fisicadompedro: fevereiro 2014

MÓDULOS DIDÁTICOS DE FÍSICAEIXO I: ENERGIA NA TERRA
Tema 1: Energia e vida na Terra

TÓPICO 1: ENERGIA NA VIDA HUMANA
Autor: Márcio Quintão Moreno

CONTEÚDO DO MÓDULO: ENERGIA NA VIDA HUMANA

1.Habilidade
Reconhecer a energia como indispensável à vida individual e à vida social e que a dependência entre vida e energia cresceu continuamente na história da humanidade.

2. Detalhamento da habilidade
2.1 Saber que o termo energia designa um conceito específico da Física, que não coincide, em geral, com seu significado na linguagem comum.
2.2 Compreender a evolução no uso da energia ao longo da história humana e identificar suas diversas fontes, relacionando-as ao desenvolvimento econômico, tecnológico e à qualidade de vida.
2.3 Reconhecer as principais fontes e tipos de energia utilizadas na vida cotidiana e os riscos que podem oferecer à saúde e ao meio ambiente.
2.4 Identificar as principais mudanças que têm ocorrido na matriz energética brasileira.
2.5 Reconhecer as vantagens e desvantagens, em termos de impactos ambientais, das diferentes opções de produção da energia.
2.6 Saber que o consumo da energia distribui-se pelos setores industrial, social e doméstico.
2.7 Compreender como o perfil de consumo de energia se modifica com o desenvolvimento econômico e social de uma nação.
2.8 Compreender que nas sociedades modernas o progresso e a qualidade de vida estão associados ao nível adequado de consumo de energia e à política de distribuição adotada.
2.9 Conhecer e aprender a utilizar algumas unidades de medida da energia.
3. Orientações para o aluno

Este módulo contem um texto, uma lista de questões de revisão e a indicação de fontes de consulta que permitirão ampliar o conhecimento dos assuntos aqui abordados.

4. A energia na história da humanidade

Na época atual observa-se, em todo o mundo, uma inquietação generalizada com a energia: o bem-estar das pessoas depende, cada vez mais, de haver energia acessível; governos, engenheiros e cientistas empenham-se em encontrar fontes de energia duráveis que possam atender ao seu consumo crescente; outros alertam para a necessidade e urgência de aumentar a utilização de energia “limpa”, pois é inegável que o uso de certas fontes de energia tem provocado modificações nocivas em nosso planeta. A questão da energia constitui atualmente, portanto, uma das mais importantes que a humanidade enfrenta.

Em verdade, a energia e seu impacto no meio ambiente acompanham a humanidade desde o início de sua existência. Os humanos primitivos contavam apenas com seus músculos para sobreviver; aos poucos aprenderam a dominar o fogo e a usar a combustão da lenha, que por longos séculos constituiu a principal fonte de energia que dominavam; depois aprenderam a utilizar a energia do vento e da água e de alguns animais. Há pouco mais de duzentos anos ocorreu a grande transformação técnica e social chamada de revolução industrial, que resultou da invenção de aparelhos capazes de produzir energia com mais eficiência do que os equipamentos que existiam naquela época. Essa mudança foi possível graças à utilização intensa de novo combustível – o carvão mineral. Há uns cento e vinte anos apareceram os primeiros aparelhos apropriados para produzir energia elétrica abundante.

O aumento mundial do consumo da energia foi de aproximadamente 2,3% ao ano, a partir de meado do século 19; essa taxa, que é próxima da taxa de aumento populacional. Ela parece muito pequena, mas de fato significou que a cada trinta anos dobrou em nosso planeta o consumo de energia.

A evolução desse consumo em todo o mundo tem comprovado que, quanto maior a nossa capacidade para produzir energia, tanto maiores são as alterações que provocamos no meio ambiente.

5. Energia: os vários significados da palavra

Energia é uma palavra que em ciência designa uma propriedade observada nas transformações que continuamente ocorrem na natureza. Mas, como muito outros termos, ela tem significados diferentes noutros contextos.

