Questão 3

Usina Termoelétrica ou Usina Termelétrica
É uma instalação industrial usada para geração de energia elétrica/eletricidade a partir da energia liberada em forma de calor, normalmente por meio da combustão de algum tipo de combustível renovável ou não renovável. Outras formas de geração de eletricidade são energia solar, energia eólica ou hidrelétrica.
Geralmente algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão é queimado na camara de combustão. O vapor movimenta as pás de uma turbina, cada turbina é conectada a um gerador que gera eletrecidade.
Há vários tipos de usinas termelétricas, sendo que os processos de produção de energia são praticamente iguais porém com combustíveis diferentes. Alguns exemplos são:
• Usina a óleo;
• Usina a carvão;
• Usina nuclear; e
• Usina a gás: usa gás natural como o combustível para alimentar um turbina de gás. Porque os gases produzem uma alta temperatura atraves da queima, e são usados para produzir o vapor
para mover uma segundo turbina, e esta por sua vez de vapor. Como a diferença da temperatura, que é produzida com a combustão dos gases liberados torna-se mais elevada do que uma turbina do gás e por vapor, portanto os rendimentos obtidos são superiores, da ordem de 55%.

Termoelétrica de Cuiabá

Impactos Ambientais
Como vários tipos de geração de energia, a termeletricidade também causa impactos ambientais. Contribuem para o aquecimento global através do efeito estufa e da chuva ácida. A queima de gás natural lança na atmosfera grandes quantidades de poluentes, além de ser um combustível fóssil que não se recupera.
O Brasil lança por ano 4,5 milhões de toneladas de carbono na atmosfera, com o incremento na construção de usinas termelétricas esse indicador chegará a 16 milhões.
As termoelétricas apresentam um alto custo de operação, em virtude do dinheiro utilizado na compra de combustíveis.
Vantagens:
 - Em comparação com usinas hidrelétricas, são mais rápidas para se construir, podendo assim suprir carências de energia de forma mais rápida;
- Podem ser instaladas em locais próximos às regiões de consumo, reduzindo o custo com torres e linhas de transmissão;
- São alternativas para países que não possuem outros tipos de fontes de energia.
Desvantagens:
- Como são usados combustíveis fósseis para queimar e gerar energia, há uma grande liberação de poluentes na atmosfera. Estes poluentes são responsáveis pela geração do efeito estufa e do aumento do aquecimento global. Portanto, este tipo de energia é altamente prejudicial ao meio ambiente.
- Outra desvantagem é que o custo final deste tipo energia é mais elevado do que a gerada em hidrelétricas, em função do preço dos combustíveis fósseis.

Questão 2

O maior benefício das máquinas a vapor foi a queda de preço do produtos, o aumento da produção e maior rapidez e possibilitou o desenvolvimento de indústrias e novas tecnologias e abriu oportunidades comerciais para os países. Mas os prejuízos são muitos. Trabalhadores perderam o seu emprego, iniciou-se a poluição das cidades.

