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 (ISBN 10: 1-133-10902-0; 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 Diagramação: ERJ Composição Editorial Para informações sobre nossos produtos, Indexação: Casa Editorial Maluhy entre em contato pelo telefone Capa: Cynthia Braik 0800 11 19 39 Analista de conteúdo e pesquisa: Javier Muniain Para permissão de uso de material desta Editora de direitos de aquisição e iconografia: obra, envie seu pedido para Vivian Rosa [email protected] © 2015 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. ISBN 13: 978-85-221-1688-1 ISBN 10: 85-221-1688-1 Cengage Learning Condomínio E-Business Park Rua Werner Siemens, 111 – Prédio 11 – Torre A – Conjunto 12 Lapa de Baixo – CEP 05069-900 – São Paulo – SP Tel.: (11) 3665-9900 – Fax: (11) 3665-9901 Impresso no Brasil SAC: 0800 11 19 39 Printed in Brazil Para suas soluções de curso e 5 6 7 11 12 13 aprendizado, visite www.cengage.com.br ERJ_Cap_000_iniciais.indd 4 7/3/2014 11:56:34 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