Quando lemos no jornal que a autoridade policial agirá com energia contra os assaltos em determinada região da cidade, ninguém confundirá o significado da palavra energia nesse caso com o sentido que ela possui na Física. Quando dizemos, por exemplo, que a energia de um caminhão que trafega com a velocidade de 40 km/h é maior do que a de um pequeno automóvel que tenha a mesma velocidade, utilizamos a palavra energia para designar uma propriedade física e não o comportamento de uma pessoa .

Tal situação é idêntica à que encontramos ao dizer que o pico do Itacolomi é bastante elevado, pois tem 1.800 metros de altura, e ao lermos no jornal que neste mês os preços dos derivados de leite estão muito elevados.

Os exemplos desse tipo podem se multiplicar à nossa vontade. Apesar dessa multiplicidade de sentidos que uma certa palavra pode adquirir, isto não nos impede de utiliza-la. Essas situações são inevitáveis, porque para nos comunicarmos uns com os outros – inclusive os cientistas entre si – não temos outra alternativa a não ser usar a linguagem comum.

Em Física, como em outros ramos da ciência, utilizamos numerosos termos dessa linguagem com significados muito diferentes dos habituais. A questão importante é saber identificar com clareza qual o sentido que a palavra adquire em determinado contexto. A Física estuda propriedades quantitativas dos processos naturais e muitos dos seus conceitos podem ser expressos em termos matemáticos, isto é, existem fórmulas (equações) matemáticas que identificam com precisão o significado das palavras, evitando-se com isso toda ambiguidade. Vejamos dois exemplos.

1) Em Física distinguem-se vários tipos de energia, dois dos quais são a energia cinética e o outro a energia potencial gravitacional. A primeira refere-se ao produto ½Mv2, em que M é a massa de um corpo que se move com a velocidade v; a segunda designa o produto Mgh, no qual M é a massa de um corpo que se encontra à altura h acima de um determinado nível de referência e g é a aceleração adquirida por esse corpo se ele for solto e puder cair livremente.

2) Outra palavra amplamente utilizada em Física é momento. Na linguagem comum, ela designa um pequeníssimo intervalo de tempo. Em Física essa palavra tem, além desse significado, vários outros, um dos quais é o momento de um corpo de massa M que esteja em movimento com velocidade v, ao qual corresponde a expressão Mv, isto é, o produto da massa do corpo pela sua velocidade; esse conceito também é conhecido como quantidade de movimento do corpo.Outro uso em Física da palavra momento é no caso de momento de uma força, que se refere ao produto Fr, em que F indica a magnitude da forçaaplicada a um corpo e r distância dessa força a um eixo em torno do qual o corpo pode girar.

Os conceitos apresentados nos exemplos acima serão posteriormente estudados mais detalhadamente e explicadas as vantagens que oferecem na compreensão da natureza.

As equações matemáticas podem ser vistas também como abreviações adotadas pelos cientistas, evitando que tenham de recorrer a longas frases, como você terá oportunidade de aprender.

Deve-se esclarecer desde já que aprender Física não significa ter de decorar muitas fórmulas; certamente algumas deverão ser conhecidas com familiaridade, porém o mais importante é compreender o que elas significam, ou seja, entender como elas descrevem o comportamento dos corpos no mundo material.

6. A evolução das fontes de energia no Brasil

O consumo de energia em nosso País, como no resto do mundo, aumentou à taxa média de aproximadamente 2,3 % ao ano, nos últimos 30 ou 40 anos.

Nos países industrializados da Europa e nos Estados Unidos, grande parte da energia utilizada provém de combustíveis produzidos noutros lugares, isto é, essas nações têm de importar a maior parte dos combustíveis de que necessitam. Nos séculos passados a lenha era nesses países a grande e quase única fonte de energia, mas depois de centenas de anos de desmatamento esgotou-se a reserva vegetal nativa de que dispunham; a partir do século 17, começou a ser usado o carvão mineral, utilização intensificada nos séculos seguintes e que se mantém ainda hoje em larga escala. O uso do petróleo só se tornou frequente no final do século 19 e intensificou-se enormemente a partir de aproximadamente 1950, isto é, depois da segunda guerra mundial.

