Questões
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O texto a seguir se refere às questões 1 e 2.
Uma usina hidrelétrica aproveita o potencial hidráulico existente nos rios para a geração de energia elétrica. Esse potencial hidráulico pode ser criado pela ação da vazão de um rio combinada com os desníveis no relevo em que ele atravessa. Quanto maior for o volume de água e quanto maior sua queda, maior é seu potencial de aproveitamento na geração de eletricidade. O sistema de captação leva a água até a casa de força onde estão instaladas turbinas. A água provoca, no interior das turbinas, o movimento de rotação de bobinas que, na presença de um campo magnético, geram eletricidade. Em 2012 a Central Hidroelétrica de Itaipu, com suas 20 turbinas e 1350 km2 de área inundada, gerou 100000 GWh de energia elétrica, sendo parte dessa energia para o mercado brasileiro e parte para o mercado paraguaio. O volume de água necessário para acionar cada uma das turbinas da Central Hidrelétrica de Itaipu é de cerca de 700 m3 a cada segundo partindo de um desnível médio de 120 m. A figura mostra um diagrama simplificado de uma hidrelétrica.
Qual é a eficiência da usina de Itaipu supondo que durante o ano, na média, apenas 17 turbinas estejam funcionando?
Uma usina hidrelétrica aproveita o potencial hidráulico existente nos rios para a geração de energia elétrica. Esse potencial hidráulico pode ser criado pela ação da vazão de um rio combinada com os desníveis no relevo em que ele atravessa. Quanto maior for o volume de água e quanto maior sua queda, maior é seu potencial de aproveitamento na geração de eletricidade. O sistema de captação leva a água até a casa de força onde estão instaladas turbinas. A água provoca, no interior das turbinas, o movimento de rotação de bobinas que, na presença de um campo magnético, geram eletricidade. Em 2012 a Central Hidroelétrica de Itaipu, com suas 20 turbinas e 1350 km2 de área inundada, gerou 100000 GWh de energia elétrica, sendo parte dessa energia para o mercado brasileiro e parte para o mercado paraguaio. O volume de água necessário para acionar cada uma das turbinas da Central Hidrelétrica de Itaipu é de cerca de 700 m3 a cada segundo partindo de um desnível médio de 120 m. A figura mostra um diagrama simplificado de uma hidrelétrica.
O duto de captação de água é cônico, o desnível, H, é de 100 m e a água na entrada do duto, em A, tem velocidade de 0,5 m/s. Qual deve ser a razão entre as áreas das seções circulares da entrada, A, e saída, B, do duto para que a diferença de pressão entre A e B seja nula? Desprezar todas as perdas hidráulicas no duto.
O texto a seguir se refere às questões de 3 a 5.
A energia solar média por unidade de tempo por unidade de área que atinge a superfície atmosférica da Terra é aproximadamente 1367 J/sm2 . Parte dessa energia é refletida na atmosfera e parte é absorvida. Em média apenas 40% dessa energia de fato atinge a superfície da Terra. A figura mostra um coletor residencial usado para aquecer água. A energia solar é coletada por placas pintadas de preto. Embaixo das placas é instalada uma serpentina de tubos de cobre onde circula água. A água aquecida na serpentina tem densidade menor que a água fria e, portanto, sobe espontaneamente para o topo do reservatório. Com isso, as partes frias, mais densas, passam a ocupar a serpentina do coletor solar, de onde também sairão quando estiverem suficientemente quentes (menos densas). Normalmente o reservatório térmico (“boiler”) é um recipiente cilíndrico e termicamente isolado. Os fabricantes deste tipo de sistema de aquecimento garantem que a eficiência pode chegar a 60%.
A radiação do sol viaja a velocidade da luz e leva aproximadamente 8 minutos para chegar à Terra. De acordo com este dado qual é, aproximadamente, a potência de radiação do sol?
