Energia e ciência: em busca de soluções sustentáveis

Energia e ciência: em busca de soluções sustentáveisM A N U A L D O E D U C A D O R

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Este material foi elaborado por Alfredo Luis Mateus e Andréa Horta Machado, professores do Colégio Técnico da UFMG, com experiência na formação de professores, na elaboração de material didático e em divulgação científica.

Realização e coordenação: Fundação ArcelorMittal ›› Pesquisa e desenvolvimento: Alfredo Luis Mateus e Andréa Horta Machado ›› Design gráfico: Mondana:IB ›› Revisão: Fátima Teixeirawww.fundacaoarcelormittal.org.br

Introdução

Tema 1 Energia nos alimentos

Tema 2 Energia dos combustíveis

Tema 3 Energia na iluminação

Tema 4 Produção de energia: hidrelétricas

Tema 5 Produção de energia: termoelétricas

Tema 6 Fontes alternativas de energia: solar

Tema 7 Fontes alternativas de energia: eólica

Tema 8 Energia móvel: pilhas e baterias

Tema 9 Energia em casa: uso doméstico

Indicações de fontes adicionais de pesquisa

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Sumário

No ano de 2016, o tema escolhido para o Prêmio ArcelorMittal de Meio Ambiente envolve a proposta de investigar e conhecer aspectos relacionados à busca de soluções sustentáveis ligadas à temática da energia.

O tema é instigante, pois nos convida a um percurso multidisciplinar. Que desafios temos que enfrentar com relação à energia? Como podemos buscar modos de viver mais sustentáveis? Pode ser que, para alunos do ensino fundamental, a questão da energia não constitua, ainda, um de-safio a se enfrentar. Mas é aí que entra em cena a iniciativa do Prêmio ArcelorMittal de Meio Am-biente: colocar em foco essa questão tão relevan-te, promovendo um contexto favorável para uma movimentação de pessoas dispostas a pensar e aprender sobre essa temática. Muitas conver-sas e recursos serão mobilizados para colocar as questões sobre energia no centro de um debate proveitoso.

A energia está em nosso cotidiano e envol-ve muito conhecimento científico, de diferentes áreas. Ao pensarmos sobre a energia do ponto de vista da física e da química, percebemos que existem pelo menos dois aspectos importantes a serem considerados: as transformações e a con-servação. Dizemos que a energia sempre é con-servada. Ela pode ser obtida por meio da transfor-mação de outras formas de energia já existentes.

Do ponto de vista tecnológico, é importan-te considerar a evolução dos artefatos e instru-mentos envolvidos na produção e transformação da energia. Já do ponto de vista social, é preciso entender que as questões relacionadas à energia impactam diretamente nossos modos de vida.

Aí está um grande desafio para nós profes-sores: que caminhos podemos trilhar, junto com nossos alunos, para aprendermos um pouco mais sobre o tema e tomarmos consciência da comple-xidade que envolve a produção, a transformação, os usos da energia e os impactos ambientais asso-ciados a essas atividades?

Neste texto, compartilhamos com vocês algu-mas ideias e sugestões para trabalhar o tema em pauta sob diferentes aspectos. São eles:

1. Energia nos alimentos;

2. Energia dos combustíveis;

3. Energia na iluminação;

4. Produção de energia: hidrelétricas;

5. Produção de energia: termoelétricas;

6. Fontes alternativas de energia: solar;

7. Fontes alternativas de energia: eólica;

8. Energia móvel: pilhas e baterias;

9. Energia em casa: uso doméstico.

Para cada um desses tópicos, falamos um pou-co sobre a ciência por trás do assunto, abordando questões mais teóricas. Nessa etapa, nosso obje-tivo é auxiliar a compreensão de alguns conceitos científicos básicos envolvidos nesses temas.

Ressaltamos que estes textos não foram ela-borados para serem usados como material didá-tico ou paradidático em sala de aula. O objetivo é destacar os aspectos conceituais mais importan-tes de cada tópico, fornecendo informações mais aprofundadas, que contribuam para sua forma-ção científica.

Apresentamos, também, sugestões de proje-tos para cada um dos aspectos acima, em forma de perguntas, de modo a provocar a sua curio-sidade e a de seus alunos. Essas perguntas são apenas motivadoras. Ao levantá-las com seus alunos, elas podem ou não ser respondidas, mas irão guiar a busca por informações.

Sugerimos, ainda, recursos que po-dem servir de consulta e material de su-porte, como roteiros de experimentos e ví- deos. Mais materiais de referência estão no site www.arcelormittalciencias.net/premio2016.

Na seção “Para saber mais”, apresentamos uma seleção de recursos que consideramos relevan-tes para a formação do professor, ainda que não diretamente ligados aos projetos, que podem ser desenvolvidos pelos alunos. No processo de de-senvolvimento de cada projeto, outras fontes de informação irão surgir, outras ideias de caminhos a seguir, outras abordagens para o tema energia serão criadas e ampliadas!

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Introdução

1. A ciência por trás do tema

Em nosso cotidiano, associamos muitas coisas à palavra ENERGIA. Sabemos que os alimentos têm energia e que, para termos uma vida saudável, é importante nos alimentarmos bem. Ouvimos mui-to a expressão “este alimento é muito calórico”. Em geral, isso significa que não devemos comer mui-to dele, pois engorda. Alimentos como pão, bolo, doces e gorduras, por exemplo, são considerados muito calóricos. Verduras, legumes e frutas são co-nhecidos como pouco calóricos. Ou seja, é possível dizer que os alimentos armazenam energia.

Essa energia está envolvida na constituição dos nutrientes que compõem os alimentos, sejam eles naturais ou industrializados. Assim, os ali-mentos podem ser considerados como combus-tíveis para os seres vivos. Ao sofrerem processos de transformação, eles liberam energia potencial química, que é utilizada para manter as atividades físicas e manter todas as transformações quími-cas que ocorrem no interior das células, durante as 24 horas do dia.

Para que os nutrientes sejam transformados e liberem energia, é necessário que ocorram reações químicas que envolvem o gás oxigênio (O2) exis-tente no ar que respiramos. Esse processo ocorre dentro das células. As transformações de energia em nosso organismo consomem nutrientes com-bustíveis e oxigênio e produzem dióxido de carbo-no (CO2) e água. Assim, os processos de respira-ção e de nutrição estão muito relacionados.

Os principais nutrientes que funcionam como combustível são as gorduras, os carboidratos e os açúcares. A energia dos alimentos é liberada e armazenada em várias substâncias presentes no corpo. Quando comemos mais alimentos do que precisamos, nosso organismo acumula o excesso sob a forma de gorduras. Isso acarreta o aumento

de peso e pode desencadear vários problemas de saúde. Por isso, é importante sabermos escolher a alimentação mais adequada à idade e às atividades que uma pessoa exerce.

Dessa forma, a abordagem da questão da energia relacionada aos alimentos envolve conhe-cimentos científicos sobre termoquímica, pois es-ses processos de liberação e absorção de energia ocorrem por meio de reações químicas. Em uma reação química, ocorre a formação de novas subs-tâncias, que não existiam no sistema inicial. Como a energia está envolvida neste processo? As liga-ções químicas que constituem os reagentes são rompidas e novas ligações químicas são formadas para que sejam produzidas novas substâncias, os produtos da reação.

Quando ocorre a queima de um combustível, podemos dizer que as moléculas dos reagentes — combustível e oxigênio — apresentam mais energia do que as moléculas dos produtos. Essa diferença de energia é liberada para a vizinhança sob a forma de calor. Muitas reações liberam energia dessa for-ma. Em outros processos, a energia dos produtos é maior que a dos reagentes. Nesse caso, a reação só ocorre se fornecermos energia adicional.

Como podemos medir quantidades de energia liberadas pelos alimentos?

O aparelho utilizado para medir a quantida-de de energia liberada na queima de diferentes alimentos é o calorímetro. O funcionamento do calorímetro envolve a transferência da energia li-berada na queima dos alimentos para uma amos-tra de água. A medida da variação de temperatu-ra da água permite calcular a energia liberada na combustão.

Os alimentos liberam energia nas reações de combustão que ocorrem nos processos metabó-licos no organismo, cuja quantidade é geralmente expressa em caloria, cal; ou quilocaloria, Kcal. Por definição, caloria (cal) é a quantidade de energia

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Tema 1 Energia nos alimentos

necessária para elevar a temperatura de um grama (1,0 g) de água líquida pura em um grau Celsius (1,0 ºC).

Alimentos industrializados devem apresentar, em seus rótulos, informações sobre o seu valor energético ou valor calórico. Esse valor correspon-de à soma da energia liberada a partir de carboi-dratos, proteínas e gorduras constituintes do ali-mento. Em geral, esses valores vêm expressos em quilocalorias (Kcal) ou Joules (J). A equivalência entre Kcal e Joule é apresentada a seguir:

1 kcal = 4184 J

A necessidade calórica diária varia de pessoa para pessoa e depende do sexo, da atividade física e da idade. Esse valor indica a energia liberada pelo alimento ou pela porção do alimento. Isso é impor-tante, pois, às vezes, os rótulos colocam na tabela o valor referente a uma porção e, outras vezes, o valor referente a todo o conteúdo da embalagem.

