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Capacidade das Pilhas 1/15
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Capacidade das Pilhas
Será que a energia tabelada corresponde à
realidade?
Projeto FEUP 2014/2015
Mestrado integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores:
Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo
Equipa MIEEC01_03:
Supervisor: Paulo Costa Monitor: Jorge Bessa
Estudantes & Autores:
André Reis [email protected] Daniel Fernandes [email protected]
Hugo Teixeira [email protected] Mariana Silva [email protected]
Tiago Neto [email protected]
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Resumo
A Unidade Curricular Projeto FEUP tem como finalidade a aprendizagem de vários
conhecimentos e o desenvolvimento de capacidades necessárias ao quotidiano de futuros
engenheiros. Dentro desses conhecimentos e capacidades podemos destacar o trabalho de
equipa, tendo também este projeto promovido uma boa ambientação à Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto.
Com base nesses conhecimentos foi desenvolvido este relatório tendo ele como
principal tema as pilhas. O objetivo fulcral deste mesmo é a comparação entre a energia real
debitada versus a energia tabelada.
Na introdução dá-se destaque ao fundamental papel das pilhas na sociedade atual e da
nossa dependência na sua energia.
No corpo do relatório aprofundou-se certos conteúdos teóricos sobre o funcionamento
de uma pilha e outros aspetos mais técnicos, como por exemplo, as diferenças entre pilhas
recarregáveis e não recarregáveis. Também foram realizados os respetivos cálculos e
apresentação dos resultados.
Por fim e como conclusão foi apresentado a resposta à pergunta acima questionada:
“Será que a energia tabelada corresponde à realidade?”.
Palavras-Chave
Pilha recarregável e descartável; Bateria; Eletricidade; Energia química; Níquel-metal;
Capacidade energética; Potência elétrica; Intensidade da corrente elétrica.
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Agradecimentos
Este grupo gostaria de agradecer a todos os que, direta ou indiretamente, se
envolveram na realização deste relatório, com especial apreço ao professor orientador
Paulo Costa e ao monitor Jorge Bessa pela disponibilidade e competência que
demostraram, além do auxilio prestado.
Deixa-se ainda um agradecimento à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
e a todos os professores e monitores envolvidos nas palestras e atividades do Projeto FEUP
pela formação dada, que foi muito útil, não só à realização deste relatório, mas também à
integração e ambientação nesta instituição.
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Índice
Lista de acrónimos .......................................................................................................... 5
Glossário ........................................................................................................................ 6
1. Introdução ................................................................................................................... 7
2. Pilhas .......................................................................................................................... 8
2.1 Funcionamento...................................................................................................... 8
2.2. Capacidade .......................................................................................................... 9
2.3. Pilhas descartáveis e recarregáveis ..................................................................... 9
2.4. Influência da temperatura na descarga .............................................................. 10
2.5. Auto-descarga .................................................................................................... 10
3. Experiência ............................................................................................................... 11
3.1 Equações ............................................................................................................ 11
3.2 Gráficos ............................................................................................................... 12
4. Resultados ................................................................................................................ 13
5. Conclusões ............................................................................................................... 14
Referências bibliográficas ............................................................................................. 15
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Lista de acrónimos
NiMH – nickel-metal hydride (níquel-hidreto metálico);
Lista de Gráficos
Gráfico 1 – Diferença de potencial (mV) pelo tempo decorrido (s) da Pilha A;
Gráfico 2 – Diferença de potencial (mV) pelo tempo decorrido (s) da Pilha B;
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Glossário
Bateria: conjunto de condensadores elétricos, de elementos de pilha ou de
acumuladores ligados em série ou em paralelo e usado como uma única unidade.
Grandezas nominais: são os valores máximos para os quais o aparelho ou recetor
foram fabricados. Assim, temos: intensidade nominal, potência nominal, etc…
Pilha: aparelho que transforma em energia elétrica a energia desenvolvida numa reação
química.
