Energia e meio ambiente

786 Pages·2014·57.94 MB·Portuguese

by  Roger Hinrichs

Energia e meio ambiente é um livro que enfatiza os princípios físicos por trás do uso
da energia e seus efeitos sobre nosso ambiente. Aborda a desregulação e o aumento
da competição no setor de geração de energia, o aumento dos preços do petróleo e o
crescente compromisso global com as fontes de
energia renováveis. Ao examinar os diferentes
aspectos de cada recurso energético, inclui os
princípios envolvidos e as consequências ambientais
e econômicas do seu uso, e enfatiza o impacto
ambiental do consumo de combustíveis fósseis, a
poluição atmosférica e o aquecimento global.
Esta nova edição traz artigos atualizados que
discutem a questão energética no Brasil. São
analisados os padrões de uso da energia no Brasil, a
conservação, a energia de combustíveis fósseis, a
energia solar, as fontes renováveis de energia e a
energia nuclear entre outros importantes temas.
Trata-se de uma obra de referência para estudantes
e profissionais das várias áreas da engenharia e das
ciências exatas.
Aplicações: Cursos de graduação nas áreas
relacionadas à geração, à distribuição e ao consumo
de energia: Engenharia Elétrica, Engenharia
Mecânica, Engenharia Ambiental, Química e Física.
Livro-texto para as disciplinas planejamento energético, geração, distribuição e
consumo de energia elétrica, controle e redução da poluição causada pela
geração e consumo de energia, e fontes alternativas de energia.
Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza
ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.
Energia e meio ambiente é um livro que enfatiza os princípios físicos por trás do uso
da energia e seus efeitos sobre nosso ambiente. Aborda a desregulação e o aumento
da competição no setor de geração de energia, o aumento dos preços do petróleo e o
crescente compromisso global com as fontes de
energia renováveis. Ao examinar os diferentes
aspectos de cada recurso energético, inclui os
princípios envolvidos e as consequências ambientais
e econômicas do seu uso, e enfatiza o impacto
ambiental do consumo de combustíveis fósseis, a
poluição atmosférica e o aquecimento global.
Esta nova edição traz artigos atualizados que
discutem a questão energética no Brasil. São
analisados os padrões de uso da energia no Brasil, a
conservação, a energia de combustíveis fósseis, a
energia solar, as fontes renováveis de energia e a
energia nuclear entre outros importantes temas.
Trata-se de uma obra de referência para estudantes
e profissionais das várias áreas da engenharia e das
ciências exatas.
Aplicações: Cursos de graduação nas áreas
relacionadas à geração, à distribuição e ao consumo
de energia: Engenharia Elétrica, Engenharia
Mecânica, Engenharia Ambiental, Química e Física.
Livro-texto para as disciplinas planejamento energético, geração, distribuição e
consumo de energia elétrica, controle e redução da poluição causada pela
geração e consumo de energia, e fontes alternativas de energia.
Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza
ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.
ISBN 13 978-85-221-1688-1
ISBN 10 85-221-1688-1
9 788522 116881
Energia e
Meio Ambiente

Tradução da 5a edição norte-americana
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 1 28/2/2014 15:17:15
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)
Hinrichs, Roger A.
Energia e meio ambiente / Roger A. Hinrichs,
Merlin Kleinbach, Lineu Belico dos Reis ;
tradução Lineu Belico dos Reis, Flávio Maron
Vichi, Leonardo Freire de Mello. -- São Paulo :
Cengage Learning, 2014.
Energy : its use and the
environment.
5. ed. norte-americana.
Bibliografia.
ISBN (cid:28)(cid:26)(cid:27)(cid:16)(cid:27)(cid:24)(cid:16)(cid:21)(cid:21)(cid:20)(cid:16)(cid:20)(cid:25)(cid:27)(cid:27)(cid:16)(cid:20)
