Curso de química para engenharia, volume I: energia

Autor(es): Milan Trsic
Visualizações: 195
Classificação: (0)

O primeiro volume do Curso de química para engenharia surge em meio a um cenário conflitante: o Brasil ainda carece de profissionais qualificados capazes de levar ao sistema produtivo o conhecimento científico gerado no país; ao mesmo tempo, foi a primeira nação a produzir álcool a partir da cana-de-açúcar; recentemente, logrou integrar o grupo dos países exportadores de petróleo; e, de modo paralelo, mantém em construção uma usina de energia nuclear. Dos muitos desafios tecnológicos atuais, destacam-se justamente a aplicação (em suas variadas formas) da diversa produção energética pelos profissionais da engenharia.
Energia apresenta, sob o enfoque da química, um panorama atual das várias fontes energéticas. Para isso, os autores:
• Elucidam o contexto de surgimento e o uso de cada fonte.
• Apontam quem são os grandes produtores ou usuários de cada uma.
• Trazem informações socioeconômicas relevantes.
• Discutem as vantagens e desvantagens de cada fonte.

Preço: R$ 49,00

17 capítulos

Formato Comprar item avulso Adicionar à Pasta

Introdução

PDF Criptografado

INT RODUÇÃO

No prefácio deste livro, mencionamos um artigo publicado no jornal O Estado de S. Paulo, em 20 de julho de 2010, o qual foi escrito pelo professor José Roberto Cardoso, diretor da Escola Politécnica da USP8, e que é encerrado da seguinte maneira: “Quanto aos professores, devem entender que a Engenharia mudou. Está mais centrada na gestão do que no projeto, de modo que a estrutura curricular deve contemplar essa evolução sentida pela nossa profissão”.

Como químicos com experiências diversas no ensino dessa área para estudantes de engenharia, sentimos há anos que o sistema não está provendo a forma e o conteúdo ideais que o futuro profissional de engenharia requer9.

É praxe comum nas escolas ou faculdades de engenharia ministrar química básica durante um a quatro semestres, incluindo eventuais­ aulas práticas. Os temas costumam ser os mesmos abordados nos cursos de química, mas com menos detalhes: estrutura atômica, soluções, equilíbrio químico, cinética química, termodinâmica química, etc. Esse pacote de informações é de difícil digestão até mesmo para

 

Preâmbulo

PDF Criptografado

PREÂMBULO

Felizmente, estamos chegando ao fim da produção do Curso de Química para Engenharia – Volume I: Energia. São tantos os eventos que se acumulam no mundo que, se não houvesse um limite, ficaria a tentação de expandir prefácios e prólogos.

Quando escrevemos o prefácio para o Volume I, estávamos em meio à crise financeira global; contudo, ninguém se iluda, pois a crise ainda não acabou. Além disso, nesses dias, também surgiram rebeliões e protestos inéditos nos países árabes, – nações com regimes autoritários e distribuição de renda muito injusta. Sem antecipar as possíveis renúncias, poderíamos prever aumento no preço do petróleo; o mercado estava atento. Além disso, uma curiosa notícia: a

Exxon não estava encontrando petróleo nos poços da região do pré-sal na Bacia de Santos, a grande esperança do país. Por fim, outro fato em ocorrência: o secretário-geral da ONU, sr. Ban Ki-moon (ree­ leito), decide se distanciar da luta contra as mudanças climáticas.­

Na Editora Manole, já trabalhei (Milan Trsic) com a eficiente e gentil diretora, Daniela Manole, e com seus excelentes funcionários.

 

1. O carvão estava no lugar certo, na hora certa

PDF Criptografado

1

O CARVÃO ESTAVA NO LUGA R C E RTO,

NA H ORA CERTA

As primeiras fogueiras foram feitas pelo homem com folhas secas e pedaços de galhos. Os incêndios em florestas também ocorriam por causa de fenômenos naturais ou descuidos.