Questão 1

Física é a ciência que estuda a natureza e seus fenômenos em seus aspectos mais gerais. Analisa suas relações e propriedades, além de descrever e explicar a maior parte de suas consequências. Busca a compreensão científica dos comportamentos naturais e gerais do mundo em nosso torno, desde as partículas elementares até o universo como um todo. Com o amparo do método científico e da lógica, e tendo a matemática como linguagem natural, esta ciência descreve a natureza através de modelos científicos. É considerada a ciência fundamental, sinônimo de ciência natural: as ciências naturais, como a química e a biologia, têm raízes na física. Sua presença no cotidiano é muito ampla, sendo praticamente impossível uma completíssima descrição dos fenômenos físicos em nossa volta. A aplicação da física para o benefício humano contribuiu de uma forma inestimável para o desenvolvimento de toda a tecnologia moderna, desde o automóvel até os computadores quânticos. Historicamente, a afirmação da física como ciência moderna está intimamente ligada ao desenvolvimento da mecânica, que tem como pilares principais de estudo a energia mecânica e os momentos linear e angular, suas conservações e variações. Desde o fim da Idade Média havia a necessidade de se entender a mecânica, e os conhecimentos da época, sobretudo aristotélicos, já não eram mais suficientes. Galileu centrou seus estudos dos projéteis, dos pêndulos e nos movimentos dos planetas, e Isaac Newton elaborou mais tarde os princípios fundamentais da dinâmica ao publicar suas leis e a gravitação universal em seu livro Principia, que se tornou a obra científica mais influente de todos os tempos. A termodinâmica, que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume em escala macroscópica, teve sua origem na invenção das máquinas térmicas durante o século XVIII. Seus estudos levaram à generalização do conceito de energia. A ligação da eletricidade, que estuda cargas elétricas, com o magnetismo, que é os estudo das propriedades relacionadas aos ímãs, foi percebida apenas no início do século XIX por Hans Christian Ørsted. As descrições físicas e matemáticas da eletricidade e magnetismo foram unificadas por James Clerk Maxwell, e a partir de então estas duas áreas, juntamente com a óptica, passaram a ser tratadas como visões diferentes do mesmo fenômeno físico, o eletromagnetismo. No início do século XX, a incapacidade da descrição e explicação de certos fenômenos observados, como o efeito fotoelétrico, levantou a necessidade de abrir novos horizontes para a física. Albert Einstein publicou a teoria da relatividade geral em 1915, afirmando a constância da velocidade da luz e suas consequências até então imagináveis. A teoria da relatividade de Einstein leva a um dos princípios de conservação mais importantes da física, a relação entre massa e energia, expressa pela famosa equação E=mc². A relatividade geral também unifica os conceitos de espaço e tempo: a gravidade é apenas uma consequência da deformação do espaço-tempo causado pela presença de massa. Max Planck, ao estudar a radiação de corpo negro, foi forçado a concluir que a energia está dividida em "pacotes", conhecidos como quanta. Einstein demonstrou fisicamente as ideias de Planck, fixando as primeiras raízes da mecânica quântica. O desenvolvimento da teoria quântica de campos trouxe uma nova visão da mecânica das forças fundamentais. O surgimento da eletro e cromodinâmica quântica e a posterior unificação do eletromagnetismo com a força fraca a altas energias são a base do modelo padrão, a principal teoria de partículas subatômicas e capaz de descrever a maioria dos fenômenos da escala microscópica que afetam as principais áreas da física. A física é uma ciência significativa e influente e suas evoluções são frequentemente traduzidas no desenvolvimento de novas tecnologias. O avanço nos conhecimentos em eletromagnetismo permitiu o desenvolvimento de tecnologias que certamente influenciam o cotidiano da sociedade moderna: o domínio da energia elétrica permitiu o desenvolvimento e construção dos aparelhos elétricos; o domínio sobre as radiações eletromagnéticas e o controle refinado das correntes elétricas permitiu o surgimento da eletrônica e o consequente desenvolvimento das telecomunicações globais e da informática, que são indissociáveis da definição de sociedade civilizada contemporânea. O desenvolvimento dos conhecimentos em termodinâmica permitiu que o transporte deixasse de ser dependente da força animal ou humana graças ao advento dos motores térmicos, que também impulsionou toda uma Revolução Industrial. Nada disso seria possível, entretanto, sem o desenvolvimento da mecânica, que tem suas raízes ligadas ao próprio desenvolvimento da física. Porém, como qualquer outra ciência, a física não é estática. Físicos ainda trabalham para conseguir resolver problemas de ordem teórica, como a catástrofe do vácuo. gravitação quântica, termodinâmica de buracos negros,dimensões suplementares, flecha do tempo, inflação cósmica e o mecanismo de Higgs, que prevê a existência do bóson de Higgs, a única partícula ainda não descoberta do modelo padrão que explicaria a massa das partículas subatômicas. Ainda existem fenômenos observados empiricamente e experimentalmente que ainda carecem de explicações científicas, como a possível existência da matéria escura, raios cósmicos com energias teoricamente muito altase até mesmo observações cotidianas como a turbulência.

