energias renováveis geofísicas

Energias)Renováveis)Geo/ísicas)

Prof.&Felipe&M.&Pimenta&[email protected]&

Univ.)Federal)do)Rio)Grande)do)Norte)Departamento)de)Geo/ísica)

Código'da'disciplina:''GEF0108'

Wednesday,&August&22,&2012& 1&

AULA'01&

GEF0108&(Prof.&Felipe&Pimenta/UFRN)&

Aulas:&6a&feira,&13:50&à&17:40&Local:&Dep.&GeoQsica,&1o&andar,&Sala&1&

)INTRODUÇÃO)AO)CURSO&

Wednesday,&August&22,&2012& 2&GEF0108&(Prof.&Felipe&Pimenta/UFRN)&

REVISÃO)DE)CONCEITOS:)Mecânica(e(Termodinâmica.(Trabalho,(Conservação(de(Energia,(Leis(da(Termodinâmica.( Introdução( a( estrutura( dos( Oceanos,( Atmosfera( e( Geosfera.) Introdução( às(Renováveis.)

MÓDULOS)ESPECÍFICOS:))

Energia) Eólica:) História,( circulação,( camada( limite( planetária.( DeIinição( de( densidade( de( potência.(Tecnologia( de( turbinas( e( avaliação( de( recursos:( Estações( medidoras,( modelos( e( dados( de( satélite.( A(tecnologia(eólica(offshore.))

Energia)Hidráulica:)DeIinição,( ciclo(hidrológico,(história,( tecnologia(atual,(desenvolvimento(e(potencial(técnico(no(Brasil(e(no(mundo.(Mudanças(climáticas(e(impactos(ambientais.)

Energia) de) Marés:) Fenômeno( das( marés( e( distribuição( dos( recursos.( Sistemas( de( aproveitamento:(barragens(e(hidroRturbinas.))

Energia) de) Ondas:) Geração( e( propagação( de( ondas,( medições( e( modelagem.( Distribuição( global,(protótipos(costeiros(e(de(alto(mar.))

Energia)de)Correntes)Oceânicas:)O(sistema(de(correntes(globais:(forçantes(e(variabilidade.(Localização(dos(recursos:(Correntes(do(Golfo,(Kuroshio,(Corrente(do(Brasil.(Projeto(Coriolis(e(protótipos(de(turbinas.))

Energia) Térmica) Oceânica:) A( conversão( de( energia( térmica( no( oceano.( Distribuição( de( recursos( e(regiões(potenciais(de(utilização(do(OTEC.(Desenvolvimento(e(diIiculdades.))

Energia)Geotérmica:)A(energia(geotérmica,(distribuição,(classiIicação(e(tecnologias(existentes.(Wednesday,&August&22,&2012& 3&GEF0108&(Prof.&Felipe&Pimenta/UFRN)&

Ementa:)

ENERGIAS(RENOVÁVEIS(

Godfrey)Boyle)(2004).)Renewable(Energy.(Power(for(a(Sustainable(Future.(Oxford.(452(pp.)

Charlier)e)Justus)(1990).)Ocean(Energies:(Environmental,(Economic(and(Technological(Aspects(of(Alternative(Power(Sources.(Elsevier(Oceanography(Series.(534(pp.(

Khaligh) A.) e) Omer) O.) (2009).) Energy( Harvesting.( Solar,( wind( and( ocean( energy( conversion(systems.)CRC)Press.)341)pp.)

OCEANOGRAFIA,(METEOROLOGIA(E(GEOLOGIA(

Knauss)J.)A.)(2005).)Introduction(to(Physical(Oceanography.((Waveland(Press.(320(pp.((

Wallace)J.)M.)e)Hobbs)P.)V.)(2006).)Atmospheric(Science,(Second(Edition:(An(Introductory(Survey.(Academic(Press.(504(pp.(

Tarbuck)E.) J.,)Lutgens)F.)e)Tasa)E)(2007))Earth:)An( Introduction( to(Physical(Geology,(Prentice(Hall.(720(pp.(


Bibliogra/ia)

FÍSICA(

Tipler) P.) A.) ) e) Mosca) G.) (2008).) Física( para( Cientistas( e( Engenheiros.( Volume( 1.( Mecânica,(Oscilações(e(Ondas,(Temodinâmica.(6a(edição.(759(pp.)