2. Sugestões para projetos

›› Como a energia é armazenada nos alimentos?›› Como podemos determinar a quantidade de

energia que pode ser liberada em um alimento?›› O que é caloria?›› Todo tipo de alimento fornece a mesma quan-

tidade de energia?›› Como construir um instrumento para determi-

nar a quantidade de energia presente nos ali-mentos?

›› Como podemos determinar a quantidade de energia contida em um alimento pela análise do rótulo?

›› Como nosso corpo gasta a energia dos alimen-tos?

›› Como escolher os alimentos de forma a termos uma alimentação saudável?

›› Como gastamos energia para produzir alimen-tos? Como isso afeta o ambiente?

›› É possível transformar restos de alimentos em energia?

›› O caminho da energia em uma banana — de onde vem, para onde vai?

3. ExperimentosF Acesse os links dos experimentos no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

QUEIMA DE ALIMENTOSEste vídeo tem a duração de 4min51s e apresenta um experimento que compara a energia forneci-da por amostras de amendoim e pão de mesma massa. Foi produzido pela equipe do GEPEQ – USP. Acesso em: 22 out. 2015.

CALORÍMETRO DE ESPUMAEste vídeo tem a duração de 5min43s e apresen-ta os passos a serem seguidos para construir um calorímetro, utilizando garrafa PET e espuma. Foi produzido pela equipe do PONTOCIÊNCIA. Acesso em: 22 out. 2015.

COMO FAZER VELA DE MANTEIGAEste vídeo tem a duração de 2min53s e apresenta um experimento que produz uma vela a partir do aproveitamento da gordura da manteiga. Foi pro-duzido pela equipe do Manual do Mundo. Acesso em: 22 out. 2015.

4. Páginas na InternetF Acesse os links das páginas no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

TRANSFERÊNCIA DE CALORNesta página, você terá acesso a uma animação relacionada à transferência de calor entre diferen-tes metais e a água. Você pode variar o tipo de metal, a massa e a temperatura. Também pode va-riar a massa e a temperatura da água. Produzida em inglês, por uma equipe do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade de Windsor (Canadá). Acesso em: 16 out. 2015.

CALORIAS E EXERCÍCIONeste endereço, você vai encontrar uma simulação chamada Comer e exercitar-se. Utilizando a simu-lação, é possível investigar itens como quantas ca-lorias há em suas comidas favoritas; quanto exer-cício você tem que fazer para queimar tais calorias; qual é a relação entre calorias e peso. Produzida em português, pelo projeto PHET da Universidade de Colorado. Acesso em: 22 out. 2015.

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5. VídeosF Acesse o link do vídeo no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

PILULAS DE CIÊNCIA: ENERGIA NOS ALIMENTOSO vídeo aborda a questão da energia dos alimen-tos. Trata-se de uma boa dica para um grupo que se interesse em começar a entender mais sobre esse processo. O clipe aponta uma sugestão inte-ressante para a construção de uma vela de banana. Duração de 1min49s. Produzido pela TV UFMG. Acesso em: 22 out. 2015.

6. Para saber mais

NEVES, A. P., P. I. C. Guimarães e MERÇON, F. Interpretação de rótulos de alimentos no en-sino de química. Química nova na escola 31.1 (2009): 34-39.Este artigo desenvolve e avalia um conjunto de atividades didáticas, envolvendo a análise e in-terpretação da composição química de alimentos, além de discutir questões relacionadas a situações do cotidiano dos estudantes, como é o caso da ali-mentação.

BRAATHEN, P.C. et al. Entalpia de decompo-sição do peróxido de hidrogênio: uma experi-ência simples de calorimetria com material de baixo custo e fácil aquisição. Química Nova na Escola, n. 29, ago. 2008. p.42-5. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc29/10-EEQ-6106.pdf> Acesso em: 17 out. 2015.Este artigo trata da construção de um calorímetro simples, usando embalagens de isopor para latas de bebidas e termômetros analógicos ou digitais, para a determinação experimental do calor de de-composição de peróxido de hidrogênio contido em água oxigenada comercial a 10 volumes.

BRANCO, S. M. Energia e Meio Ambiente. São Paulo: Moderna, 1994.Neste livro, o autor aborda diferentes formas de energia, seus usos e impactos ambientais.

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Seja por terra, mar ou pelo ar, os meios de transporte conectam o nosso planeta, levando e trazendo pessoas, matérias-primas e produtos. Para que todos os sistemas de transporte funcio-nem, precisamos de uma fonte de energia. A partir da invenção do motor a vapor, começamos a quei-mar combustíveis fósseis como o carvão mine-ral, que tem origem na decomposição de matéria orgânica de florestas que cobriam grandes áreas, cerca de 250 milhões de anos atrás.

Motores de combustão interna utilizam dire-tamente a energia da queima de um combustível. Quando o combustível queima, os gases quentes se expandem e exercem uma força sobre um ele-mento do motor, em geral um pistão. A energia potencial química armazenada no combustível é transformada em energia mecânica no motor. Este tipo de motor só começou a se desenvolver comer-cialmente após o início da exploração do petróleo.

Como o carvão mineral, o petróleo é um com-bustível fóssil, só que de origem marinha. O cha-mado “ouro negro” formou-se há milhões de anos, quando uma grande quantidade de organismos

marinhos mortos foi soterrada por rochas sedi-mentares. Aos poucos, o material orgânico foi-se transformando, devido à intensa pressão e tempe-ratura, formando o petróleo e o gás natural.

O petróleo consiste em uma mistura comple-xa de hidrocarbonetos, compostos que possuem em sua composição apenas átomos de carbono e hidrogênio. Após ser retirado dos poços, ele é se-parado em seus componentes nas refinarias. Cada fração do petróleo apresenta uma temperatura de ebulição diferente. Em geral, quanto maior a molé-cula, maior é sua temperatura de ebulição.

A gasolina é a fração que possui compostos entre 5 e 10 carbonos. O óleo diesel é outro com-bustível importante obtido a partir do refino do petróleo e contém moléculas de 9 a 20 átomos de carbono. Ele é usado, principalmente, para movi-mentar ônibus e caminhões.

O uso de combustíveis derivados do petróleo tem um grande impacto na qualidade do ar, espe-cialmente nas grandes cidades. Nas altas tempera-turas presentes no interior dos motores automo-tivos, ocorre a reação do nitrogênio da atmosfera (N2) com o gás oxigênio (O2), formando óxidos de nitrogênio (NO e NO2). Se um pouco de combus-

tível que não tenha sido queimado sai pelo escapamento, isso contribui para a formação do gás ozônio (O3). A quei-ma incompleta do combustível gera finas partículas de fuligem, especial-mente no caso do óleo diesel. Juntos, os óxidos de nitrogênio, o ozônio e o material particulado contribuem para uma série de problemas respiratórios e de saúde em geral.

Uma maneira de se evitar o uso dos combustíveis fósseis é utilizar bio-combustíveis. Estes são combustíveis renováveis, extraídos de plantas. Du-rante o crescimento da planta, ocorre uma absorção de carbono da atmos-fera, no processo da fotossíntese. Na

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Tema 2 Energia dos combustíveis

Figura 1 - Esquema da destilação do petróleo bruto (Fonte: WikiCiências)

queima do combustível, esse carbono retorna à atmosfera. Dependendo do balanço entre absor-ção e liberação, espera-se diminuir a quantidade de carbono liberada.

No Brasil, o principal biocombustível é o eta-nol, obtido a partir da cana-de-açúcar. Como po-demos ver na figura 2, após a moagem da cana, o açúcar é fermentado biologicamente, e o álcool produzido é destilado. O processo é similar ao usa-do para produzir a cachaça. Para destilar o álcool, utiliza-se o próprio bagaço da cana como fonte de energia. A produção de álcool combustível compe-te com a produção de açúcar, uma vez que ambos usam a mesma matéria-prima.

Nos Estados Unidos, o etanol é produzido a partir do milho. Nesse caso, é o amido contido nos grãos de milho que é usado para a produção de álcool. Mas, para isso, deve ser, inicialmente, transformado em açúcares que possam ser fer-mentados. Outro processo que está sendo muito pesquisado na atualidade é a produção de etanol a partir da celulose, processo chamado de segunda geração.

A vantagem de se usar celulose é que se trata de uma matéria-prima que não usamos na nossa alimentação e que está presente em todas as plan-tas. Assim, poderemos produzir etanol a partir de madeira, papel, grama ou restos de plantas, como o sabugo do milho. O difícil é quebrar a celulose para produzir os açúcares que serão fermentados.