A Revolucionária Máquina a Vapor

MÁQUINAS TÉRMICAS 

A palavra máquina origina-se do grego mechane que significa qualquer dispositivo engenhoso ou invenção. Uma máquina é definida como um aparelho composto por várias partes com funções definidas.
Heron de Alexandria, que viveu por volta de 130 A.C., era um grande inventor. Catalogou os primeiros instrumentos chamados de máquinas simples: a alavanca, a roda e eixo, a roldana, a cunha e a rosca.
A máquina térmica é um dispositivo que transforma a energia interna de um combustível em energia mecânica. Também pode ser definida como o dispositivo capaz de converter calor em trabalho.
Tanto as máquinas térmicas a vapor, que operam com o vapor d'água produzido em uma caldeira, quanto às máquinas térmicas de combustão interna que operam devido aos gases gerados pela queima de combustíveis, têm seu funcionamento baseado no aumento da energia interna das substâncias envolvidas e no trabalho realizado, e tanto a energia interna, quanto o trabalho, dependem da quantidade de energia na forma de calor que foi transferida à substância.


As máquinas térmicas fazem conversão de energia? 
As máquinas devem realizar trabalho mecânico como elevar, movimentar ou misturar e seu funcionamento depende de um combustível, ou fonte de energia, logo elas transformam algum tipo de energia em energia mecânica.
Em geral, elas convertem a energia do combustível em energia térmica de um gás através do processo de combustão e o gás se expande, realizando trabalho enquanto sua temperatura diminui. 

Há conservação de energia nas máquinas térmicas? 
A conservação de energia é um Princípio que se aplica a qualquer sistema, assim como a conservação de massa.
As máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, pois parte da energia na forma de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (T). Esta é a parte de energia útil. A outra parte é transformada em variação de energia interna, U, esta parte representa a quantidade de energia degradada ou não aproveitada, de modo que: Q = T + U.
Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida. 

E se realizarmos trabalho ao invés de adicionarmos calor ao sistema?
Segundo a Primeira Lei da Termodinâmica, deverá haver um aumento da energia interna. Esse é um caso simples que ocorre em nossa vida diária quando, por exemplo, esfregamos as mãos. O trabalho mecânico que realizamos faz com que a energia interna aumente e a mão se aqueça. O mesmo ocorre quando enchemos o pneu de uma bicicleta com uma bomba manual. 

É possível construir uma máquina que realize trabalho continuamente sem consumo de energia?
Uma máquina deste tipo chama-se moto-perpétuo ou moto contínuo e produziria trabalho a partir do nada. Isto é impossível, pois viola o Princípio da Conservação da Energia ou a Primeira Lei da Termodinâmica.
Máquinas em movimento perpétuo foram procuradas por muitos inventores e cientistas, inclusive Leonardo da Vinci. Porém, um moto contínuo não existe, pois sempre haverá perda de energia ou por atrito das peças ou por resistência do ar.
Uma polia simples, por exemplo, seria um moto contínuo se, em condições ideais (sem atrito no eixo e sem resistência do ar), girasse indefinidamente, não realizando trabalho e nem trocando calor com o meio, logo pela Primeira Lei, 0=0+U, assim U = 0, o que não viola a conservação de energia.
Só que nas máquinas reais, uma parte da energia é degradada a cada ciclo e, então, um moto-perpétuo, para funcionar teria que criar energia, o que viola o Princípio da Conservação de Energia ("A energia não pode ser criada nem destruída apenas transformada de uma forma em outra").
Mesmo que toda a energia fornecida ao sistema fosse conservada, apenas uma parte seria reaproveitada para a realização de trabalho, pois pela Segunda Lei da Termodinâmica nenhuma máquina térmica converte todo calor em trabalho.
Uma máquina funciona continuamente porque opera em CICLOS, ou seja, retorna ao seu estado inicial passando por etapas intermediárias em certo intervalo de tempo.