Halliday)&)Resnick)(2007).)Fundamentos(de(Física.(Volume(1,(2.(349(pp.)

(Outros(livros,(relatórios(e(artigos(que(serão(mencionados(a(cada(aula.(( Estas( notas( de( aula( (PDF):( FAVOR( anotar( correções( e( sugestões!( A( melhora( do( material((depende(da(crítica(e(reavaliação(dos(alunos.(


Bibliogra/ia)

+

Energia'Hidroelétrica' Energia'Geotérmica'

Foco)em)Energias)Geo/ísicas:)Como(os( recursos( energéticos( estão(distribuídos,( qual(seu(tamanho,(e(como(variam(no(tempo?&


FotograIias:(Wikipedia&


Quais( tecnologias( estão( disponíveis?( É( possível( entender( a( dinâmica( desses( sistemas(para(um(melhor(aproveitamento(energético?&

FotograIias:(Repower,(Pelamis(Wavepower,((SeaGen,(Projeto(Coriolis(de(Charlier(e(Justus((1990)&

Método)de)avaliação)

Iremos(combinar(Aulas(Expositivas((13)(+(Provas(Escritas((3)(+(1(trabalho(para(o(CIENTEC.((

O(trabalho(para(o(CIENTEC(valerá(5.0(pontos(da(2ª(prova.(

Divisão(de(7(grupos:(( (R(Energia(Eólica(( ( ( ( (R(Hidro(Energia,((( ( ( ( (R(Energia(de(Marés(( ( ( ( (R(Energia(de(Correntes(( ( ( ( (R(Energia(de(Ondas(( ( ( ( (R(Energia(Geotérmica(( ( ( ( (R(Energia(Térmica(Oceânica(

Calendário)de)programação:)

O(nosso(plano(de(vôo((tentativo)(é(apresentado(no(próximo(slide.(


Departamento*de*Geofísica*,*Universidade*Federal*do*Rio*Grande*do*Norte*(UFRN)*Prof.*Felipe*Pimenta*([email protected])*

***

Energias)Renováveis)Geofísicas)(GEF)0108/UFRN)))

*MÊS* AGOSTO* SETEMBRO* OUTUBRO* NOVEMBRO* DEZEMBRO*

DIA* 10* 17* 24* 31* 7* 14* 21* 28* 5* 12* 19* 26* 2* 9* 16* 23* 30* 7* 14* 21*

SEM$ 1$ 2$ 3$ 4$ )$ 5$ 6$ 7$ 8$ )$ 9$ )$ )$ 10$ 11$ 12$ 13$ 14$ 15$ 16$

ETAPA* E0*E1* E1* E2* E3* F1* P1* E4* E4* E5* F2* E5* CIEN*

TEC* F3* E6* P2* E6* E7** E8** E9* P3*

*)

LEGENDA:))E0)*Introdução*ao*Curso**)E1)*Revisão*de*Conceitos*)E2))Energias*Renováveis)))E3)*Hidroeletricidade*)E4)*Energia*Eólica*))))))

))E5)*Energia*de*Marés*)E6)*Energia*de*Ondas*)E7)*Energia*de*Correntes**)E8)*Energia*Térmica*Marítima*)E9)*Energia*Geotérmica**Feriado)(F1,F2,F3)))/))Prova)(P1,P2,P3))))


você&está&aqui&

1))REVISÃO)DE)CONCEITOS&


1.0))Força)e)Leis)de)Newton&

Conceitos(sobre(trabalho(e(energia,(encontramRse(diretamente(associados(à(Força,(às(Leis(de(Newton(e(às(Leis(Termodinâmicas.(Vamos(relembráRlos!(

FORÇA:(“É(uma(inIluência(externa(ou(ação(que(leva(um(corpo(livre(mudar(sua( velocidade,( direção( ou( forma.( Força( é( uma( grandeza( Iísica( vetorial,(possui(magnitude(e(direção”(