Outro biocombustível importante é o biodie-sel. Para a produção do biodiesel, utilizam-se óleos vegetais, como o óleo de soja ou a gordura animal. Os óleos vegetais são constituídos por grandes

moléculas chamadas de triglicérides. Nelas, temos três moléculas compridas de ácidos graxos, liga-das a uma molécula de glicerina. Quando se faz a preparação do biodiesel, ocorre uma troca da gli-cerina por um álcool pequeno como o metanol ou o etanol. Isso libera as três moléculas compridas e a glicerina. Após a separação, o biodiesel pode ser usado como combustível puro, ou ser misturado ao diesel de petróleo.

As principais questões ambientais ligadas à

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Figura 3 - Produção de biogás a partir de material orgânico (Fonte: Wikimedia)

Moagem da cana(garapa)

Produção domelaço

Fermentação

Destilação do mostofermentado

Etanol 96%(96º GL)

Açúcar escuro

Açúcar comum

Figura 2 - Esquema da produção do etanol e do açúcar a partir da cana

produção de biocombustíveis são as mesmas as-sociadas com qualquer monocultura em larga es-cala. As áreas utilizadas para a plantação sofrem com a perda de biodiversidade e com a contamina-ção da água pelo excesso de fertilizantes, herbici-das e pesticidas. Além disso, a plantação, colheita, transporte e a produção do etanol gastam energia. O balanço entre a energia obtida pelo etanol como combustível e a energia gasta na sua produção de-termina se ele, realmente, é um produto vantajoso.

Outra maneira de se produzir combustível, re-presentada na figura 3, é utilizar rejeitos animais e vegetais para gerar o biogás. O biogás é produzido por micro-organismos quando se coloca matéria orgânica em um biodigestor (fermentador), na au-sência de oxigênio. Ele é composto principalmente por metano (CH4) e gás carbônico (CO2) e pode ser usado tanto para a produção de energia elétrica, queimado para gerar calor ou mesmo usado como combustível em carros ou ônibus.

A utilização do biogás é especialmente inte-ressante quando ele é produzido em aterros sa-nitários. O lixo orgânico libera o metano para a at-mosfera, cujo efeito como poluente é pior do que o do gás carbônico. Muitos aterros captam esse metano e queimam o gás, evitando, assim, que ele fique na atmosfera. Mas queimar sem aproveitar seu potencial energético é um grande desperdício; assim, muitos aterros passaram a usar o metano na geração de energia ou a enviar o gás para ser comprimido e atender à demanda doméstica por gás de cozinha.

Quando ocorre a combustão completa de um combustível contendo carbono, os produtos resul-tantes são o dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O). Se pudéssemos ter um combustível que não liberasse o dióxido de carbono, não precisarí-amos nos preocupar com essa emissão, que con-tribui para o aumento do efeito estufa e o aqueci-mento global. Um possível combustível que atende a esse critério é o gás hidrogênio (H2). Na queima do hidrogênio, o único produto formado é a água:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)

Por que não usamos hidrogênio nos nossos car-ros então? O problema é que o gás hidrogênio não existe na natureza. Temos de produzi-lo. A grande questão é que, para produzir o hidrogênio a par-

tir da água, precisamos gastar o mesmo tanto de energia gerada na queima do hidrogênio. Uma pos-sibilidade para que a tão falada “economia do hidro-gênio” saia do papel é usar fontes de energia alter-nativas como a energia solar ou eólica para gerar eletricidade. Essa eletricidade pode ser usada para quebrar a molécula de água, produzindo hidrogênio. Desta forma, a energia intermitente do sol ou do vento poderia ser estocada na forma de hidrogênio.


›› Como funciona uma refinaria de petróleo?›› Por quanto tempo ainda teremos petróleo? ›› Quanta área precisaria ser plantada com cana

para substituirmos todo o uso de gasolina por álcool?

›› Quando vale a pena, financeiramente, utilizar o álcool etílico como combustível?

›› Como funciona um biodigestor?›› Como podemos obter energia a partir do lixo?›› Em que lugares, no Brasil e no mundo, a energia

é produzida a partir do lixo? ›› É possível termos um carro movido apenas a

água?


EXPERIMENTOS DE QUÍMICA – PODER CALO-RÍFICOApresenta um experimento de fácil execução que trata do poder calorífico dos combustíveis, comparando a energia liberada na combustão de etanol e querosene. Este vídeo tem a duração de 6min43s e foi produzido pela equipe do e-aulas da USP. Acesso em: 22 out. 2015.

COMBUSTÃO COMPLETA E INCOMPLETAApresenta um experimento envolvendo uma com-bustão completa que libera CO2 (dióxido de carbo-no ou gás carbônico); e a combustão incompleta, que libera CO (monóxido de carbono) ou C (car-bono). Este vídeo tem a duração de 6min23s e foi produzido pela equipe do PONTOCIÊNCIA. Acesso em: 22 out. 2015.

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4. VídeosF Acesse os links dos vídeos no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

COMBUSTÍVEIS RENOVÁVEIS - ÁLCOOLApresenta o etanol como um biocombustível obti-do a partir de biomassa. Este vídeo tem a duração de 9min55s e foi produzido pela equipe do CCEAD da PUC-RIO. Acesso em: 22 out. 2015.

COMBUSTÍVEIS RENOVÁVEIS - BIODIESELApresenta o biodiesel como um combustível reno-vável que pode substituir o diesel. Discute a dife-rença entre o diesel e o biodiesel, apontando para as fontes vegetais do segundo, que lhe conferem a característica de combustível renovável. Vários óleos vegetais podem ser usados na fabricação do biodiesel; tudo depende da disponibilidade local de cada matéria-prima. Também discute como a biomassa, matéria orgânica recente, utilizada para produção de energia, pode dar origem ao biodie-sel, apresentando as reações que lhe dão origem. Este vídeo tem a duração de 10min27s e foi pro-duzido pela equipe do CCEAD da PUC-RIO. Acesso em: 22 out. 2015.

COMBUSTÍVEIS NÃO RENOVÁVEIS - PETRÓLEOApresenta o petróleo como gerador de várias ma-térias-primas e de combustíveis como gasolina, querosene de aviação, diesel, entre outros. Aborda questões como a origem do petróleo, a distribui-ção das reservas no planeta Terra, o seu caráter de combustível não renovável e os processos de refino, que dão origem aos combustíveis. Este ví-deo tem a duração de 9min5s e foi produzido pela equipe do CCEAD da PUC-RIO. Acesso em: 22 out. 2015. PROJETO SISTEMA DE QUEIMA DE BIOGÁSApresenta uma reportagem sobre a produção de biogás a partir de resíduos da criação de suínos. Este vídeo tem a duração de 10min27s e foi pro-duzido pela equipe do programa Globo Rural, da Rede Globo. Acesso em: 22 out. 2015.

5. Para saber mais

OLIVEIRA, F. C. C.; SUAREZ, P. A. Z.; SANTOS, W. L. P. Biodiesel: possibilidades e desafios. Química Nova na Escola. São Paulo, n. 7, 1998. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc28/02-QS-1707.pdf>. Acesso em: 22 out. 2015.Este artigo apresenta informações relacionadas ao processo tecnológico da produção do biodiesel, envolvendo aspectos sociais, econômicos e am-bientais, além de recomendações sobre possibili-dades da abordagem desse tema em sala de aula.

CARDOSO, A. A.; MACHADO, C. de M. D.; PE-REIRA, E. A. Biocombustível, o mito do com-bustível limpo. Química Nova na Escola, n. 28, 2008. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc28/03-QS-3207.pdf>. Acesso em: 22 out. 2015.Este artigo apresenta aspectos ambientais rele-vantes sobre a produção e o uso do biocombustí-vel, principalmente o álcool. Procura mostrar tam-bém o quanto é importante conhecer os princípios básicos de Química, especialmente os relacionados à Química do nitrogênio, para compreender e dis-cutir os destinos da economia do país.

MARTINS, P. e SOUSA, F. L. Ciência e Tecnologia na Escola: Desenvolvendo Cidadania Através do Projeto “Biogás – Energia Renovável Para o Futuro”. Química Nova na Escola, vol. 33, n. 1, fevereiro de 2011. Disponível em http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc33_1/03-RSA5309.pdf. Acesso em: 22 out. 2015.Este artigo relata o desenvolvimento de uma in-vestigação sobre o tema “biogás como fonte al-ternativa de energia”, realizada por estudantes.

TUNDISI, Helena S. F. Usos de energia. São Pau-lo: Atual Editora, 2013

DIONYSIO, Renata Barbosa e MEIRELLES, Fa-tima Ventura Pereira. Combustíveis: A química que move o mundo. Disponivel em <http://web.ccead.puc-rio.br/condigital/mvsl/Sala%20de%20Leitura/conteudos/SL_combustiveis.pdf> Acesso em: 22 out. 2015.