No caso brasileiro, cerca de 80% da energia consumida é gerada aqui mesmo; a importação é responsável pelos restantes 20% de nossas necessidades energéticas, consistindo principalmente em alguns tipos de petróleo, de gás natural e carvão mineral. Há em nosso País reservas consideráveis de carvão mineral, porém de baixa qualidade.

Várias circunstâncias explicam essa situação relativamente cômoda em nosso País com relação à energia, conforme dados divulgados pelo Ministério de Minas e Energia sobre o perfil do consumo de energia entre nós. Uma delas é a abundância de água, que permite a geração de eletricidade em usinas hidroelétricas: em torno de 36% da energia total consumida aqui provem de usinas desse tipo.

O petróleo é responsável por cerca de 33% da energia que utilizamos. Graças aos progressos na prospecção e exploração de petróleo – principalmente no fundo do mar, a profundidades superiores a 1.000 metros – hoje o Brasil é quase independente da importação desse combustível.

A terceira fonte de energia, responsável por 19% do consumo nacional, é a que provém da biomassa, isto é, de organismos vegetais e animais, como é o caso da cana de açúcar, utilizada para produzir álcool.

Essas três fontes de energia – hidroeletricidade, petróleo e biomassa – contribuem com 88% da demanda de energia em nosso País. Os 12% restantes são atendidos pelo carvão, o gás natural, a energia nuclear e outras fontes que não ultrapassam 1% do total.

O gráfico abaixo mostra como tem evoluído o consumo de energia no Brasil. É fácil ver que a utilização da lenha reduziu-se drasticamente: em 1970 ela representava 41% do consumo e em 1998 essa participação reduziu-se a 8%, isto é, reduziu-se à quinta parte em pouco menos de 30 anos. Inversamente, a hidroeletricidade representava 15% do consumo de 1970 e subiu para 38% em 1998, ou seja, aumentou de quase uma vez e meia.

Um dos critérios adotados pelos economistas para avaliar o grau de industrialização de um país consiste em calcular qual o consumo anual de energia por habitante. Existe uma enorme diferença nesse consumo entre países do “primeiro mundo” (o que significa: os Estados Unidos, a maioria dos países europeus, a Austrália e o Japão) e os países “em desenvolvimento”, como o Brasil e diversas outras nações da América Latina, da África e da maioria da Ásia. Adotou-se como referência a tonelada de petróleo equivalente (abreviada como tep), isto é, quantas toneladas de petróleo produzem, quando queimado, a mesma quantidade de energia que determinada outra fonte. De acordo com esse critério, nos países europeus o consumo anual de energia por habitante vale, em média, 5,5 tep e nos Estados Unidos é de 7 tep; no Brasil, esse consumo é de apenas 1,4 tep, várias vezes menor, como se vê, do que nos países mencionados.

7. Vantagens e desvantagens das diferentes fontes de energia

As diversas fontes de energia de que lançamos mão para nossas necessidades podem ser examinadas sob vários critérios.

Um desses é quanto à sua durabilidade.

Os casos mais importantes são os do petróleo e do carvão mineral, ambos os quais resultam da decomposição de organismos animais e vegetais que viveram em nosso planeta no passado distante, sob o efeito de altas pressões e altas temperaturas, durante milhões de anos. O petróleo já foi uma das mais abundantes fontes de energia, mas seu uso crescente, nos últimos 100 anos, diminuiu consideravelmente as reservas. É certo que o petróleo se esgotará, a única dúvida sendo que tempo resta para que isso aconteça; a situação do petróleo é semelhante à da produção de lenha, já mencionada: a intensa destruição das florestas na Europa, durante séculos, provocou sua quase extinção.

Existem ainda reservas enormes de carvão mineral e em muitos países europeus ele continua a constituir a principal fonte de energia.