A energia solar média por unidade de tempo por unidade de área que atinge a superfície atmosférica da Terra é aproximadamente 1367 J/sm2 . Parte dessa energia é refletida na atmosfera e parte é absorvida. Em média apenas 40% dessa energia de fato atinge a superfície da Terra. A figura mostra um coletor residencial usado para aquecer água. A energia solar é coletada por placas pintadas de preto. Embaixo das placas é instalada uma serpentina de tubos de cobre onde circula água. A água aquecida na serpentina tem densidade menor que a água fria e, portanto, sobe espontaneamente para o topo do reservatório. Com isso, as partes frias, mais densas, passam a ocupar a serpentina do coletor solar, de onde também sairão quando estiverem suficientemente quentes (menos densas). Normalmente o reservatório térmico (“boiler”) é um recipiente cilíndrico e termicamente isolado. Os fabricantes deste tipo de sistema de aquecimento garantem que a eficiência pode chegar a 60%.
Suponha que o “boiler” tenha a forma de uma caixa cúbica de 80 cm de aresta e que o isolamento térmico seja feito com uma camada de 5,0 cm de poliuretano com condutividade térmica de 0,025 W·m -1 ·K-1 em cada uma de suas faces. Se, ao final de um dia ensolarado, a água dentro do “boiler” está a 80°C e a temperatura externa é de 20°C, que quantidade de calor é, aproximadamente, perdida na primeira hora?
A energia solar média por unidade de tempo por unidade de área que atinge a superfície atmosférica da Terra é aproximadamente 1367 J/sm2 . Parte dessa energia é refletida na atmosfera e parte é absorvida. Em média apenas 40% dessa energia de fato atinge a superfície da Terra. A figura mostra um coletor residencial usado para aquecer água. A energia solar é coletada por placas pintadas de preto. Embaixo das placas é instalada uma serpentina de tubos de cobre onde circula água. A água aquecida na serpentina tem densidade menor que a água fria e, portanto, sobe espontaneamente para o topo do reservatório. Com isso, as partes frias, mais densas, passam a ocupar a serpentina do coletor solar, de onde também sairão quando estiverem suficientemente quentes (menos densas). Normalmente o reservatório térmico (“boiler”) é um recipiente cilíndrico e termicamente isolado. Os fabricantes deste tipo de sistema de aquecimento garantem que a eficiência pode chegar a 60%.
Coletores solares residenciais elevam a temperatura da água até 80°C. Se desejarmos que a água para um banho tenha a temperatura de 30°C devemos misturar água à temperatura ambiente, a qual provém do reservatório frio. Se a temperatura do reservatório frio está a 25°C, qual é a razão entre água quente e água fria na mistura?
O texto a seguir se refere às questões de 6 a 8.
Uma utilização dos coletores solares é a produção de eletricidade. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a eficiência de conversão de calor em trabalho está limitada pelas temperaturas do reservatório quente e da fonte fria. Para aumentarmos a eficiência na conversão devemos diminuir a temperatura da fonte fria, a qual está limitada pela temperatura do meio ambiente, ou aumentar a temperatura do reservatório de calor. Temperaturas muito acima de 100°C são difíceis de serem alcançadas apenas com as placas dos coletores solares. Uma maneira de se aumentar a temperatura do reservatório quente usando somente a radiação solar é concentrando-a numa pequena região do espaço. Deseja-se usar o coletor solar para produzir vapor para girar uma turbina e, com isso, produzir energia elétrica. Para isso, é necessário concentrar os raios solares numa pequena região e aquecer um fluido até seu ponto de ebulição. Isso tem sido feito em usinas termossolares através de um conjunto de espelhos parabólicos que focam a luz solar num ponto elevando a temperatura de um fluido até 400°C. O calor desse fluido é transferido para uma caldeira vaporizando água. O vapor em alta pressão movimenta uma turbina acoplada a um gerador de energia elétrica. Esse processo é feito através do ciclo Stirling composto das seguintes transformações:
- uma fonte de calor externa aquece o gás enquanto este se expande a fim de que sua temperatura permaneça constante
- o calor é retirado do gás isocoricamente
- o gás é refrigerado enquanto seu volume diminui para que sua temperatura não aumente
- o gás é aquecido isocoricamente até a temperatura inicial - E o ciclo recomeça.
Qual(is) diagrama(s) abaixo representa(m) o ciclo Stirling para um gás ideal?