Como é uma máquina térmica?
Basicamente, uma máquina térmica é constituída por dois reservatórios, como mostra a figura. O calor flui do reservatório à temperatura elevada (fonte quente) para o reservatório à temperatura mais baixa (fonte fria), obedecendo a Segunda Lei da termodinâmica e transformada parte do calor que sai da fonte quente em trabalho. 


Se só uma parte do calor foi convertida em trabalho, para onde foi o resto? 
A parte de calor que não foi utilizada para a realização de trabalho é cedida para a fonte fria ou é dissipada, portanto, uma máquina térmica nunca rende o máximo.
A Segunda Lei da Termodinâmica que diz que é impossível transformar todo calor em trabalho reflete o fato de que nenhuma máquina térmica tem 100% de eficiência, portanto, o rendimento de tais máquinas é sempre inferior a 100%.

Como sabemos o quanto pode render uma máquina térmica? 
Podemos calcular o rendimento de uma máquina térmica se sabemos o quanto de trabalho ela produz (T) e o quanto de calor foi fornecido pela fonte quente (Q).
Matematicamente, podemos expressar o rendimento (R) por: R=T/Q, que resulta sempre em um valor menor do que 1 ou 100%.
Se uma máquina recebe um calor Q1 da fonte quente, cede um calor Q2 para a fonte fria e realiza um trabalho (T), segundo o Princípio da conservação de energia: Q1 = T + Q2, logo o trabalho será: T = Q1 - Q2 e, portanto, o rendimento desta máquina será calculado por: 
ou seja, , o que deixa claro que sua eficiência é
menor do que um.
Obs.: a utilização do módulo de Q2 é necessária em função da Primeira Lei.
Lembre-se: se o sistema recebe calor, a quantidade de calor é positiva (Q>0) e se o sistema cede calor, a quantidade de calor é negativa (Q<0);
Nicolas Leonard Sadi Carnot, engenheiro francês, imaginou um ciclo ideal (Ciclo de Carnot), onde a eficiência da conversão de energia térmica em trabalho mecânico é máxima, mas com seus estudos, logo percebeu que não havia como evitar a perda de uma quantidade de calor em qualquer máquina a vapor, o que foi a base para a Segunda Lei da termodinâmica. 

MÁQUINA A VAPOR
A primeira ideia de máquina a vapor foi à chamada "aeolipile", feita por Heron de Alexandria. Consistia em uma pequena esfera de cobre com dois caninhos torcidos, conforme mostra a figura, e que continha água em seu interior. Colocada sobre um tripé e sobre o fogo, a água fervia e o vapor que saia pelos caninhos fazia com que a esfera rodasse. 
A primeira verdadeira máquina térmica é legada ao físico francês Denis Papin que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho semelhante à panela de pressão e, para evitar que explodisse, concebeu a primeira válvula de segurança conhecida. 
Em 1698, mais de mil anos após a máquina de Heron, surgiu à primeira máquina a vapor de interesse industrial, elaborada por Thomas Savery, um engenheiro militar inglês. Essa máquina tinha por objetivo retirar água dos poços de minas de carvão, porém poderia explodir devido à utilização de vapor a alta pressão. 




Por volta de 1712, o inglês Thomas Newcomen, aperfeiçoando as máquinas de Savery e Papin, idealizou uma nova máquina térmica que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas. Sua máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII.



Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível. Foi, então, que elaborou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, pois o movimento de rotação substituiu o de sobe e desce.
A máquina de Watt que também servia à fundição e às minas de carvão teve grande êxito e acabaram substituindo as máquinas de Newcomen, pois além da versatilidade, consumiam três vezes menos carvão que essas. Para alguns, foi à máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial. 
Foi James Watt que fixou o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina. Na época, considerou a carga que um cavalo poderia elevar. Hoje o cavalo-vapor é à potência necessária para elevar um metro de altura uma massa de 75 kg em um segundo. 

Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas fez uma locomotiva de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão. 


O motor a vapor foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX e início do século XX, por mais ou menos 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945.
O motor a vapor é uma máquina que transforma a energia térmica do vapor em energia mecânica utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt. O combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão