma informação sobre a direção do processo pode ser obtida pela aplicação da primeira lei. A segunda lei da termodinâmica impõe restrições à direção da transferência de calor e estabelece um limite superior para a eficiência da conversão de calor em trabalho em motores térmicos . Portanto, a segunda lei é diretamente relevante para muitos problemas práticos importantes.

Uma das áreas de aplicação da  2ª lei da termodinâmica é o estudo de sistemas de conversão de energia. Por exemplo, não é possível converter toda a energia obtida de um carvão em uma usina a carvão ou de um reator nuclear em uma usina nuclear em energia elétrica. Deve haver perdas no processo de conversão.

A energia não pode ser criada nem destruída

É o princípio da conservação de energia , o que significa que:

A energia não pode ser criada nem destruída , mas transformada em várias formas.

Na termodinâmica, é a lei mais importante para análise da maioria dos sistemas e a que quantifica como a energia térmica é transformada em outras formas de energia . Segue-se que máquinas perpétuas de movimento do primeiro tipo são impossíveis.

Energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho . Pode existir em uma variedade de formas e pode ser transformado de um tipo de energia para outro de centenas de maneiras.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica .

Uma conseqüência da lei de conservação de energia é que uma máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo, que produz trabalho sem a entrada de energia, não pode existir.

Durante a divisão nuclear ou a fusão nuclear , parte da massa do núcleo é convertida em enormes quantidades de energia e, portanto, essa massa é removida da massa total das partículas originais e a massa está ausente no núcleo resultante. As energias de ligação nuclear são enormes, são da ordem de um milhão de vezes maiores que as energias de ligação de elétrons dos átomos.

Geralmente, nas reações químicas e nucleares , ocorre alguma conversão entre massa e energia de repouso, de modo que os produtos geralmente têm massa menor ou maior que os reagentes. Portanto, o novo princípio de conservação é  a conservação de energia em massa .

Vide também: Liberação de energia da fissão

Quatro Casos Especiais da Primeira Lei da Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica encontra aplicação em vários casos especiais:

Processo adiabático:

Um processo adiabático é aquele em que não há transferência de calor para dentro ou para fora do sistema. Ocorre muito rapidamente ou um sistema está bem isolado que não ocorre transferência de energia como calor entre o sistema e seu ambiente. Portanto, dQ = 0 na primeira lei da termodinâmica, que é então:

dQ = 0, dE _int = – dW

Processo isocórico:

Um processo isocórico é aquele em que não há alteração no volume . Um processo isocórico é um processo de volume constante. Quando o volume de um sistema termodinâmico é constante, ele não funciona nos seus arredores. Portanto, dW = 0 na primeira lei da termodinâmica, que é então:

dW = 0, dE _int = dQ

Em um processo isocórico , toda a energia adicionada como calor (ou seja, Q é positiva) permanece no sistema como um aumento da energia interna ( aumento da temperatura ).

Processo cíclico:

Um processo que eventualmente retorna um sistema ao seu estado inicial é chamado de processo cíclico . Na conclusão de um ciclo, todas as propriedades têm o mesmo valor que tinham no início.

Para esse processo, o estado final é o mesmo que o estado inicial e, portanto, a mudança total de energia interna deve ser zero . O vapor (água) que circula através de um circuito fechado de resfriamento sofre um ciclo. A primeira lei da termodinâmica é então:

dE _int = 0, dQ = dW

Assim, o trabalho líquido realizado durante o processo deve ser exatamente igual à quantidade líquida de energia transferida como calor.