1a(LEI(DE(NEWTON:(“Um(corpo(em(repouso(permanece(em(repouso(a(não(ser( que( uma( força( externa( atue( sobre( ele.( Um( corpo( em( movimento,(continua(em(movimento(com(velocidade(constante(e(em( linha( reta*,( a(não(ser(que(uma(força(externa(atue(sobre(ele”((

m& m&

v& v&

t=0& t=T&

v&

m& m&

t=0& t=T&

v=0&

*(Aplicável(à(referenciais(inerciais(

�F


�F = 0

�a =�Fres

m�Fres =

X�F

m(=(massa([kg](

a(=(aceleração([m(sR2](

Fres(=(força(resultante([kg(m(sR2(=(N](

2a( LEI( DE( NEWTON:( “A( aceleração( de( um( corpo( é( diretamente(proporcional(à( força(resultante(que(atua(sobre(ele,(e(o( inverso(da(massa(do(corpo(é(a(constante(de(proporcionalidade”(

Sistema(Americano(e(Britânico:((

Comprimento:(1(ft(=(0.3048(m(Massa:(1(slug(=(14,6(kg(

((((1(lb(=(0.45(kg(Aceleração:(ft(sR2(Força:(((1(pound(force((=((1(lbf(=(4.45(N(1(lbf(=(1(slug(ft(sR2(

1.0))Força)e)Leis)de)Newton&


X�F = m�a

1.1))Energia,)Trabalho)e)Conservação)de)Energia&

A( palavra( Energia( é( derivada( do( Grego:( ( En( (dentro)( e( ergon( (Trabalho).( ( É(comumente(entendida(como(a(habilidade(de(um(sistema(Iísico(realizar(trabalho.(

O( conceito( cientíIico( serve( para( descrever( processos( tão( diversos( quanto( a(queima( de( combustíveis,( propulsão( de( máquinas( e( a( geração( eólica.( É( uma(grandeza(escalar.(

1.1.1))Energia)


Unidade:(SI:((Joule)(J)(=(1(N(m(

1.1))Energia,)Trabalho)e)Conservação)de)Energia&

“Trabalho)é)realizado)sobre)um)corpo)por)uma)força)quando)o)ponto)de)aplicação)da)força)se)desloca”)


Trabalho:)“É(a(transferência(de(energia(por(uma(força”.((É(uma(grandeza(escalar(que(pode(ser(positiva,(negativa(ou(zero.(Exemplos:(

RMola((M)(realiza(trabalho(sobre(o(bloco((B):(((transferência(de(energia(M((B(

RBloco(em((movimento((B)(realiza(trabalho(sobre(mola((M):(((energia(B((M(

1.1.2))Trabalho)

(trabalho(realizado(por(força(variável,(3D)(&

�F

Pode(ser(descrito(matematicamente(por(um(produto(escalar.(O(trabalho(dW(realizado(por(uma(força(F(sobre(uma(partícula(ao(longo(de(um(deslocamento(inIinitesimal(dl(é:&

d�l = dx�i+ dy�j + dz�k

�F = Fx

�i+ Fy

�j + Fz

�k

d�l✓

início(

Iim(

Considere(uma(partícula(movendoRse(ao( longo(de(uma(curva(arbitrária.(O( trabalho(realizado(para(mover(a(partícula(do(início(ao(Iim(de(uma(trajetória(é(dado(por:(&

1.1.2))Trabalho)


dW = �F .d�l

W =

Z fim

ini

~F .d~l

x

yz

~i

~j~k

dW = F

x

dx+ F

y

dy + F

z

dz

Unidades:(SI:((Joule)(J)(=(1(N(m(Sistema(Americano:((1(ft(lb(=(1,356(J(Obs:(ElétronRvolt:(eV=1,6(x(10R19(J(

W

total

= F1x�x+ F2x�x+ ... W

total

= F

resx

�x

Se(várias(forças(realizam(trabalho:(

Vamos(simpliIicar(para(um(casos(mais(particular.(Considere(uma(força(F(constante(e(que(o(deslocamento(é(em(x((então(Δy,(Δz=0).(Neste(caso:&


W = Fx

�x = Fcos�|�x|

1.1.2))Trabalho)