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Usamos energia para iluminar nossas casas, ruas e cidades. O ser humano sempre buscou ma-neiras de afastar a escuridão e poder aproveitar as noites de maneira mais segura. Para isso, ao longo da história, aproveitamos a luz liberada na quei-ma de diversos materiais, como velas, lâmpadas a óleo, lampiões a querosene ou a gás.

Quando queimamos um material, o que ocorre é uma reação do combustível com o gás oxigênio (O2) do ar, fenômeno que chamamos de combus-tão. No caso de uma vela, por exemplo, o material que está sendo queimado é a parafina, a cera de que é feita a vela. A parafina vem do petróleo e é uma substância orgânica composta por carbono e hidrogênio (um hidrocarboneto).

Na combustão completa de um hidrocarbone-to, são formadas duas novas substâncias: o dióxido de carbono (CO2) e a água (H2O). Se a combustão for incompleta, quando há falta de oxigênio, são formadas outras substâncias como o monóxido de carbono (CO) e a fuligem.

Esse é o caso do que ocorre na vela. No interior da chama, há uma falta de oxigênio e assim se for-ma a fuligem, um pó fino e preto, que é composto, principalmente, por carbono. Esse carbono é im-portante porque é justamente ele o responsável pela luz emitida pela vela. Quando as partículas de carbono da fuligem são aquecidas, elas começam a emitir aquela luz amarelada, típica da vela.

Thomas Edison inventou a lâmpada incandes-cente em 1879, época do início da produção e distribuição da energia elétrica em cidades. Nesta lâmpada, um filamento é aquecido até que começa a emitir luz, em um processo muito parecido com o que ocorre com a fuligem na vela. De acordo com a temperatura, a cor da luz emitida muda, indo do vermelho para o laranja; depois, o amarelo; e, finalmente, uma luz branca. O material de que o filamento é feito tem de suportar essa alta tem-peratura e, para evitar que se oxide, o filamento é

colocado em um globo de vidro com uma atmos-fera inerte.

Após um certo tempo de uso, o filamento aca-ba se rompendo; dizemos, então, que a lâmpada se queimou. O uso das lâmpadas incandescentes está com seus dias contados, uma vez que a sua comercialização no Brasil será interrompida em 2016. A eficiência da lâmpada incandescente é muito baixa, pois gasta muita energia não produ-zindo luz visível, mas, sim, irradiando calor.

Lâmpada incandescente

As lâmpadas fluorescentes funcionam de uma maneira diferente das incandescentes. Dentro da lâmpada, existe uma pequena quantidade de vapor de mercúrio. Uma descarga elétrica faz com que os elétrons dos átomos de mercúrio emitam luz, es-pecialmente a luz ultravioleta. Essa luz ultravioleta emitida pelo mercúrio faz com que o material bran-co que cobre o interior do tubo emita luz visível.

A fonte de luz mais eficiente entre aquelas dis-poníveis para uso doméstico é a baseada nos LEDs. A sigla LED vêm do inglês Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz. O LED é um componente eletrônico que utiliza um cristal de um material se-micondutor. Quando uma corrente elétrica passa por esse componente, ele emite luz de uma cor diferenciada, que varia dependendo do tipo de cristal utilizado.

Outra fonte de luz que podemos utilizar é aquela emitida pelas pulseiras de luz utilizadas em

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Tema 3 Energia na iluminação

festas. Nessas pulseiras, temos dois componentes que estão separados. Ao se dobrar a pulseira, que-bramos um tubo rígido que está no seu interior, e os reagentes se misturam. O resultado é uma rea-ção química que emite energia na forma de luz. Na reação, forma-se um composto que é muito ins-tável que, ao se decompor, transfere energia para um corante fluorescente. Este corante, ao voltar para seu estado de energia mais baixo, emite luz de determinada cor. Assim, podemos ter pulseiras emitindo luz de cores diferentes a partir apenas da troca do corante fluorescente. Existem também bastões de luz que usam o mesmo princípio e que são vendidos como luz de emergência.


›› Qual tipo de lâmpada é mais eficiente ener-geticamente: incandescente, fluorescente ou LEDs?

›› Por que não podemos descartar lâmpadas flu-orescentes no lixo comum? Como elas podem ser recicladas?

›› Como a iluminação se desenvolveu ao longo do tempo?

›› Como se pode fazer uma “lâmpada” de garrafa PET? Como ela funciona?

›› Analisando a conta de luz: quanto da energia da sua casa é gasta com iluminação?

›› Como alguns seres vivos, como vagalumes ou pei-xes que vivem no fundo do oceano, emitem luz?


TESTE DE LÂMPADAS: LED, FLUORESCENTE OU HALÓGENANeste vídeo, produzido pelo Manual do Mundo, com duração de 17min10s, a iluminação fornecida por diferentes tipos de lâmpada é comparada, e o funcionamento de cada tipo é comentado. Acesso em 22 out 2015.

POR DENTRO DA LÂMPADA INCANDESCENTEMostra o funcionamento de uma lâmpada incan-descente. Este vídeo tem a duração de 35s e foi produzido pelo Pontociência. Acesso em 22 out 2015.

A FLUORESCÊNCIA NA LÂMPADA FLUORESCENTEEste experimento apresenta o fenômeno da fluo-rescência, princípio básico das lâmpadas fluores-centes. Produzido pelo Pontociência, com duração de 54s. Acesso em 22 out 2015.


PÍLULAS DE CIÊNCIA: PULSEIRAS DE LUZEste vídeo mostra o funcionamento das pulseiras de luz. Produzido pelo Pontociência, com duração de 1min27s. Acesso em 22 out 2015.

WHAT IS A FLAMEO vídeo apresenta uma animação feita para expli-car, de maneira bem acessível, o que é a chama. Duração de 7min30s. Acesso em: 22 out. 2015.(Produzido em inglês, com legendas em português – é preciso ativar a legenda clicando na parte infe-rior do vídeo e selecionando Portuguese, Brazilian)

LÂMPADA DE PETO vídeo mostra como pode ser feita uma monta-gem que serve para iluminar o interior de uma casa pela refração da luz solar, a partir de uma garrafa de PET e água. Duração de 3m46s. Acesso em 15 dez. 2015.

5. Para saber mais


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Gerador

Turbina

fluxo de água


A discussão sobre o funcionamento de uma usina hidrelétrica é um bom contexto para se ensi-nar e aprender sobre a questão da transformação da energia. Isso porque, em uma usina hidrelétrica, a energia elétrica é obtida a partir da energia de movimento da água em queda.

A força das águas representa um importante recurso energético, utilizado há bastante tempo. Há séculos, quedas d´água são usadas para mover moinhos e outros engenhos semelhantes. O movi-mento da água pode fazer girar uma roda d´água com pás e, com isso, moer grãos e movimentar outros tipos de máquinas criadas pelo homem. O monjolo é outra forma simples de aproveitar a energia de uma queda d´água.

Uma usina hidrelétrica precisa de um grande volume de água e, por isso, requer a construção de uma barragem. Além disso, precisa contar com uma queda acentuada de água, além de um gera-dor. É preciso que a barragem esteja localizada em

um ponto bem mais alto que o gerador, para que a água atinja, em alta velocidade, as pás que mo-vimentam o gerador, fazendo com que a turbina gire rapidamente, produzindo energia elétrica em seus terminais.

Um gerador elétrico (figura 4) é um dispositivo capaz de transformar energia cinética (energia de movimento) em energia elétrica. Isso ocorre atra-vés de um processo chamado de indução eletro-magnética, descoberto por Michael Faraday, entre 1820 e 1830. Quando uma corrente elétrica pas-sa por um fio condutor, ela gera um campo mag-nético. Da mesma forma, quando aproximamos um ímã de um fio condutor, aparece uma corrente elétrica.

Esse efeito pode ser ampliado se enrolamos o fio condutor para criar uma bobina. Se um ímã per-manente é movimentado no interior da bobina (fi-gura 5), podemos detectar uma corrente elétrica no fio. No caso da usina hidrelétrica e várias outras fontes de energia que se baseiam no movimento (energia mecânica), o ímã gira no interior de uma bobina, transformando a energia desse movimen-to em energia elétrica.

No Brasil, a maior parte da energia elétrica pro-vém de hidrelétricas. As usinas hidrelétricas pos-suem uma vantagem sobre vários outros tipos de energia renovável, pois o seu fornecimento pode

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Tema 4 Produção de energia: hidrelétricas

Figura 4 - Gerador elétrico (Fonte: Wikimedia)Figura 5 - Um ímã se movimenta em uma bobina, gerando uma corrente

BobinaDireção do movimento

Ímã

Galvanômetro

ser planejado. Uma vez que o reservatório este-ja cheio, é possível regular a produção de energia para atender à demanda. Se as comportas forem abertas, gera-se mais energia (figura 6). Uma das limitações do uso das hidrelétricas é que elas de-pendem de um regime de chuvas previsível para garantir o estoque de água nas represas. No caso de um período longo sem chuvas na região, o nível no reservatório baixa, e a produção de energia fica comprometida.