Expansão livre:

Esse é um  processo adiabático no qual nenhuma transferência de calor ocorre entre o sistema e seu ambiente e nenhum trabalho é realizado no sistema. Esses tipos de processos adiabáticos são chamados de expansão livre . É um processo irreversível no qual um gás se expande para uma câmara evacuada isolada. É também chamado de expansão Joule . Para um gás ideal, a temperatura não muda (consulte: Segunda Lei de Joule ), no entanto, gases reais sofrem uma mudança de temperatura durante a expansão livre. Na expansão livre Q = W = 0, e a primeira lei exige que:

dE _int = 0

Uma expansão livre não pode ser plotada em um diagrama PV, porque o processo é rápido, não quase estático. Os estados intermediários não são estados de equilíbrio e, portanto, a pressão não está claramente definida.

Trabalho pΔV no diagrama pV

O trabalho pressão-volume (ou pΔV Work ) ocorre quando o volume V de um sistema é alterado. O trabalho pΔV é igual à área sob a curva do processo plotada no diagrama pressão-volume. É conhecido também como o trabalho de fronteira . O trabalho de limite  ocorre porque a massa da substância contida no limite do sistema faz com que uma força, a pressão vezes a área da superfície, atue na superfície do limite e faça com que ela se mova. O trabalho de limite  (ou  pΔV Work ) ocorre quando o  volume V de um sistema é alterado . É usado para calcular o trabalho de deslocamento do pistão em um  sistema fechado    . É o que acontece quando o  vapor ou o gás contido em um dispositivo de cilindro e pistão se expande contra o pistão e força o pistão a se mover.

———–

Durante a mudança de volume , a pressão e a temperatura também podem mudar. Para calcular esses processos, precisaríamos saber como a pressão varia com o volume do processo real pelo qual o sistema muda do estado i para o estado f . A primeira lei da termodinâmica e o trabalho podem ser expressos como:

Quando um sistema termodinâmico muda de um estado inicial para um estado final , passa por uma série de estados intermediários . Chamamos essa série de estados de caminho . Sempre existem infinitamente muitas possibilidades diferentes para esses estados intermediários. Quando todos eles são estados de equilíbrio, o caminho pode ser plotado em um diagrama de pV . Uma das conclusões mais importantes é que:

O trabalho realizado pelo sistema depende não apenas dos estados inicial e final, mas também dos estados intermediários – ou seja, no caminho.

Q e W são dependentes do caminho, enquanto ΔE _int é independente do caminho. Como pode ser visto na figura (diagrama pV), o trabalho é variável dependente do caminho. A área azul representa o trabalho pΔV realizado por um sistema, que passa de um estado inicial i para um estado final f. O trabalho W é positivo porque o volume do sistema aumenta. O segundo processo mostra que o trabalho é maior e depende do caminho do processo.

Além disso, podemos conduzir o sistema através de uma série de estados formando um circuito fechado , como i ⇒ f ⇒ i . Nesse caso, o estado final é o mesmo que o estado inicial , mas o trabalho total realizado pelo sistema não é zero . Um valor positivo para o trabalho indica que o trabalho é realizado pelo sistema em seus arredores. Um valor negativo indica que o trabalho é realizado no sistema por seus arredores.

Exemplo: Primeira Lei da Termodinâmica e Ciclo de Brayton

Vamos assumir o ciclo de Brayton ideal que descreve o funcionamento de um motor de calor com pressão constante . Os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também seguem o ciclo de Brayton. Esse ciclo consiste em quatro processos termodinâmicos:

1. 

   compressão isentrópica – o ar ambiente é aspirado para o compressor, onde é pressurizado (1 → 2). O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adição de calor isobárico – o ar comprimido passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado e o ar ou outro meio é aquecido (2 → 3). É um processo de pressão constante, já que a câmara está aberta para entrar e sair. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. expansão isentrópica – o ar aquecido e pressurizado se expande na turbina, gasta sua energia. O trabalho realizado pela turbina é dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rejeição de calor isobárica – o calor residual deve ser rejeitado para fechar o ciclo. O calor líquido rejeitado é dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como pode ser visto, podemos descrever e calcular (por exemplo, eficiência termodinâmica) esses ciclos (da mesma forma para o ciclo de Rankine ) usando entalpias .