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1. Introdução
No âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP” do 1.º ano do Mestrado Integrado em
Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade
do Porto, foi realizado o presente relatório cujo tema é “Capacidade das Pilhas”.
Quando se acende uma lanterna, se verifica a hora no relógio ou se faz uma chamada
telefónica, não é muitas vezes tido em conta que estas atividades só são possíveis hoje
graças a uma das maiores invenções do século 18. A pilha, que torna o quotidiano das
pessoas cada vez mais simples, resultou de experiências sobre eletricidade conduzidas no
final de 1799 pelo físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), professor da Universidade de
Pávia, Itália. (José Atílio Vanin 1999)
Desde então, a sociedade tornou-se cada vez mais dependente de diferentes
equipamentos eletrónicos portáteis. Assim, a tecnologia evoluiu imenso nesta área e
atualmente existem diversos tipos de pilhas para as mais diversas utilidades.
Na abordagem deste tema destaca-se a fiabilidade da capacidade das pilhas de níquel-
metal especificada pelo fabricante e da sua eficiência.
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2. Pilhas
Uma pilha ou fonte de energia eletroquímica é um dispositivo que permite à energia
libertada numa reação química ser convertida diretamente em eletricidade (Colin A. Vincent
1997).
As pilhas cumprem várias finalidades, mas atuam, principalmente, como fontes portáteis
de energia elétrica. Exemplos modernos bem conhecidos vão desde as pequenas células
usadas em relógios elétricos às baterias de chumbo e ácido utilizadas para o arranque de
veículos com motores de combustão interna.
A pilha NiMH tem várias vantagens em relação a outras outras tecnologias
recarregáveis, entre as quais a vida útil, segurança e constituintes não tóxicos. Esta tem
vindo a ser desenvolvida nos últimos 30 anos e passou de uma curiosidade laboratorial a
um produto altamente desenvolvido para as mais variáveis aplicações, incluindo aparelhos
eletrónicos portáteis, veículos híbridos e elétricos.
2.1 Funcionamento
No interior de uma pilha ocorrem reações de oxidação e redução, que permitem a
transformação da energia química em elétrica. Cada pilha possui dois elétrodos: um positivo
(cátodo) e um negativo (ânodo) constituídos por dois metais diferentes. Cada um destes é
armazenado no interior de um compartimento, no qual estão catiões e aniões (iões
carregados positiva e negativamente que atraem os). A ligação entre ambos é feita através
de um circuito elétrico exterior, o que permite a transferência de eletrões.
É esta transferência que faz com que ocorram reações de oxirredução. Do elétrodo
negativo vão sair eletrões e os aniões presentes nesse elétrodo são oxidados. Por sua vez,
estes eletrões serão transferidos para o cátodo, reduzindo os catiões. Este processo permite
assim a transformação da energia química em elétrica, que é conduzida depois para o
circuito externo.
“Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.”
– Antoine Lavoisier
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2.2. Capacidade
A capacidade de uma pilha representa a corrente elétrica que esta consegue fornecer a
um dado equipamento. O mAh é a abreviatura usada para o miliampere-hora, uma
subunidade de medida (proveniente do ampere-hora) usada para indicar a transferência de
carga por meio de uma corrente estável de um miliampere ao longo de uma hora.
É preciso deixar claro que esta métrica não mede diretamente a energia de uma pilha (o
que é feito pelas unidades joule ou watt-hora). A sua intenção é estabelecer o seu tempo
médio de duração. Assim, em teoria, quanto maior o miliampere-hora indicado na pilha,
mais longo é o período que um dispositivo móvel pode ficar desconectado de uma fonte
externa (Fernando Daquino 2013).
Existe uma fórmula normalmente usada pelos estudantes e profissionais de engenharia
eletrotécnica com a qual é possível determinar o tempo de duração de uma pilha (equação
(d)). A conta é relativamente simples: dividir a sua capacidade (em miliampere-hora) pelo
valor de consumo do dispositivo (em miliampere), que nos dá o tempo médio (em horas) da
descarga da pilha.