O Brasil deixou de ser um país de abundantes florestas nativas, pois grande parte da sua área já foi completamente devastada. Apenas na Amazônia existe ainda uma cobertura florestal importante, mas mesmo esta está ameaçada, devido às imensas e irresponsáveis queimadas destinadas a transformar enormes áreas da floresta amazônica em pastagens e pela exploração predatória da madeira em outras áreas. Em parte, tal situação é provocada por incentivos governamentais errados, adotados há muitos anos.

Outras fontes de energia, como as quedas d´água, os ventos e a energia solar, ao contrário, têm a seu favor uma durabilidade muito maior, porque se devem a processos naturais renováveis, isto é, que refazem ou não se esgotarão em prazo previsível. (A geração hidráulica e eólica de energia elétrica é uma forma de utilizar a energia recebida do Sol, devido à qual criam-se as quedas d´água e os ventos). Há também quem considere a energia nuclear como renovável, porque as reservas de urânio conhecidas, embora obviamente sejam finitas, asseguram “combustível” nuclear por muitos séculos. O próprio Sol, em rigor, é uma fonte não renovável de energia, porquanto ele se extinguirá dentro de mais alguns bilhões de anos.

Outro modo de avaliar as vantagens e desvantagens de determinado tipo de energia consiste em analisar as modificações que seu uso provoca no meio ambiente, ou, utilizando a denominação própria, o impacto ambiental que produz. Sob esse aspecto, o petróleo e o carvão devem ser condenados, pois a queima desses combustíveis tem provocado crescente envenenamento da atmosfera terrestre, onde se acumulam várias substâncias nocivas, originadas dessa queima. Entre elas, duas são especialmente importantes: o anidrido carbônico ou dióxido de carbono (fórmula química: CO2) e o enxofre (símbolo químico: S).

O anidrido carbônico é produzido em quantidades anuais crescentes, devido, sobretudo ao aumento incessante do número de veículos que utilizam como combustível os derivados do petróleo. A acumulação de CO2 na atmosfera está provocando uma consequência danosa, chamada efeito estufa nocivo, que consiste no aumento da temperatura em todo o planeta, do que resultam, entre outros efeitos, modificações indesejáveis no clima.

A outra substância que se acumula na atmosfera terrestre, tendo efeito deletério, é o enxofre, que resulta da queima do petróleo e principalmente do carvão. Na atmosfera o enxofre combina-se com outras substâncias e volta ao solo sob a forma de chuva ácida, que afeta gravemente a vegetação, pois impede a fotossíntese, que é o processo pelo qual a energia que recebemos do Sol como radiação se transforma em energia química. Em outras palavras, os vegetais se formam e vivem graças à transformação da luz solar em celulose.

Nenhuma fonte de energia é destituída de efeitos inconvenientes ao meio ambiente. Considere-se o caso das usinas hidroelétricas, que são fontes de energia cujo impacto ambiental é muito menor do que o provocado pelo petróleo e o carvão. Mas também as hidroelétricas produzem efeitos indesejáveis, dois dos quais são a inundação de grandes áreas, parte das quais é de solo fértil, assim como obrigam à transferência de milhares de famílias, nem sempre deslocadas em situação favorável.

A energia nuclear é um exemplo de energia que não produz os inconvenientes mencionados acima, mas que apresenta outras consequências sérias. A energia nuclear provem de uma transformação dos núcleos dos átomos de certos elementos químicos, principalmente o urânio (símbolo químico: U), devido à qual há a liberação de enorme quantidade de energia, que é utilizada na produção de vapor para acionar os geradores de eletricidade. Um dos inconvenientes da energia nuclear é que os rejeitos da transformação do urânio são substâncias químicas que emitem radiações nocivas e de longa duração (algumas durante milhões de anos). Essas substâncias, que formam o chamado “lixo nuclear”, requerem armazenamento extremamente complicado e um sistema eficaz de vigilância sobre os locais onde sejam depositadas, o que encarece de modo considerável a produção desse tipo de energia. Em nosso País a participação da energia nuclear no consumo energético ainda é muito pequena, mas deve triplicar dentro de uns 20 anos, a fim de atender ao crescimento econômico previsto para esse prazo. Em outros países, no entanto, a energia nuclear já constitui a principal fonte de energia: é o caso da França, onde 80% da energia consumida tem origem nuclear.