Embora a geração de energia em uma usina hidrelétrica não libere gases diretamente, como ocorre no caso das usinas termoelétricas, a cons-trução da usina leva a diversos impactos ambien-tais e sociais. Quando um rio é represado, a área ao redor das margens vai sendo alagada. Dependen-do do relevo do terreno, um enorme lago é cria-do. As pessoas que moram no entorno têm de ser deslocadas; os animais da região também têm de ser retirados; se a vegetação presente na área a ser alagada não for removida, ela ficará submersa e irá se decompor, liberando o carbono estocado na forma de gás carbônico ou metano.


›› Como funciona uma hidrelétrica?›› Como fazer um gerador de energia elétrica?›› Quais os impactos ambientais da produção de

energia em uma hidrelétrica?›› Que países obtêm energia a partir de hidrelé-

tricas?›› Quais são as usinas hidrelétricas em funciona-

mento no Brasil?›› Que tipo de profissionais trabalham em uma

usina hidrelétrica?


COMO FAZER UMA TURBINA HIDRELÉTRICAVídeo com duração de 11min38s, em que os au-tores mostram, passo a passo, todos os detalhes da construção de uma turbina, com a utilização de materiais de fácil aquisição. Acesso em: 22 out. 2015.

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Figura 6 – Representação em corte da represa de uma usina hidrelétrica (Fonte: Wikimedia)

Gerador

TurbinaRio

Linhas de transmissãode energiaCasa de máquinas

Reservatório

MINI-HIDRELÉTRICAApresenta um experimento que demonstra a pro-dução de energia elétrica a partir da energia me-cânica, usando uma corrente de água que faz girar uma hélice, acoplada a um imã, que gira diante de uma bobina, produzindo corrente alternada. Vídeo com duração de 3min01s. Acesso em: 22 out. 2015.

COMO FAZER UMA EXCELENTE TURBINA HI-DRÁULICA Neste vídeo, você vai acompanhar a construção e o funcionamento de um gerador hidráulico feito com um motor de passo e uma hélice de motor de brinquedo inflável, algumas garrafas pet e 2 LEDs. Duração de 3min01s. Acesso em: 22 out. 2015.

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA COM BOBINA DE CAMPAINHA E ÍMÃ DE HDO experimento mostra como montar um circuito com LEDs, uma campainha doméstica e um ímã, demonstrando como se produz a indução eletro-magnética. Acesso em: 22 out. 2015.


COMO FUNCIONA UMA USINA HIDRELÉTRICA? Vídeo institucional que explica o funcionamento de uma usina hidrelétrica. Produzido pela Eletrobrás. Duração de 2min46s. Acesso em: 22 out. 2015.

HIDRELÉTRICA – PRINCIPAL FONTE DE ENER-GIA DO BRASILVídeo institucional que apresenta dados importan-tes sobre usinas hidrelétricas. Produzido pelo Go-verno Federal. Duração de 2min55s. Acesso em: 22 out. 2015.

BELO MONTE, ANÚNCIO DE UMA GUERRA – FILME COMPLETODocumentário sobre a implantação da usina hi-drelétrica de Belo Monte. Duração de 1h44min55s. Acesso em: 22 out. 2015.

MEIO AMBIENTE POR INTEIRO – O PODER DAS HIDRELÉTRICASApresenta o potencial do Brasil neste setor. Mos-tra o funcionamento das usinas que transformam a força da água em energia elétrica, levada para milhões de residências e empresas no país. Vídeo com duração de 22min02s. Acesso em: 22 out. 2015.


BARRAGENS PERIGOSASArtigo escrito por um pesquisador da UNICAMP, que alerta para os riscos advindos de barragens para as populações e também para o meio am-biente. Defende uma divulgação mais honesta so-bre o uso desse tipo de energia. Acesso em: 22 out. 2015.

HIDRELÉTRICA EM CASAArtigo que apresenta a Usina Geradora de Energia Sustentável (UGES), um tipo de usina hidrelétrica que pode ser instalada dentro de casa. O sistema usa a força da água encanada que chega a reser-vatórios caseiros, como as caixas d’água. Acesso em: 22 out. 2015.

6. Para saber mais

APEC, Usos de energia – Construindo cons- ciências, 6ª série. São Paulo: Scipione, 2003


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Para compreender o funcionamento de uma usina termoelétrica, é imprescindível focar nos processos de transformação de energia. Nessas usinas, a energia elétrica é produzida a partir da queima de algum combustível fóssil como carvão ou gás natural. A energia liberada na queima des-ses combustíveis pode ser utilizada para mover máquinas e equipamentos e, assim, ser transfor-mada em energia cinética ou energia elétrica.

A partir da Revolução Industrial, com a inven-ção de máquinas a vapor, o homem começou a utilizar os combustíveis fósseis em grande quan-tidade. Nessa época, o principal combustível era o carvão mineral. James Watt introduziu muitas melhorias nos equipamentos movidos a vapor, tornando possível o seu uso em aplicações diver-sificadas.

Para que a energia liberada na queima seja transformada em energia cinética, os gases que são aquecidos exercem grande pressão sobre uma turbina, ou um pistão móvel. Numa usina termo-elétrica (figura 7) os combustíveis são queimados para aquecer água. O vapor d´água a alta pressão move uma turbina que movimenta um gerador que, então, produz energia elétrica.

A queima em larga escala de combustíveis fós-seis em usinas termoelétricas (e em veículos) é responsável por um enorme problema ambiental: o aumento da quantidade de dióxido de carbo-no (CO2) na atmosfera. Desde que começamos a queimar combustíveis fósseis, a partir da revolução industrial, a quantidade de dióxido de carbono só tem aumentado, indo de cerca de 270 partes por milhão (ppm) para 400 ppm. Esse aumento pode trazer sérias consequências para o clima do plane-ta, uma vez que o dióxido de carbono aumenta o

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Tema 5 Produção de energia: termoelétricas

Figura 7 - Representação de uma usina termoelétrica (Fonte: Wikimedia)

efeito estufa, além de contribuir significativamen-te para o aumento da acidez da água nos oceanos.

Outro problema ambiental sério causado pela queima de combustíveis fósseis nas usinas termo-elétricas advém do fato de que esses combustíveis contêm diversas impurezas. Tanto o carvão mine-ral como o petróleo contêm uma certa quantida-de de enxofre que, quando queimado junto com o combustível, produz um gás chamado dióxido de enxofre (SO2). Na atmosfera, o dióxido de enxofre se transforma em trióxido de enxofre (SO3), um gás que, ao se dissolver na água da chuva, forma ácido sulfúrico (H2SO4). Outros gases, como óxi-dos de nitrogênio, também são formados nas usi-nas termoelétricas e contribuem para a chuva áci-da, fenômeno que pode trazer diversos problemas à vegetação, aos ambientes aquáticos e mesmo às construções.


›› Como funciona uma usina termoelétrica?›› Quais os impactos ambientais da produção de

energia em uma termoelétrica?›› Como funciona a chuva ácida?›› Que países obtêm energia a partir de termo-

elétricas?›› Quais são as usinas termoelétricas em funcio-

namento no Brasil?›› Que tipo de profissionais trabalham em uma

usina termoelétrica?


COMO GERAR ENERGIA SÓ COM ÁGUA (GERADOR TERMOELÉTRICO)O vídeo apresenta a construção de um gerador de energia a partir de água fria e água quente. É um experimento bem interessante, mas exige a com-pra de alguns materiais específicos. Vídeo com duração de 6min18s, produzido pelo Manual do Mundo. Acesso em: 22 out. 2015.

FAÇA CHUVA ÁCIDA EM CASA! O vídeo mostra os efeitos da queima de enxofre em um pote com indicadores ácido-base. Duração de 5min44s. Experimento disponível no Manual do Mundo. Acesso em: 22 out. 2015.

CHUVA ÁCIDAO vídeo apresenta um experimento que pretende simular como ocorre a chuva ácida. Experimen-to produzido pelo GEPEQ/USP, com duração de 4min43s. Acesso em: 22 out. 2015.

4. VídeosF Acesse o link do vídeo no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

MEIO AMBIENTE POR INTEIRO – USINAS TER-MOELÉTRICASEste vídeo apresenta dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), que apontam a exis-tência de mais de 2.600 usinas termoelétricas em operação no Brasil, gerando cerca de um quarto da energia elétrica produzida em todo o país. Aborda o funcionamento dessas unidades e informam que tipo de impacto podem causar ao meio ambien-te. Vídeo com duração de 24min25s. Exibido em: 13 jul. 2015.

5. Páginas na InternetF Acesse o link da página no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

MAPA DAS USINAS TERMOELÉTRICAS DO BRASILEsta página apresenta um mapa das usinas termo-elétricas em funcionamento no Brasil. Acesso em: 22 out. 2015.

6. Para saber mais

APEC – Construindo consciências, 6ª série. São Paulo: Scipione, 2003

Termelétricas encarecem conta de luzhttp://www.gazetadopovo.com.br/economia/termeletricas-encarecem-conta-de-luz-eqxyskj-gac7qryt04jz11qbta

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Quase todas as fontes de energia existentes têm a sua origem no sol. É a luz do sol, por meio da fotossíntese, a responsável pela energia acumula-da por milhões de anos em combustíveis fósseis como o petróleo, gás e carvão. Os biocombustíveis como o etanol e o biodiesel também resultam da fotossíntese. A energia eólica tem sua origem no aquecimento do ar pelo sol. A energia obtida por intermédio dos vulcões é uma das poucas exce-ções. A energia irradiada pelo sol que atinge a Terra corresponde a 1.370 J em cada metro quadrado por segundo, ou seja, equivale a uma potência de 1.370 W.

Mas como podemos aproveitar a energia do sol diretamente?

Existem várias maneiras de se fazer isso. No processo mais simples, podemos usar a luz do Sol para aquecer a água utilizada nos chuveiros. Para isso, a água passa por canos expostos ao sol, em geral no telhado das casas. Um reservatório arma-zena a água quente, que é misturada com água fria para se ajustar à temperatura do banho. Existem modelos de aquecedores domésticos que utilizam materiais mais acessíveis e reutilizados.

Aquecedor solar de água (Fonte: Wikimedia/Cachogaray)

Para gerar energia elétrica diretamente a par-tir da luz do sol, utilizam-se placas chamadas de painéis fotovoltaicos. Esses painéis são, em geral, fabricados com um material semicondutor cha-mado silício, o mesmo utilizado na produção de componentes eletrônicos como chips de compu-tadores. Na construção de um painel fotovoltaico, é feito um “sanduíche”, em que dois tipos de cris-tais de silício são colocados em contato. Um dos cristais de silício (chamado de tipo N) é modifi-cado pela introdução de impurezas que criam um excesso de cargas negativas (elétrons). No outro tipo, (chamado de tipo P) a impureza introduzida deixa o cristal com uma deficiência de cargas ne-gativas. Na parte superior do sanduíche, fica um material condutor transparente e, na parte inferior, um condutor metálico. Quando se ilumina o painel, aparece uma diferença de potencial que gera uma corrente elétrica.

Existem vários tipos de painéis fotovoltaicos. Os mais baratos possuem uma eficiência menor na conversão da energia luminosa em energia elé-trica de cerca de 10%. Modelos mais modernos podem chegar a uma eficiência de 20%, porém a um custo maior. Existe um limite teórico do má-ximo de energia do sol que pode ser aproveitada por painéis comuns, que é de 31%. Isso ocorre porque o sol emite diferentes tipos de luz (ondas eletromagnéticas), contendo diferentes quantida-des de energia. Parte da luz do sol que chega até o painel não tem energia suficiente para ativá-lo. Outra parte tem uma energia maior que a neces-sária para o painel funcionar, mas não consegui-mos aproveitar essa energia extra.

Um terceiro método que utiliza a energia do sol para gerar eletricidade é a concentração de luz in-cidente em uma grande área em uma região bem pequena. Se pegarmos uma lente de aumento e focarmos os raios do sol em um único ponto, isso poderá fazer, por exemplo, com que uma folha de papel pegue fogo. Usando uma lente maior, focan-do os raios que incidem em uma área maior em

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Tema 6 Fontes alternativas de energia: solar

um determinado ponto, isso pode provocar uma temperatura altíssima.

Em vez de lentes, é possível usar espelhos. Apontando para um mesmo ponto vários espelhos espalhados em uma área, concentramos a energia solar e podemos utilizá-la para gerar energia elé-trica. No foco dos espelhos, podemos colocar, por exemplo, uma caldeira contendo água. A água fer-verá, e o vapor fará girar uma turbina, de maneira semelhante a uma usina termoelétrica. Mas, como a temperatura que se pode alcançar ao se concen-trar a luz do sol é muito mais alta que a tempe-ratura de ebulição da água, podemos usar outros materiais.

Algumas centrais de energia solar concentrada usam sal no lugar da água. A temperatura atingida é alta o suficiente para o sal fundir. O sal líquido é armazenado em tanques e é usado para aquecer a água, gerar vapor, e, assim, produzir eletricidade. A grande diferença é que, no caso do sal, ele perma-nece quente o suficiente para continuar gerando eletricidade durante a noite, o que não acontece quando se usa água diretamente.

Um dos grandes desafios da energia solar é, justamente, a sua inconstância. Dias nublados ou chuvosos resultam em uma queda na produção de energia. Uma questão importante a se considerar é que a produção de energia solar envolve o uso de grandes áreas. Quando se usa um espaço que normalmente não é utilizado, como o telhado da residência, isso não é um problema. Mas no caso

das grandes fazendas solares, a área coberta por painéis fotovoltaicos ou espelhos concentradores não será utilizada, por exemplo, para a agricultura. Alguns parques solares são híbridos e combinam painéis fotovoltaicos com usinas eólicas, uma vez que um mecanismo não interfere no funciona-mento do outro.


›› Como podemos construir um forno solar?›› Como podemos fazer um aquecedor de água

solar caseiro?›› Como podemos fazer um purificador de água

solar? destilador / dessalinizador?›› Como podemos fazer um carregador de celular

com uma placa de painel fotovoltaico (mochila solar)?


INFLUÊNCIA DA COR NA ABSORÇÃO OU EMIS-SÃO DE CALOR RADIANTENeste endereço, pode-se encontrar uma atividade que propõe vários experimentos para comparar a temperatura de objetos pretos e brancos expostos à luz do sol. Acesso em: 25 nov. 2015.

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Usina de eletricidade solar concentrada (Fonte: Wikimedia/Afloresm)

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CONE DE LUZNeste experimento, mostramos como é possível concentrar a luz do sol em um determinado pon-to, usando uma lente retirada de um retroprojetor. Acesso em: 25 nov. 2015.

COMO FAZER FOGO COM ÁGUAEste experimento ensina como transformar uma lâmpada incandescente velha em uma lente que concentra os raios solares. Acesso em: 25 nov. 2015.


JEM MELTS ROCK USING SUNSHINE – BANG GOES THE THEORY – SERIES 3, EPISODE 5 PREVIEW – BBC ONE (EM INGLÊS)Este vídeo mostra um equipamento que concentra uma área de 2 m2 da luz do sol em um certo ponto, alcançando altas temperaturas. Duração: 1m43s. Acesso em: 25 nov. 2015.

FORNO SOLAR NO MANUAL DO MUNDOVídeos que mostram maneiras de construir um forno solar caseiro. Produzido pelo Manual do Mundo. Acesso em: 25 nov. 2015.


ENERGIA SOLAR NO BRASILMatéria sobre o estudo do WWF-Brasil “Meca-nismos de Suporte para Inserção da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Elétrica Brasileira: mode-los e sugestão para uma transição acelerada”, que mostra que é possível diminuir emissões e ainda economizar. Acesso em: 25 nov. 2015.


A energia eólica é uma forma indireta de ener-gia solar. O vento tem origem a partir do aqueci-mento não homogêneo da atmosfera, que acon-tece porque a superfície terrestre é irregular. Por exemplo, existem grandes extensões de terra e enormes áreas de mar. O movimento de rotação da terra (noite versus dia) e a forma quase esfé-rica do nosso planeta também influenciam na for-mação dos ventos. Na atmosfera, as massas de ar mais quente sobem e geram zonas de baixa pres-são junto à superfície da terra. As massas de ar frio deslocam-se para essas zonas de baixa pressão e dão origem ao vento. A energia eólica constitui, portanto, uma forma de energia cinética produzida pelo aquecimento diferenciado das camadas de ar.

As formas de aproveitamento da energia eóli-ca estão associadas à conversão deste recurso em energia mecânica e elétrica. Essa conversão é feita em uma turbina eólica.

Tudo começa com o movimento de rotação causado pela incidência do vento nas pás do rotor da turbina. Essas pás fazem rodar um eixo, que põe em funcionamento um gerador, no qual a ação de campos magnéticos converte a energia rotacional em energia elétrica.

A velocidade e a direção do vento são funda-mentais para a produção de energia eólica. Para medir esse tipo de energia, são utilizados sensores de velocidade e direção do vento. Em geral, essa velocidade é medida em m/s (metros/segundo). O principal resultado a ser obtido é a velocidade mé-dia do vento, mas é importante conhecer também a velocidade máxima, bem como a intensidade de turbulência, além da distribuição estatística das velocidades. Junto com o sensor de velocidade, são utilizados os sensores de direção, registrando a predominância dos ventos.


›› O que é energia eólica? Como funciona uma turbina?

›› O Brasil produz energia eólica?›› Como podemos ver a direção do vento? E

como podemos medir a sua velocidade?›› O que é um parque eólico? Quais as condições

necessárias para a construção de um parque eólico?

›› Onde estão localizados os parques eólicos no Brasil? E no mundo?