No entanto, o resultado alcançado é estimado, porque para ser mais preciso a pilha
deveria ser nova, estar completamente carregada e o dispositivo elétrico manter um
consumo fixo — o que dificilmente acontece. Por exemplo, quando fazemos uma chamada,
assistimos a um vídeo ou jogamos um jogo num smartphone, ocorre um aumento da
exigência da bateria. Além disso, outras variáveis podem influenciar o consumo como, por
exemplo, a temperatura.
2.3. Pilhas descartáveis e recarregáveis
Estes dispositivos podem ser divididos em duas grandes categorias, descartáveis e
recarregáveis. A diferença entre estes dois tipos está nas reações que ocorrem dentro da
pilha.
Nas pilhas não recarregáveis, estas reações realizam-se num só sentido, ou seja, a
reação inversa não é possível, pelo que não podem voltar a ser carregadas. Por outro lado,
as pilhas recarregáveis têm por base reações reversíveis, permitindo que uma reação
inversa ocorra, carregando a pilha.
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2.4. Influência da temperatura na descarga
O desempenho nominal de uma pilha é normalmente especificado para temperaturas
entre 20 e 30°C. O seu rendimento e vida útil pode ser seriamente afetados pelo
funcionamento a temperaturas extremas - tanto muito quentes como muito frias.
O calor faz com que alguns dos componentes líquidos da pilha evaporem, o que pode
danificar a sua estrutura interna. Quanto mais quente está a pilha, mais rápido as reações
dentro dela ocorrem. Isto pode aumentar a performance temporariamente, mas ao mesmo
tempo aumenta a velocidade das reações químicas indesejadas, o que correspondente à
perda energia pela pilha.
O frio também faz baixar o rendimento, porque torna as reações químicas mais lentas e
alguns componentes ficam mais viscosos.
2.5. Auto-descarga
As pilhas NiMH, tal como todas as outras, têm um certo nível de auto-descarga que
ocorre quando ela está em repouso.
Um dos fatores que contribuem para a auto-descarga é a energia usada pelo ciclo de
oxigênio em elevados estados de carga, mas este é desprezível abaixo de cerca de 70% de
capacidade. A longo prazo, é o transporte de iões que causam o descarregamento contínuo
da célula durante extensos períodos de tempo.
A taxa de auto-descarga é altamente dependente da temperatura da célula. A
temperaturas mais elevadas, a taxa de descarga é maior.
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3. Experiência
Para verificar a veracidade das caraterísticas da pilha referidas pelo fabricante, realizou-
se uma experiência com o objetivo de medir a capacidade de duas pilhas iguais de NiMH.
Para começar, obteve-se a diferença de potencial da pilha ao longo do tempo através de
um descarregador de pilhas. A partir do gráfico obtido calculou-se a energia total fornecida
através da equação (a) e (b), sendo que U. Δt é a área do gráfico. Durante a experiencia, foi
usada uma intensidade aproximadamente constante de 1,2A.
Sabendo a energia total e usando a equação (c), determinou-se a capacidade da pilha.
Neste caso, queremos calcular a intensidade que a pilha fornece durante uma hora.
O U = 1,2V significa a diferencia de potencial média de descarga e o Δt = 3600s é o
número de segundos numa hora.
Durante a experiência não foi feito o controlo da temperatura ambiente, que se manteve
aproximadamente constante. Logo, é uma variável experimental para ter em consideração
nos resultados obtidos.
3.1 Equações
(a) P = I. U
(b) E = P. Δt ⇔ E = I. U. Δt
(c) I(nominal) = E(calculada em cima)
U(1,2)∗Δt(3600)
(d) Tempo de duração da pilha = capacidade da pilha
consumo do dispositivo
Neste contexto, o significado das letras é o seguinte:
P - Potência (watt, W)
I - Intensidade (ampere, A)
U - Diferença de potencial (volt, V)
E - Energia (joule, J)
Δ - Delta (variação, adimensional)
t - Tempo (segundos, s)
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3.2 Gráficos
Gráfico 1: Diferença de potencial (mV) pelo tempo decorrido (s) da Pilha A.