8. A distribuição da energia na sociedade

A energia desempenha na vida econômica uma função semelhante à do ar que devemos respirar para continuarmos vivos.

A indústria é a maior consumidora de energia. A produção de alimentos e bebidas, de cerâmica e cimento, a metalurgia e a mineração, a produção de tecidos e de papel, entre numerosas outras, são exemplos bem conhecidos de atividade industrial, que em 2002 absorveu 37% de toda a energia disponível em nosso País.

O sistema de transportes – rodoviário, aéreo e hidroviário – foi responsável pelo consumo de 27% da energia oferecida no mesmo ano. Como é bem sabido, a maior parte (cerca de 70%) das cargas são transportadas em nosso País nas rodovias, que se tornaram um poderoso agente poluidor da atmosfera.

A demanda residencial figura em terceiro lugar, tendo consumido 12% da energia disponível em nosso País em 2002; os restantes 24% da energia consumida nesse ano reparte-se em diversos outros setores, entre eles o agrícola.

Uma característica da produção de energia no Brasil é particularmente importante: quase 90% da energia elétrica que consumimos é produzida em usinas hidroelétricas, tipo de energia que, já foi mencionado antes, é das mais “limpas”. Poucos outros países dispõem dessa grande vantagem: em todo o mundo, apenas o Canadá e a Noruega também geram em usinas hidroelétricas a maior parte da energia elétrica que utilizam. Nos demais países a eletricidade provem de usinas termoelétricas, isto é, usinas que utilizam o vapor de água para gerar eletricidade mediante a queima de carvão mineral ou de derivados do petróleo; 67% da energia mundial é assim produzida e outros 17% provêm de usinas nucleares.

9. Energia e qualidade de vida

No longo período em que o Brasil foi colônia de Portugal, como aconteceu também em todos os outros países colonizados pelas nações europeias, a quase totalidade dos produtos industrializados eram importados, o que obviamente permitiu o florescimento apenas das indústrias dos países colonizadores. Aqui pouca coisa era produzida e quase sempre por métodos artesanais.

Durante a época do Brasil-colônia, o governo português proibiu sistematicamente que se organizassem manufaturas em nosso País, assim como jamais organizou um sistema educacional adequado; as poucas escolas elementares que havia destinavam-se a ensinar alguns rudimentos de escrita e cálculo e o catecismo católico. Não era autorizada nem a publicação nem a importação de jornais ou de livros; basta lembrar que a primeira tipografia só pôde ser montada no Brasil no final do século 18 (depois de quase trezentos anos de colonização!), mas existiu por apenas alguns meses Ela foi destruída por ordem do governo português.

Esses dados permitem compreender porque foi tão atrasada a implantação de indústria no Brasil (assim como nos demais países colonizados). Mesmo depois de o governo português haver se transferido para cá, nos primeiros anos do século 19, devido à invasão de Portugal pelas tropas de Napoleão Bonaparte, decorreu um longo prazo antes de sermos capazes de implantar uma economia capaz de oferecer os produtos que constituem parte das condições de vida satisfatórias para a população. Um historiador brasileiro lembra, a propósito, que o desinteresse pela natureza e o horror à atividade manual foram características da corte portuguesa que se transferiu para “a Colônia, com os costumes, os usos, a religião e a mentalidade da nobreza, para a qual liberdade se tornou sinônimo de ociosidade e o trabalho qualquer coisa de equivalente à servidão.

A transferência do governo português para o Brasil não poderia produzir o milagre de transformar uma economia baseada no trabalho de escravos em economia moderna, como é comprovado pela resistência que sofreram, durante o século 19, as iniciativas de modernização que foram tentadas em nosso País.