COMO FAZER UM EXCELENTE GERADOR EÓLI-CO RECICLADOEste vídeo mostra como montar um modelo de gerador eólico, valendo-se de uma garrafa PET. Duração de 8min22s. Acesso em: 25 nov. 2015.

MINIGERADOR DE ENERGIA EÓLICA DE PALI-TO DE PICOLÉ E LATINHA DE REFRIGERANTE – VERSÃO 1.0Este vídeo apresenta a construção de um gerador eólico caseiro e discute a importância do diodo neste tipo de artefato. Mostra que esses gerado-res são capazes de carregar telefones celulares. Duração de 4min40s. Acesso: 22 out. 2015.

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Tema 7 Fontes alternativas de energia: eólica

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GERADOR EÓLICO – FUNÇÃO DO DIODO NO CARREGAMENTO DE BATERIASEste vídeo também apresenta a construção de um gerador eólico caseiro e discute a importância do diodo neste tipo de artefato, demonstrando que esses geradores são capazes de carregar telefo-nes celulares. Duração de 5min43s. Acesso em: 22 out. 2015.


COMO FUNCIONA A ENERGIA EÓLICA – PARTE 1Este vídeo apresenta a forma de produção da energia eólica. Disponibilizado pelo site “Como tudo funciona”. Duração de 5min43s. Acesso em: 22 out. 2015.

ENERGIA EÓLICA NO BRASILO vídeo aborda a questão da energia eólica no Bra-sil. Produzido pelo Governo Federal, com duração de 3min20s. Acesso em: 22 out. 2015.

VOCÊ SABE COMO FUNCIONA A ENERGIA EÓLICA?Este vídeo produzido por FURNAS oferece uma vi-são geral sobre a utilização de energia eólica e apre-senta os parques eólicos construídos pela empresa. Duração de 2min38s. Acesso em: 22 out. 2015.


PARQUE HÍBRIDOReportagem sobre o primeiro parque híbrido do Brasil, um projeto que reúne a geração de energia solar e eólica. Acesso em: 10 out. 2015

FAQ SOBRE ENERGIA EÓLICAPágina do Centro de Energia Eólica (CE-EÓLI-

CA) da PUCRS, vinculada ao grupo de pesquisa NUTEMA, Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente. Apresenta um FAQ com perguntas fre-quentes sobre energia eólica. Acesso em: 10 out. 2015.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICAPágina da Associação Brasileira de Energia Eólica – ABEEólica, que reúne empresas pertencentes à cadeia geradora de energia eólica no País. Esta pá-gina disponibiliza um banco de artigos, notícias e vídeos. Acesso em: 10 out. 2015.

AGENDA ELÉTRICA SUSTENTÁVEL 2020Neste endereço, é possível ter acesso a uma pu-blicação da organização não governamental WWF sobre produção sustentável de energia elétrica, contendo muitos dados interessantes sobre o as-sunto. Acesso em: 16 out. 2015.

DESAFIOS E OPORTUNIDADES PARA A ENER-GIA EÓLICA NO BRASIL: RECOMENDAÇÕES PARA POLÍTICAS PÚBLICASEsta página permite o acesso a uma publicação que apresenta os fatores que contribuíram no desen-volvimento da energia eólica no cenário energéti-co brasileiro, aborda as razões para seu potencial de atração de investimentos e mostra os desafios enfrentados pelo setor no Brasil. Faz, ainda, reco-mendações para permitir a continuidade do ciclo virtuoso engendrado pelo crescimento desta fonte em nossa matriz energética. Acesso em: 16 out. 2015.

6. Para saber mais

MARCOLIN, N. Energia de cataventos, PESQUI-SA FAPESP MAIO DE 2007, p.8http://revistapesquisa.fapesp.br/wp-content/uploads/2007/05/08-09-memoria-135.pdf. Pequeno texto que apresenta um panorama histó-rico sobre a utilização da energia eólica no Brasil. Acesso em: 03 out. 2015.


Como vimos nas várias seções anteriores, a energia elétrica é extremamente importante para nossa vida diária. A energia gerada e transmitida para nossas casas, consumida de modo habitual, apresenta uma limitação importante: para utilizá--la, precisamos ligar nossos aparelhos em uma to-mada. O homem contemporâneo precisa de cada vez mais energia, para consumir em qualquer lu-gar, seja para utilizar aparelhos celulares, tablets ou computadores portáteis. Mas nem sempre foi assim.

Quando as pilhas foram descobertas, muitos cientistas e inventores começaram a produzir di-ferentes modelos, tentando fazer com que elas produzissem mais energia ou tivessem uma du-rabilidade maior. Mas havia um grande problema: quando a primeira pilha foi criada, por Alessandro Volta, não havia nenhum aparelho que utilizasse essa energia. Apenas com o avanço da tecnologia, tanto das pilhas quanto dos aparelhos, é que pu-demos ter cada vez mais aparelhos que aprovei-tam essa portabilidade.

A pilha de Volta surgiu dentro de uma con-trovérsia vinda dos experimentos de outro ita-liano, Luigi Galvani. Nessa época, já se conhecia a eletricidade estática, aquela obtida quando se atritam dois materiais diferentes e ocorre uma separação de carga. Galvani estava estudando os efeitos da eletricidade em tecidos animais. Ele colocou uma perna de rã presa por um gancho de um metal e percebeu que, quando ele tocava outro ponto da perna com um outro metal, os músculos da perna se contraíam. Galvani consi-derou que o músculo agia como um reservatório de “eletricidade animal” e que os metais apenas fechavam o circuito.

Volta repetiu os experimentos de Galvani, mas acabou encontrando uma resposta diferente: a perna da rã não seria a origem da eletricidade, mas, sim, um detector bem sensível, que respondia ao estímulo elétrico advindo de uma fonte externa.

A fonte real seria os dois metais em contato. Para demonstrar isso, Volta empilhou, alternadamente, discos de prata e zinco, separados por pedaços de papel embebidos em água com sal.

Em uma pilha, a geração de energia ocorre como resultado de uma transformação química. Quando ligamos um aparelho que usa uma pilha ou bateria, à medida que a corrente elétrica passa, materiais reagentes que compõe a pilha são gas-tos, transformados em produtos da reação. Isso ocorre porque diferentes substâncias têm uma tendência diferente em ganhar ou perder elétrons.

Quando um metal perde um ou mais elétrons, dizemos que ele se oxidou. Esse processo, geral-mente, forma um íon com carga positiva. A reação oposta também pode ocorrer, ou seja, um íon pode ganhar elétrons (o termo usado é se reduzir) e se transformar em um átomo de metal, sem carga. Em todas as pilhas, temos reações químicas em que ocorrem, ao mesmo tempo, reações de oxida-ção e de redução. Em vez de os elétrons passarem diretamente de um reagente para o outro, fazemos com que eles passem por um fio condutor. Assim, a reação química gera uma corrente elétrica.

Algumas pilhas são usadas uma única vez e, quando não produzem mais energia suficiente para o nosso uso, são descartadas. Outras são recar-regáveis e podemos reverter o processo de des-carga, produzindo novamente os reagentes com a passagem de uma corrente elétrica. As baterias de chumbo usadas nos automóveis são recarre-gáveis, bem como as baterias de lítio, usadas na maior parte dos celulares e computadores por-táteis. Mesmo as baterias recarregáveis têm uma vida útil; após um certo número de ciclos de carga e descarga, elas param de funcionar.

Um grande cuidado deve ser tomado no des-carte de pilhas e baterias, uma vez que o descarte inapropriado pode contaminar o ambiente. Algu-mas pilhas usam metais pesados que são muito tóxicos, como o mercúrio, o cádmio ou o chumbo. Largadas no ambiente, seu conteúdo pode vazar e contaminar a água e o solo.

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Tema 8 Energia móvel: pilhas e baterias

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›› Como podemos montar uma pilha com mate-riais caseiros?

›› Como funciona uma pilha recarregável?›› Quais são os tipos mais importantes de pilhas

e baterias?›› Quais baterias são usadas em carros elétricos? ›› Quais são os impactos ambientais do descarte

inapropriado de pilhas e baterias?›› É possível reciclar os materiais de pilhas e ba-

terias?


PILHA DE DANIELLEste vídeo apresenta, passo a passo, a montagem de uma Pilha de Daniell. Trata-se de um experi-mento simples de fazer e um bom exemplo para ilustrar como funciona uma pilha. Produzido pela equipe do Pontociência, com duração de 2min35s. Acesso em: 25 nov. 2015.

PILHA DE MOEDASO experimento mostra como montar uma pilha a partir do uso de moedas como eletrodos metáli-cos. A pilha montada é de um tipo especial, uma pilha de concentração. Produzido pela equipe do Pontociência. Acesso em: 25 nov. 2015.

CONHECENDO O INTERIOR DA BATERIA DE 9VO experimento permite descobrir como uma ba-teria consegue gerar 9 volts, mostrando como ela é por dentro. Produzido pela equipe do Pontociên-cia. Duração: 2min22s. Acesso em: 25 nov. 2015.