1. Energia (Mecânica) 2. Meio ambiente
3. Recursos energéticos I. Kleinbach, Merlin.
II. Reis, Lineu Belico dos. III. Título.
14-00116 CDD-621.042
Índices para catálogo sistemático:
1. Energia : Efeitos sobre o meio ambiente :
Engenharia mecânica : Física aplicada
621.042
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 2 28/2/2014 15:17:15
Roger A. Hinrichs Merlin Kleinbach
Universidade de Nova York, Oswego
Lineu Belico dos Reis
Universidade de São Paulo
Energia e
Meio Ambiente

Tradução da 5a edição norte-americana
Tradução Técnica
Lineu Belico dos Reis (4a e 5a edição)
Engenheiro eletricista e professor livre docente da Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo. Professor e consultor em Energia e Sustentabilidade
Flávio Maron Vichi (3a edição)
Doutor em Química pela Unicamp, pós-doutorado pela University of Wisconsin – Madison (EUA)
e professor doutor do Instituto de Química da USP
Leonardo Freire de Mello (3a edição)
Engenheiro agrônomo pela Universidade Federal de Lavras, mestre em Planejamento
Ambiental e doutorando em Demografia – População e Meio Ambiente pela Unicamp
Austrália Brasil Japão Coreia México Cingapura Espanha Reino Unido Estados Unidos
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 3 28/2/2014 15:17:16
Energia e meio ambiente © 2002, 2006, 2013 Cengage Learning
Tradução da 5a edição norte-americana © 2015 Cengage Learning Edições Ltda.
Roger A. Hinrichs, Merlin Kleinbach
e Lineu Belico dos Reis Todos os direitos reservados. Nenhuma
parte deste livro poderá ser reproduzida,
Gerente editorial: Noelma Brocanelli sejam quais forem os meios empregados,
Supervisora de produção gráfica: Fabiana sem a permissão por escrito da Editora. Aos
Alencar Albuquerque infratores aplicam-se as sanções previstas
Editora de desenvolvimento: Viviane Akemi nos artigos 102, 104, 106, 107 da Lei no
Uemura 9.610, de 19 de fevereiro de 1998.
Título original: Energy – Its use and the
Esta editora empenhou-se em contatar os
environment, 5th edition
responsáveis pelos direitos autorais de
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todas as imagens e de outros materiais
ISBN 13: 978-1-133-10902-0)
utilizados neste livro. Se porventura for
Tradução técnica da 5ª edição: Lineu Belico dos Reis
constatada a omissão involuntária na
Tradução técnica da 4ª edição: Lineu Belico
identificação de algum deles, dispomo-nos
dos Reis e All tasks (capítulo 5)
a efetuar, futuramente, os possíveis acertos.
Tradução técnica da 3ª edição: Flávio Maron
Vichi e Leonardo Freire de Mello A Editora não se responsabiliza pelo
Cotejo: Fábio Gonçalves e Mariana Gonzalez funcionamento dos links contidos neste
Revisão: Áurea Faria, Iara Arakaki e Mariana livroque possam estar suspensos.
Gonzalez
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direitos reservados.
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PrEFÁCIo
Introdução à quIntA EdIção
Energia e meio ambiente é um livro introdutório que enfatiza os princípios físicos rela-
cionados à energia, seus usos e seus efeitos em nosso ambiente. Ele pode ser utilizado
em cursos de física, tecnologia, ciências físicas e ciências ambientais destinados a
líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências. Não é necessário ter qualquer
pré-requisito em matemática ou outra ciência. Grande parte da pedagogia aplicada
aqui tem origem em um curso geral de educação, com duração de um semestre, que
um de nós (R. H.) tem ministrado na State University de New York, Faculdade de
Oswego, durante os últimos 25 anos. Nós dois estivemos envolvidos na realização
de workshops na área de educação sobre energia para professores de ciência e tecno-
logia da escola secundária do estado de Nova York, nos últimos 25 anos.
Para esta quinta edição, todos os dados sobre recursos de energia, usos de energia
e tecnologias de energia foram atualizados. No período decorrido desde a terceira
edição, observamos o preço do petróleo atingir o maior valor já registrado e vimos
um rápido crescimento no uso da energia pela China e pela Índia. A preocupação
referente à grande dependência que o setor de transportes dos Estados Unidos tem
em relação ao petróleo importado continua a crescer. Será que em breve atingiremos
o pico da produção mundial de petróleo? Uma economia com base no hidrogênio
e células a combustível parece estar próxima, mas existem muitos obstáculos no
caminho. Os veículos elétricos estão começando a fazer pequenas, mas substanciais
incursões no mercado. O mundo também está percebendo um interesse cada vez
maior na energia renovável. O uso da energia eólica aumenta a uma taxa de cerca
de 30% ao ano, embora as energias renováveis respondam atualmente por somente
cerca de 7% do uso total de energia nos Estados Unidos e cerca de 14% do uso total
mundial. Essas tendências são examinadas ao longo de todo este livro.