�x

m&

�F

W =

Zfim

ini

F

x

dx = F

x

�x

(trabalho(realizado(por(força(constante,(2D)(&

m&

�F✓

Fy~j

Fx

~i

xini xfim

2a�x = 2vo

v � 2v2o

+ v

2 � 2vvo

+ v

2o

É( a( energia( associada( ao( movimento.( Quando( forças( realizam( trabalho( sobre( uma(partícula(ocorre(uma(variação(de(Ek.(A(relação(entre(W(e(Ek(pode(ser(demonstrada:(

1.1.3))Energia)Cinética)


dv

dt= a ! v = v

o

+ at

dx

dt

= v

o

+ at ! x� x

o

= v

o

t+at

2

2

(Dúvida?(Ver(Halliday(e(Resnick,(pg(26,(integração(no(tempo...)&

�x = v

o

t+at

2

2

t =

✓v � v

o

a

◆isolando(t:&

�x = v

o

✓v � v

o

a

◆+

a

2

✓v � v

o

a

◆2

2a�x = 2vo

(v � v

o

) + (v � v

o

)2

1.1.3))Energia)Cinética)


v

2 = v

2o

+ 2a�x

F

x

�x =1

2mv

2 � 1

2mv

2o

(formula(que(vocês(já(conhecem...)&

Wtotal

= Ekfim

–Ekini

Ek =mv2

2[J = N m]

(Teorema(TrabalhoREnergia)(W

total

= �Ek

2a�x = 2vo

v � 2v2o

+ v

2 � 2vvo

+ v

2o

2a�x = v

2 � v

2o

Isolando(a:' a =1

2�x

(v2 � v

2o

) multiplique(por(m(e(por(Δx(em(ambos(lados:&

ma�x =1

2(mv

2 �mv

2o

) DeIinindo(Ek(como(a(Energia(Cinética:&

Energia) potencial( é( o( nome( dado( para( a( energia( “contida”( em( um( corpo( ou(sistema(devido(a(sua(conIiguração(espacial(ou(posição(em(relação(a(um(campo(de(força( (F).( Se(a( força(é( conservativa,(o( trabalho(realizado(sobre(uma(partícula(em(qualquer(caminho(fechado(é(zero.(

1.1.3))Energia)Potencial)


I

C

�F .d�l = 0

Força)conservativa)Ex:(gravidade,(mola(ideal(

Para( uma( força( F( conservativa,( W( é( independe( do( caminho( de( integração.( A(expressão(para(energia(potencial(é(deIinida(em(função(dos(estados(iniciais(e(Iinais!((

I

C

�F .d�l 6= 0

Força)não)conservativa)Ex:(atrito(de(bloco(sob(mesa(

Wc(realizado(por(uma(F(conservativa(é(igual(a(diminuição(da(função(potencial(ΔU.(

�U =

Z fim

ini

~F .d~l = Ufim � Uini = �Wc

Utilizando( a( deIinição( de( trabalho( e( da( força( gravitacional,( também( podemos(chegar(a(deIinição(de(energia(potencial(gravitacional:(

1.1.4))Energia)Potencial)Gravitacional)


dU = ��F .d�l

dU = ��F .d�l = �(�mg�k).(dx�i+ dy�j + dz�k) = mgdz

U =

Zmgdz = mgz + U

o

U = Uo

+mgz(Energia(Potencial(Gravitacional)&

Note(que(Uo(é(a(cte(de( integração(de(uma(referência(arbitrária(z=0.(O(valor(de(U(não( é( importante( na( prática.( Mais( freqüentemente( procuramos( a( diferença((“Available(Potential(Energy”):(

Ua

= Uo

+mgza

Ub

= Uo

+mgzb

�U = mg(zb � za) = mgh

�Fg = �mg�k

A(deIinição(de(trabalho(não(diz(nada(sobre(quanto(tempo(ele(leva(para(ser(realizado.(A(taxa(que(uma(força(realiza(trabalho(é(chamada(de(potência.((

)“Potência)é)a)taxa)de)transferência)de)energia”)

1.1.5))Potência)


dW = �F .d�l = �F .�vdt

Considere(uma(particula(com(velocidade(v.(Em(um(curto( intervalo(dt(ela(sofre(o(deslocamento(dl=vdt.(O(trabalho(realizado(pela(força(F(neste(intervalo(de(tempo(é:(