A IMPLANTAÇÃO DA INDÚSTRIA NO BRASIL

Irineu Evangelista de Souza (visconde de Mauá) nasceu em Arroio Grande, no Estado do Rio de Janeiro, em 1813, e faleceu em Petrópolis, no mesmo Estado, em 1889. Foi empresário, industrial, banqueiro e político de grande visão, tornando-se pioneiro em várias áreas da economia brasileira. Uma de suas maiores realizações foi ter empreendido a construção da primeira ferrovia brasileira, a Estrada de Ferro Mauá, no Estado do Rio de Janeiro, inaugurada em abril de 1854 (dois anos e meio antes de ser inaugurada a primeira ferrovia em Portugal!). De origem humilde, sua ascensão social resultou de seus próprios méritos e de suas iniciativas, graças aos quais tornou-se um dos homens mais importantes do País em sua época. Foi incompreendido pela sociedade rural e escravocrata em que viveu, mas atualmente é considerado o símbolo dos empreendedores brasileiros do século 19. Foi precursor da valorização da mão-de-obra, do investimento em tecnologia, das transnacionais brasileiras, da globalização, do multi-lateralismo e pioneiro no que veio a ser o atual Mercosul. Modesto, só conhecemos sua biografia graças à exposição de motivos que apresentou aos credores e ao público em 1887, ano em que faliu.

Os nossos atuais meios de transporte, assim como grande parte dos equipamentos ainda utilizados nas nossas indústrias e residências, foram inventados quando a energia disponível era abundante e barata e os efeitos que produziam no meio ambiente eram desconhecidos ou subestimados. Muitas dessas fábricas foram transferidas para cá, enquanto os países de origem inventavam e desenvolviam equipamentos e processos mais eficientes; em outros termos, em grande parte “herdamos” apenas a capacidade de produzir, por muitos anos, bens de consumo de qualidade inferior e pequena durabilidade.

Essa breve referência à história econômica de nosso País tem a finalidade de destacar a urgência de aperfeiçoar métodos e equipamentos que produzam ou utilizem a energia. Em todos os países que já alcançaram certo nível de industrialização, empresas e laboratórios governamentais desenvolvem estudos que visam a aumentar a eficiência na transformação da energia primária em energia útil (a energia primária é a que existe no petróleo, no carvão, na lenha, nos ventos etc.). Isto significa uma enorme pauta de itens, como exemplifica a lista parcial abaixo:

melhorar o desempenho dos motores e das engrenagens, de caldeiras e dutos;
aperfeiçoar o controle dos processos de conversão da energia e de aquecimento;
desenvolver novos projetos de casas e edifícios que poupem materiais e energia;
fabricar aparelhos domésticos mais eficientes, tais como fornos, refrigeradores, condicionadores de ar, lavadoras, televisores, etc.;
desenvolver novos sistemas de iluminação e de isolamento acústico e térmico para residências e edifícios ;
produzir veículos que utilizem menos combustíveis para o mesmo percurso;
produzir combustíveis menos prejudiciais ao meio ambiente.

A lista que se pode fazer é muito maior, está claro, pois não há praticamente nenhum objeto ou processo que utilizamos hoje que não possa ser melhorado no que se refere ao uso da energia, para que ele opere com maior eficiência ou que diminua o impacto ambiental que provoca.

A solução desses problemas terá imensa importância nos próximos decênios, pois alcançar os aperfeiçoamentos exigidos pelo uso mais inteligente da energia será um dos principais fatores para salvarmos nosso planeta – e, portanto, a nós próprios - do desastre ambiental que nos ameaça.

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terça-feira, 11 de fevereiro de 2014

Vídeo - Tópico 1 - Energia na Vida Humana

Exercícios - Tópico 1 - Energia na vida humana

segunda-feira, 3 de fevereiro de 2014

Tópico 1 - Energia na Vida Humana

A IMPLANTAÇÃO DA INDÚSTRIA NO BRASIL

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