Continuamos a enfatizar o impacto ambiental do consumo de combustíveis
fósseis, em parte, destinando capítulos a material sobre o uso de combustível fóssil,
poluição do ar e aquecimento global, no início deste livro. Em virtude das preocu-
pações ambientais, especialmente quanto ao aquecimento global novo material foi
adicionado. O possível ressurgimento da energia nuclear é discutido nos capítulos
finais à luz da catástrofe do terremoto e tsunami no Japão. A interdependência das
economias e dos ambientes mundiais, principalmente no que se refere à energia,
nos levou a acrescentar mais exemplos, abordando o uso da energia em outros paí-
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 5 28/2/2014 15:17:17
VI EnErgIA E MEIo AMbIEntE
ses, tanto nos industrializados como nos que estão em desenvolvimento. Incluímos
a questão “Como você escolheria?”, no começo de cada capítulo, que propõe aos
leitores desenvolverem suas próprias opiniões sobre uma questão específica rela-
cionada à energia. Esta questão (Como você escolheria?) é revisitada ao final do
capítulo e o leitor é solicitado a responder se o conteúdo aprendido modificou seu
conceito sobre a mesma.
objEtIvos dEstE lIvro
Como o assunto energia é multifacetado, este livro tem diversos propósitos. O pri-
meiro e mais importante é que o livro procura explicar os princípios físicos básicos
relacionados às diferentes transformações de energia que ocorrem, incluindo o es-
tudo da mecânica, da eletricidade e do magnetismo, da termodinâmica e da física
atômica e nuclear. Ao mesmo tempo, ele aborda questões ambientais cruciais cau-
sadas pelo uso da energia que, atualmente, estão recebendo muita atenção pública,
tais como aquecimento global, lixo radioativo e resíduos sólidos nos municípios. O
melhor meio de compreender as consequências das alternativas energéticas atuais
e futuras, assim como o equilíbrio ambiental, social e econômico que precisa ser
atingido, é entender os princípios científicos envolvidos.
Esses princípios são apresentados com uma quantidade mínima de material de
matemática e com a ajuda de exemplos do dia a dia. Cada capítulo traz um conjunto
de problemas (principalmente, não relacionados à matemática) que visam enfatizar
os princípios e aplicá-los a situações referentes à energia e ao ambiente. Também
estão incluídos muitos dos tópicos padrão encontrados nos livros introdutórios à
física. Como consequência, este livro pode ser utilizado como texto básico de um
curso de física conceitual ou ciência física tendo a energia como o tema central,
como tem sido a nossa prática.
Em segundo lugar, o livro examina diferentes aspectos de cada fonte de energia,
incluindo os princípios envolvidos e as consequências ambientais e econômicas de
seu uso. A energia renovável é abordada no início, depois da transferência de calor,
e praticamente tudo, desde sistemas de aquecimento solar a dispositivos fotovoltai-
cos e geradores eólicos, é analisado.
Os princípios da energia nuclear e o debate sobre o descarte de lixo radioativo
são analisados detalhadamente. No centro da maioria dos esquemas de conversão
de energia estão as máquinas térmicas, por isso, os princípios gerais desta área são
desenvolvidos no começo do livro (Capítulo 4). Os aspectos ambientais da geração
e do uso da eletricidade são outro tema básico. A poluição do ar e o aquecimento
global também são tratados no início, em capítulos separados, assim como alguns
meios pelos quais seu impacto pode ser controlado ou diminuído.
Em terceiro lugar, o livro procura integrar as complexas questões relativas à política
de energia e a possíveis estratégias de energia. Não existem respostas simples ou alter-
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 6 28/2/2014 15:17:17
PrEFÁCIo VII
nativas únicas que possam atender a todas as nossas necessidades referentes à energia,
a preservar nossa prosperidade econômica e a proteger nosso meio ambiente.
São apresentadas questões (muitas delas, não respondidas) ao longo de todo
este livro, com o objetivo de incentivar os leitores a pensarem à frente, de modo
crítico, e talvez até mesmo começarem a desenvolver suas próprias soluções. As
questões “Como você escolheria?”, no começo de cada capítulo, encorajam uma
abordagem mais crítica. O importante tema da conservação da energia é enfati-
zado com exemplos em todo o livro, em vez de em um capítulo separado, porque
o uso eficiente da energia deve ser motivo da maior preocupação em cada área
— da mecânica da energia à transferência de calor e ao uso da eletricidade. São
fornecidas sugestões práticas, as quais esperamos que façam os leitores avalia-
rem, de modo mais efetivo, seu papel no uso mais eficiente da energia.