A(potência(é(então:& P =dW

dt= �F .�v

Unidades:((SI:((1(Watts([J(sR1].(DeIinição((cavaloRpotência:(1(hp(=(550(ft.lb/s(=(746(W(

W = E =

ZP (t)dt

Produto(de(potência(por(uma(unidade(de( tempo(é(uma(unidade(de(energia.(Veja(o(quilowattRhora:(

Da(mesma(forma:&

1kWh(=(1kW(x(h(=((103W)(3600(s)(=(=(3,6(x(106(W(s(=3,6(MJ((3,6(Mega(Joules)(

A(densidade(de(potência(superIicial((potência(especíIica)(pode(ser(deIinida:(

1.1.6))Densidade)de)Potência)(Surface)Power)Density))


Pd =P

A

W

m2

�

A

densidade)de)potência&

Dens.(potência(do(vento(((Pd(~(200(a(1200(W/m2(

Radiação((constante)(solar((Pd=S0(=(1366(W/m2(

P

milliwatt)(10−3(Watt)(5–10(mW(R((laser(in(a(DVD(player(70(mW(–(antenna(power(in(a(typical(consumer(wireless(router(

1.1.7))Ordens)de)magnitude)(em)termos)de)Potência))


h[p://en.wikipedia.org/wiki/Orders_of_magnitude_(power)&

watt)14(W(–((power(consumption(of(a(typical(household(compact(Iluorescent(light(bulb(100(W(–(approximate(basal(metabolic(rate(of(an(adult(human(body(120(W(–(power(output(of(1(m2(solar(panel(in(full(sunlight((12%(efIiciency)(

kilowatt)(103)watts))1.1(kW(–(power(of(a(microwave(oven(3.3–6.6(kW(average(photosynthetic(power(output(per(square(kilometer(of(ocean(40(kW(to(200(kW(–approximate(range(of(power(output(of(typical(automobiles(800(kW(approximate(average(power(output(of(a(small(coal(power(plant(

megawatt)(106)watts))1.5(MW(–peak(power(output(of(GE's(standard(wind(turbine(2.5(MW(–peak(power(output(of(a(blue(whale(16(MW(–rate(at(which(a(typical(gasoline(pump(transfers(chemical(energy(to(a(vehicle(75(MW(–maximum(power(output(of((GE(jet(engine(as(installed(on(the(Boeing(777(


2(GW(

Termelétrica(

Nuclear(

±110(GW(

GW(=(109(W(

ANEEL((2010)(0.5(a(1(GW(

gigawatt)(109)watts))1.3(GW(–(Electric(power(output(of(Manitoba(Hydro(hydroelectric(generating(station(4.116(GW(–(Installed(capacity(of(Kendal(Power,(world's(largest(coalRIired(power(plant.(8.21(GW(–(Capacity(of(the(KashiwazakiRKariwa,(world's(largest(nuclear(power(plant.(12.6)GW)–)Electrical)power)generation)of)the)Itapú)Dam)190(GW(–(Average(power(for(the(Iirst(stage(of(the(Saturn(V(rocket(

1.1.7))Ordens)de)magnitude)(em)termos)de)Potência))

±190(GW(

(capacidade(de(geração)(

Fonte(de(Imagens:(Google(Images,(Wikipedia((


E(para(dar(mais(perspectiva(!((A(taxa(de(energia(emitida(pelo(SOL(é(estimada(em((Marshal(and(Plumb,(2007):(

Q=3.87(x(1026(W&

“Existe(um(fato,(ou(se(você(preferir,(uma(Lei(que(governa(todos(os(fenômenos(naturais(conhecidos(até(hoje(em(dia.(

Não( existe( conhecida( exceção( a( esta( “Lei”( –( ela( é( exata(pelo(o(que(nós(sabemos.((

Esta(lei(é(conhecida(como(Conservação)de)Energia.(Ela(descreve( que( existe( uma( certa( quantidade,( que(chamamos(Energia,(que(não(se(modiIica(em(decorrência(das(abruptas(mudanças(da(natureza.(Ela(é(uma(das(mais(abstratas( idéias,( porque( se( trata( de( um( princípio(matemático;(ela(diz(que(existe(uma(quantidade(numérica(que( não( muda( quando( algo( acontece.( Não( é( uma(descrição(de(um(mecanismo,(ou(algo(concreto;(é(somente(um( fato( estranho( que( calculamos( um( número,( e( ao(observar(os(truques(da(natureza,(calculamos(novamente(e(encontramos(o(mesmo(número”(