Gráfico 2: Diferença de potencial (mV) pelo tempo decorrido (s) da Pilha B.
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4. Resultados
Pilha 1:
Capacidade indicada pelo fornecedor: 1500 mAh;
Cálculo da energia cedida pela pilha: E = I ∗ U ∗ Δt = 5789,09J;
Cálculo da capacidade em mAh: I (nominal) =5789,09
1,2∗3600≈ 1340 mAh;
Pilha 2:
Capacidade indicada pelo fornecedor: 1500 mAh;
Cálculo da energia cedida pela pilha: E = I ∗ U ∗ Δt = 6040,11J;
Cálculo da capacidade em mAh: I (nominal) =6040,11
1,2∗3600 ≈ 1398 mAh;
A capacidade das pilhas NiMH testadas indicada pelo fornecedor é de 1500 mAh. A
média dos valores reais calculados para as duas pilhas é ≈1370 mAh, o que corresponde a
≈93% do valor tabelado.
No gráfico seguinte é feita a comparação entre os dois valores. A coluna a azul é
referente aos dados obtidos na experiência e a coluna laranja aos valores tabelados pelo
fabricante.
As variáveis, como a temperatura e os possíveis erros de aproximação, podem ter
influenciado os resultados, mas não de forma significativa.
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5. Conclusões
Após a elaboração deste trabalho concluiu-se que efetivamente a capacidade debitada
das pilhas testadas revela-se aquém da teórica, indicada pelo fabricante. Esta diferença nos
valores permite-nos perceber melhor a quantidade de energia que uma pilha pode
realmente fornecer a um dispositivo e este é um critério fundamental na sua avaliação.
No entanto, como as pilhas não eram novas e a amostra não era significativa, não
podemos garantir que esta diferença se deva a um erro do fabricante.
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Referências bibliográficas
Colin A. Vincent & Bruno Scrosati. 1997. Modern Batteries, An introduction to
electrochemical power sources. 2ª ed. London: Newnes.
Fernando Daquino. 2013. “O que significa o mAh nas baterias de celulares e tablets?”.
Acedido a 14 de outubro de 2014. http://www.tecmundo.com.br/bateria/37110
J. Almeida Costa e A. Sampaio e Melo. 1981. Dicionário da Língua Portuguesa. 5ª ed.
Porto: Porto editora.
Jennifer Fogaça. 2013. “Pilhas“. Acedido a 14 de outubro de 2014.
http://brasilesco.la/b121858
John J.C. Kopera. 2004. “Inside the Nickel Metal Hydride Battery”. Acedido a 22 de
outubro de 2014. http://www.cobasys.com/pdf/tutorial/inside_nimh_battery_technology.pdf
José Atílio Vanin. 1999. “Uma descoberta eletrizante”. Acedido a 10 de outubro de 2014.
http://www.fisica.net/aplicada/energia/uma_descoberta_eletrizante.pdf
José Matias. 2007. “Dicionário de eletricidade/eletrónica”. Acedido a 15 de outubro de
2014. http://www.josematias.pt/Index/DicionarioElectricidade.pdf
Luís Mendonça e Marco Madureira. 2003. “Alimentação de uma Bóia Oceanográfica”.
Projeto Seminário Trabalho Final de Curso, Faculdade de Engenharia, Universidade do
Porto. Acedido a 9 de outubro de 2014.
http://paginas.fe.up.pt/~ee00222/pstfc/docs/relatorio_final.pdf
Noémia Maciel, Jaime E. Villate, Carlos Azevedo e F. Maciel Barbosa. 2012. Eu e a
física 12. Porto: Porto editora.
Smarter Charger (Equipa). 2010. “How Temperature Can Affect Your Battery”. Acedido a
22 de outubro de 2014.
http://smartercharger.com/2010/10/how-temperature-can-affect-your-battery