Muitos livros abordam o tema da energia, mas poucos procuram ensinar prin-
cípios gerais da física e falar das muitas alternativas de fornecimento e de conser-
vação de energia.
Esses temas são apresentados de tal forma que apelam ao crescente público de
líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências, assim como fornecem infor-
mações relevantes aos que estão interessados em ciências e em engenharia.
AbordAgEM
Embora o material neste livro esteja organizado de modo a seguir uma sequência
tradicional, apresentada em um curso de física, tentamos ordenar os tópicos para
que atendessem aos interesses atuais dos estudantes. O aquecimento solar é abor-
dado no começo (Capítulo 6), mas somente após os conceitos de transferência
de calor (Capítulo 4) e de conservação de energia residencial (Capítulo 5) serem
discutidos. Os capítulos 8 e 9 se referem aos aspectos ambientais do uso da energia,
tais como poluição do ar (a partir de fontes estacionárias e móveis), aquecimento
global e poluição térmica. Esses tópicos vêm depois do Capítulo 7, sobre combus-
tíveis fósseis. A física da exploração e da recuperação de petróleo é abordada no
Capítulo 7, como um tópico especial.
A energia fotovoltaica e também a área de energia eólica, atualmente em rápido
crescimento, são apresentadas nos capítulos 10 e 11, sobre produção de energia elé-
trica. Novas tecnologias automotivas incorporando células a combustível e veículos
híbridos e elétricos são discutidas nestes dois capítulos. A fissão nuclear é o assunto
do Capítulo 14, diretamente após um capítulo sobre os fundamentos da física atô-
mica e nuclear. O Capítulo 17 fala sobre o abrangente tópico da biomassa, desde a
combustão de madeira até o tema dos resíduos sólidos em municípios, e também a
produção de combustíveis de álcool a partir do milho.
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 7 28/2/2014 15:17:17
VIII EnErgIA E MEIo AMbIEntE
rECursos
Muitos recursos neste livro foram elaborados para incentivar os estudantes a
compreenderem o papel fundamental da energia em nossa sociedade e as impli-
cações que derivam de seu próprio consumo de energia. O livro foi projetado para
tornar a física e suas aplicações relevantes e interessantes para líderes que atuam
em áreas não relacionadas a ciências. A seguir, uma descrição desses recursos:
• Questões da seção “Como você escolheria?” iniciam cada capítulo descrevendo
uma situação do mundo real na qual se pede ao leitor para que tome uma deci-
são que utiliza os conceitos apresentados no capítulo. Essa questão é revisitada
no final de cada capítulo, com a finalidade de examinar como a aplicação da
ciência ali aprendida afeta a decisão que foi tomada.
• Atividades são experimentos interativos que os estudantes podem realizar em
suas casas ou em seus quartos, utilizando itens comuns. Essas atividades ofere-
cem oportunidades para reforçar experimentalmente o material abordado; elas
são integradas aos capítulos e estão no final de cada um deles. Alguns exemplos
são a construção de um modelo simples, utilizando uma caixa de sapatos, para
examinar o aquecimento solar; um experimento que visa estudar a transferência
de calor a partir de latas de refrigerante isoladas, e a investigação de partículas
atmosféricas. Todas as atividades foram testadas, muitas delas, em workshops
realizados no verão, que nós dirigimos e que foram direcionados a professores
de ciência e tecnologia da escola secundária.
• O uso residencial da energia, que é enfatizado por meio de muitos exemplos
relevantes para os lares. A análise das perdas de calor nas residências e os meios
para reduzi-las são abordados no Capítulo 5. Novas alternativas de iluminação
eficientes são abordadas no Capítulo 10, sobre eletricidade.
• Perspectivas internacionais sobre energia, que são enfatizadas em todo o livro.
Embora o livro tenha como foco principal o uso de energia nos Estados Unidos,
somos parte de uma aldeia global interdependente. Como bem sabemos, even-
tos políticos em outras partes do mundo podem ter efeitos importantes na pró-
pria economia norte-americana. Também dedicamos atenção àquelas pessoas
que vivem nos países em desenvolvimento, onde a energia representa um papel
vital. Os quadros “Foco em”, que destacam aplicações interessantes ou fatos in-
comuns sobre energia, ajudam nesta área. Nós, os autores, temos muitos anos de
experiência trabalhando em países em desenvolvimento (Etiópia, Quênia, Omã,
Catar, Palestina).
Livro_Energia e meio ambiente_5Ed.indb 8 28/2/2014 15:17:17