)r)The)Feynman)Lectures)on)Physics)

1.1.8))Conservação)de)Energia&


Richard)Feymann&

1.1.9))Conservação)da)Energia)Mecânica)


Wtotal

= �Ek

Wtotal

= Wext

+Wint

Wtotal

= Wext

+Wnc

+Wc

Wext

= �Emec

�Wnc

Ele( é( igual( a( soma( dos( trabalhos( realizados( por( forças( externas( e( internas.( As(últimas(dividemRse(em(trabalhos(de(forças(conservativas(e(não(conservativas:(

Igualando(as(expressões(e(lembrando(que:(

...e(chegamos(ao(Teorema(do(TrabalhoREnergia:(

Em( diversas( situações( Wnc~0.( Se( o(trabalho( externo( é( zero( Wext( =( 0,(obtemos(a(equação(de(conservação(da(energia(mecânica.(

Estamos(prontos(para(relacionar(Ek(e(U.(LembreRse(que( (o(trabalho(realizado(por(todas(forças(é(igual(a(variação(da(Ek:(

�Emec = 0

Wc

= ��U ;Wtotal

= �Ek

�Ek

= Wext

+Wnc

��U Wext

= (�Ek

+�U)�Wnc

(Emec)ini = (Emec)fim

1.1.10))Processos)não)conservativos)

No(mundo(macroscópico,( forças) não) conservativas,( estão( sempre( presentes( de(alguma(forma.(Essas(forças(tendem(a(diminuir)a)energia)mecânica)do(sistema.((

Alguns(tipos(de(forças(não(conservativas:(

R Atrito) cinético:( diminuição( da( energia(mecânica( acompanhado( por( aumento( da(energia(térmica,(

R Deformação) de) objetos:(massa( de(modelar( ou( dobra( e( desdobra( de( um( cabide(metálico.((

R Reações)químicas:(Parte(da(energia(química(transformada(por(um(corredor(será(convertida((“perdida”)(em(energia(térmica.(

Mas( a( energia( não( desaparece( !( Quando( incluímos( a( contabilização( dessas( outras(formas( não( conservativas( (e.g.( aumento( da( energia( térmica),( a( energia( total( do(sistema( permanece( constante.( Isso( já( foi( medido( inúmeras( vezes(experimentalmente(!!!(


1.1.11))Conservação)da)Energia)

“A( variação( da( Energia( Total( de( um( Sistema( pode( ser( sempre( contabilizada( pelo(aparecimento((energia(que(entra)(ou(desaparecimento((energia(que(sai)(de(energia(do(sistema”(


�Esis = Eentra � Esai

Aternativamente:)

“A(energia(total(do(universo(é(constante.(Energia(pode(ser(convertida(de(uma(forma(para( outra,( ou( transferida( de( uma( região( para( outra,( mas( energia( nunca( pode( ser(criada(ou(destruída”(

A( energia( total( do( nosso( diaRaRdia( pode( ser( contabilizada( completamente( pela(Energia(Mecânica,(Energia(Térmica(e(Energia(Química.(Outras( formas( são(Energia(Elétrica(e(a(Energia(Nuclear.(Note(que(a(energia(pode(ser(transferida(ao(sistema(pelo(trabalho(realizado(por(forças(externas(ou(por(calor((próxima(aula...!).(

Wext

= �Esis

= �Emec

+�Eterm

+�Equim

+�Eoutras

(Teorema(do(TrabalhoREnergia)&

Material)de)estudo:))

Leitura:)

Tipler(P.(A.(e(Mosca(G.((Capítulos:(4,(6,(7.(

Haliday((e(Resnick((2008)(Capítulos:(5,(7,(8&

Sites: )Aula(11(do(Prof.(Walter(Lewin((MIT)(http://ocw.mit.edu/courses/physics/8R01RphysicsRiRclassicalRmechanicsRfallR1999/videoRlectures/(


energias renováveis geofísicas

Documents