Usinas térmicas: ciclos, eficiência e geração elétrica

Física, 2ª série: Usinas térmicas: ciclos, eficiência e geração elétrica

1. Em uma usina termelétrica a carvão, a sequência das principais transformações de energia, da queima do combustível até a energia entregue à rede, é

   1. anuclear → térmica (caldeira) → mecânica (turbina) → elétrica (gerador).
   2. bquímica → térmica (caldeira) → mecânica (turbina) → elétrica (gerador).
   3. ctérmica → química (caldeira) → elétrica (turbina) → mecânica (gerador).
   4. dquímica → elétrica (caldeira) → térmica (turbina) → mecânica (gerador).
   5. emecânica → térmica (caldeira) → química (turbina) → elétrica (gerador).

2. A figura representa, de forma simplificada, uma usina termelétrica que fornece 500 MW de potência elétrica e tem rendimento global de 40%. Considere que toda a energia não convertida em eletricidade é rejeitada no condensador.

   

   A potência térmica transferida à água do rio pelo condensador é de aproximadamente

   1. a200 MW
   2. b1 250 MW
   3. c300 MW
   4. d750 MW
   5. e500 MW

3. O rendimento máximo de uma máquina térmica é o do ciclo de Carnot: η = 1 − T_f/T_q, com temperaturas em kelvin. Em uma usina, o vapor entra na turbina a 800 K, e a fonte fria é a água de um rio. Quando a água do rio passa de 293 K, no inverno, para 303 K, no verão, o rendimento máximo da usina

   1. aaumenta de cerca de 62% para cerca de 63%.
   2. bdiminui de cerca de 63% para zero, pois a água fica quente demais.
   3. cdiminui de cerca de 63% para cerca de 62%.
   4. dnão se altera, pois depende apenas da temperatura do vapor.
   5. ediminui de cerca de 37% para cerca de 36%.

4. Muitas usinas de açúcar e etanol queimam o bagaço da cana em caldeiras e usam o vapor de duas formas: para gerar eletricidade e para aquecer os processos industriais da própria usina. Esse aproveitamento simultâneo é chamado de cogeração. Em uma dessas usinas, de cada 100 MW liberados na queima do bagaço, 25 MW viram eletricidade e 50 MW são usados como calor nos processos. O aproveitamento total da energia do bagaço é de

   1. a25%
   2. b75%
   3. c125%
   4. d50%
   5. e33%

5. As usinas nucleares de Angra dos Reis (RJ) usam a fissão do urânio para aquecer água. Do ponto de vista da termodinâmica, é correto afirmar que essas usinas

   1. afuncionam como usinas hidrelétricas, pois usam a água do mar para mover as turbinas por meio das marés.
   2. bsão usinas térmicas: o calor do reator gera vapor que move turbinas, e parte desse calor precisa ser rejeitada para uma fonte fria, a água do mar.
   3. cdispensam uma fonte fria, porque o urânio esfria sozinho depois de liberar sua energia no reator.
   4. dconvertem diretamente a energia nuclear em energia elétrica, sem turbinas nem geradores, e por isso não precisam rejeitar nenhum calor para o ambiente.
   5. etêm rendimento de 100%, pois a fissão nuclear libera muito mais energia do que a queima de combustíveis fósseis.

6. Um aparelho de ar-condicionado retira 3,0 kW de calor de uma sala e, para isso, consome 1,0 kW de potência elétrica. A potência térmica que o aparelho libera para o ambiente externo e o seu coeficiente de desempenho (COP = calor retirado/trabalho consumido) são

   1. a4,0 kW e COP = 3,0
   2. b3,0 kW e COP = 0,33
   3. c4,0 kW e COP = 4,0
   4. d1,0 kW e COP = 3,0
   5. e2,0 kW e COP = 3,0

7. Uma família usa, por dia, 200 L de água aquecida de 20 °C para 40 °C no chuveiro elétrico. Ela pretende instalar um aquecedor solar que forneça todo esse aquecimento. Dados: densidade da água = 1 kg/L; calor específico = 4 200 J/(kg · °C); 1 kWh = 3,6 · 10⁶ J. Desprezando perdas, a economia mensal de energia elétrica (30 dias) seria de

   1. a280 kWh
   2. b4,7 kWh
   3. c140 kWh
   4. d16,8 kWh
   5. e504 kWh

8. Em muitas usinas térmicas, o calor rejeitado é retirado por torres de resfriamento, onde parte da água evapora e leva consigo energia. Considere que uma usina precise rejeitar 600 MW dessa forma e que cada quilograma de água evaporada retire 2,3 · 10⁶ J. A quantidade de água evaporada é de aproximadamente

   1. a2 600 kg por segundo
   2. b3,8 kg por segundo
   3. c260 kg por segundo
   4. d26 kg por segundo
   5. e1,4 kg por segundo

9. Uma usina térmica, além da caldeira e da turbina, precisa obrigatoriamente de um condensador, que rejeita calor para o ambiente. Não é possível eliminar o condensador e transformar todo o calor da caldeira em energia elétrica porque

   1. aa energia elétrica não pode ser produzida a partir de calor, apenas a partir de movimento de água.
   2. ba primeira lei da termodinâmica proíbe que a energia se conserve em processos que envolvem calor.
   3. co vapor perde massa ao passar pela turbina, e o condensador serve para repor a massa perdida.
   4. dpela segunda lei da termodinâmica, nenhuma máquina térmica cíclica converte todo o calor em trabalho; parte dele vai para uma fonte fria.
   5. eo condensador é apenas uma medida de segurança contra explosões e poderia ser retirado se a turbina e a caldeira fossem feitas de materiais mais resistentes.

10. Por quilowatt-hora gerado, uma usina termelétrica a gás natural emite menos dióxido de carbono que uma usina termelétrica a carvão.

    (   ) Verdadeiro   (   ) Falso

11. No Brasil, a maior parte da eletricidade vem de hidrelétricas. Em anos de pouca chuva, porém, usinas termelétricas são acionadas com mais intensidade, e a conta de luz fica mais cara.

    a) Explique por que, em períodos de seca, é necessário aumentar a geração termelétrica.

    b) Uma usina a gás natural de ciclo combinado fornece 400 MW com rendimento de 50%. Sabendo que cada quilograma de gás libera 50 MJ na queima, calcule a massa de gás consumida em 1 hora.

    c) Cite duas desvantagens ambientais ou econômicas desse acionamento e uma alternativa que reduziria a dependência das termelétricas nas secas.

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