BATERIA DE CHUMBO E ÁCIDOA bateria de chumbo usada em veículos é recar-regável. O experimento mostra como é possível montar uma pilha deste tipo. Produzido pela equi-pe do Pontociência. Duração: 2min. Acesso em: 25 nov. 2015.

COMO FAZER LANTERNA COM LIMÃOConstrua uma pilha usando limões e outros ma-teriais simples e acenda um LED. Produzido pela equipe do Manual do Mundo. Duração: 3min22s. Acesso em: 25 nov. 2015.

BATERIA DE LATA DE ALUMÍNIOCom esta bateria, que utiliza latas de alumínio e fio de cobre, é possível movimentar um pequeno motor elétrico. Duração: 6min. Acesso em: 25 nov. 2015.

4. Para saber maisF Acesse os links dos artigos no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

PILHAS E BATERIAS: FUNCIONAMENTO E IM-PACTO AMBIENTALEste artigo discorre sobre o que são pilhas e bate-rias, explica o funcionamento das pilhas mais co-muns e aponta os impactos ambientais causados pelo seu descarte incorreto. Acesso em: 25 nov. 2015.

PILHAS DE COBRE/MAGNÉSIO CONSTRUÍDAS COM MATERIAIS DE FÁCIL OBTENÇÃOEste artigo sugere como construir uma pilha usan-do cobre e magnésio, que pode ser usada para fa-zer funcionar vários aparelhos elétricos ou eletrô-nicos. Acesso em: 25 nov. 2015.

O BICENTENÁRIO DA INVENÇÃO DA PILHA ELÉTRICAEste artigo apresenta o contexto da invenção da pilha elétrica, no final do século XVIII, por Alessan-dro Volta, incluindo a sua célebre controvérsia com Luigi Galvani. Acesso em: 25 nov. 2015.


Quando compramos um aparelho eletrodo-méstico — como uma televisão, geladeira ou ven-tilador — podemos reparar que existe um selo co-lorido que indica em que categoria o equipamento se encaixa. O objetivo do selo, atribuído pelo In-metro, é facilitar a comparação, pelo consumidor, entre diferentes modelos e marcas.

Uma letra indica a eficiência energética do aparelho, indo de A a G. A letra A indica os mais eficientes. Outro objetivo da etiquetagem dos produtos é fazer com que as empresas que produ-zem os aparelhos invistam na melhoria contínua de seus produtos, de modo a torná-los mais eficien-tes energeticamente.

Um dos dados colocados no selo é o consumo de energia, em kWh/mês. Esse dado é importante,

porque nós pagamos a energia elétrica que con-sumimos mensalmente usando exatamente essa unidade, o quilowatt-hora (kWh). Para entender como esta unidade funciona, precisamos conhecer o Watt, uma unidade de potência.

Como vimos na seção sobre energia nos ali-mentos, uma das unidades de energia mais usadas é o joule (J). Se queremos comparar o consumo de energia de aparelhos elétricos, temos de saber quanta energia eles gastam em um determinado tempo. A energia consumida por unidade de tempo é a potência do aparelho. Se ele gasta 1 joule em 1 segundo, ele está consumindo 1 Watt (1 J/s). Se um chuveiro tem uma potência de 2.000 W (ou 2kW), ele está consumindo 2.000 J (ou 2 kJ) de energia em cada segundo em que ficar ligado.

Como a potência é a energia dividida pelo tem-po, para saber quanta energia é gasta por um apa-

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Tema 9 Energia em casa: uso doméstico

Figura 8 - Selo do Inmetro de consumo de energia

Tipo de equipamento

Nome do fabricanteMarca comercial ou logomarca

Indicação do modelo

Indicação da eficiência energética do equipamento

Indicação do consumo de energia, em kWh/mês

Informações adicionais sobre o produto

Assinatura do Inmetro e parceiros

relho, basta multiplicar a potência pelo tempo em que o aparelho ficar ligado. Um banho de 1 hora, então, gasta 2 kW por 1 hora, ou 2 quilowatt-hora. Ou seja, o Watt é uma unidade de potência que informa quanto o aparelho gasta quando ligado. O Watt-hora é uma medida de consumo de energia na qual o tempo em que o aparelho ficou ligado já foi computado.

Para se ter uma visão clara do consumo de energia de uma casa, associando-o aos hábitos dos moradores, é necessário listar quais são os apare-lhos elétricos usados na casa, qual é a potência de cada um deles e quanto tempo eles ficam ligados por dia ou por mês. Algumas mudanças podem ter um grande impacto no consumo, especialmente se o aparelho tem uma grande potência, como um chuveiro ou um ar condicionado. Outras medidas podem até reduzir o consumo, mas terão um im-pacto muito pequeno no montante da conta. Se a família tem uma pretensão de reduzir 30% da sua conta de eletricidade, deverá focar em ações que realmente contribuam para o alcance dessa meta.


›› O que é KWh? ›› Que informações podemos tirar de uma conta

de energia elétrica?›› Que aparelhos consomem mais energia em

casa? ›› Como funciona o relógio que mede o consumo

de energia em casa?›› Quanto podemos economizar tirando apare-

lhos da tomada quando não estão em uso?›› Como funciona um chuveiro elétrico? O que

acontece quando mudamos o seu ajuste de “in-verno” para “verão”?

3. Experimentos e atividadesF Acesse os links dos experimentos no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

FUNCIONAMENTO DO CHUVEIRONesta sugestão de aula, temos uma descrição de como funciona um chuveiro elétrico, apresentan-do experimentos e observações sobre o uso deste equipamento. Acesso em: 25 nov. 2015.

CONHEÇA SUA CONTA DE LUZ A página mostra uma conta de luz interativa, que descreve cada parte do consumo ao se passar o cursor sobre ela. Acesso em: 25 nov. 2015.


SIMULADOR DE CONSUMO DE ENERGIAEste endereço dá acesso a um simulador de con-sumo de energia que foi desenvolvido pela Cia. Furnas, com o objetivo de auxiliar os consumido-res brasileiros a entender seus gastos com energia elétrica, além de incentivar o combate ao desper-dício desse formato de energia. Acesso em: 25 nov. 2015.

5. Para saber mais

CHUVEIRO ESPERTOEste artigo mostra como um inventor brasileiro desenvolveu um sistema capaz de recuperar o ca-lor da água do chuveiro, possibilitando uma grande economia de energia. Acesso em: 25 nov. 2015.

CHUVEIROS ELÉTRICOSO texto apresenta o funcionamento do chuveiro elétrico, a definição de potência e explica o que acontece quando fazemos o ajuste de “inverno” para “verão”. Acesso em: 25 nov. 2015.

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Sites com experimentos e projetos de vários temasF Acesse os links no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

›› PONTOCIÊNCIA: http://pontociencia.org.br

›› MANUAL DO MUNDO: http://www.manualdomundo.com.br

›› FEIRA DE CIÊNCIAS: http://www.feiradeciencias.com.br

›› PORTAL DO PROFESSOR (MEC): http://portaldoprofessor.mec.gov.br/bus-carAulas.html

›› CIÊNCIA NA MÃO: http://www.cienciamao.usp.br

›› QUÍMICA NOVA NA ESCOLA: http://qnesc.sbq.org.br

›› A ARTE DE APRENDER BRINCANDO: http://professorphardal.blogspot.com.br

›› CIÊNCIA HOJE PARA AS CRIANÇAS: http://chc.cienciahoje.uol.com.br/?s= energia

›› CANAL DO GEPEC-USP NO YOUTUBE: https://www.youtube.com/channel/UC4xjE6V16jWqLuMSV4duvtQ

Site com animações e jogos educacionais

F Acesse o link no hotsite www.arcelormittalciencias.net/premio2016

›› PORTAL FURNAS: http://www.furnas.com.br/frmSOEnergiaEficienteAnimaco-esJogos.aspx

Livros de experimentos

MATEUS, Alfredo Luis. Química na cabeça: experimentos espetaculares para fazer em casa ou na escola. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2001.

MATEUS, Alfredo Luis. Química na cabeça 2: mais experimentos espetaculares para fazer em casa ou na escola. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2010.

MATEUS, Alfredo Luis; PAULA, Helder de Figueiredo e; REIS, Débora D´Ávila. Ciên-cia na tela: experimentos no retroprojetor. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2009.

MATEUS, Alfredo Luis; TENÓRIO, Iberê. Manual do mundo: 50 experimentos para fazer em casa. Rio de Janeiro: Editora Sextante, 2014.

VALADARES, Eduardo de Campos. Física mais que divertida: inventos eletrizantes. Belo Horizonte: Editora UFMG, 3ª edição, 2012.

Indicações de fontes adicionais de pesquisa

www.arcelormittalciencias.net/premio2016

Documents

Energia e ciência: em busca de soluções sustentáveis