Ainda hoje se produz fogo nas florestas, ora por causas naturais, ora por acidente ou, ainda, criminosamente provocado. Esse fenômeno também é frequentemente utilizado para substituir um tipo de vegetação por outro ou para dedicar o terreno à pastagem.

Quando se iniciou a Revolução Industrial, ainda no século XVIII, na Inglaterra, e, posteriormente, no resto do mundo, a locomotiva a vapor surgiu onde havia minas de carvão, ou alternativamente, as minas de carvão passaram a ter importância para alimentar as locomotivas a carvão. Podemos usar o termo biológico simbiose e perceber que essa simultaneidade não tem nada de surpreendente.

O carvão é um sólido negro formado principalmente por átomos de carbono. A estrutura química é complexa; há muitos anéis de seis

 

2. O petróleo não sairá tão logo

PDF Criptografado

2

O PETRÓL EO NÃO SAIRÁ TÃO LOG O

Há uma importante pressão mundial para diminuir nossa dependência de combustíveis fósseis, como petróleo, gás natural e carvão. Muitos malefícios são atribuídos à produção do gás dióxido de carbono (CO2), pela combustão dos hidrocarbonetos das substâncias mencionadas.

Um hidrocarboneto saturado ou alcano tem a fórmula química geral dada pela equação (2.1)

CnH2n + 2 (2.1) em que n é o número de átomos de carbono.

A denominação saturado origina-se do fato de que as quatro valências químicas do carbono estão ocupadas, seja por outros átomos de carbono, seja por átomos de hidrogênio, isto é, existem apenas ligações químicas simples unindo o átomo de carbono a outros átomos.

Na maioria das vezes, esses átomos de carbono estão ligados a átomos de hidrogênio ou a outro átomo de carbono, originando a família dos alcanos, a classe mais simples dos hidrocarbonetos saturados.

5

curso_de_quimica_engenharia.indb 5

 

3. Etanol e gasolina

PDF Criptografado

3

ETANOL E G AS OLINA

Não há dúvidas de que o combustível renovável líder no mercado seja o etanol ou álcool etílico (H3C-CH2OH), cuja fórmula escrita em forma alternativa é mostrada na Figura 3.1.

Mesmo que o etanol seja uma novidade como combustível de primeira importância, ele é um velho conhecido do homem.

Entre os anos 10.000 e 4.000 a.C., o ser humano aprendeu a comer cereais silvestres. Depois, descobriu que esses podiam ser plantados. Então, teve a ideia de guardar o que sobrou para tempos de escassez. Umidade e leveduras do ar fizeram o resto: a primeira cerveja13. E, assim, nossos antepassados conheceram o álcool. Algum tempo depois, descobririam também o vinho.

H3C

FIGURA 3.1  Estrutura

OH

molecular do etanol.

Tudo isso aconteceu no Oriente Médio, onde hoje se encontram paí­ ses como Egito, Iraque, Irã, Turquia, etc. Não há razão para supor que essa descoberta aconteceu em um único lugar ou em uma única ocasião.

9

 

4. Fotossíntese

PDF Criptografado

4

FOTOS S ÍNTES E

Os estudiosos desta área estimam que o início da fotossíntese se deu no planeta há aproximadamente 3,5  109 anos, e plantas e algas multicelulares teriam seu começo 1  109 anos antes de nossa

época.

Desse ponto de vista, o álcool tem uma vantagem natural: a fotossíntese. Com efeito, a cana-de-açúcar, como toda planta, para crescer, captura carbono da atmosfera e libera oxigênio. A reação depende da absorção de energia na forma de radiação solar e da presença de clorofila, o pigmento verde das plantas que controla a reação (4.1):

6CO2 + 6H2O + luz solar → C6H12O6 + 6O2 (4.1)

A molécula de seis átomos de carbono produzida representa um açúcar, composto que será o alimento e reserva energética da planta. Logo, formam-se outras moléculas que dão a estrutura da planta, como celulose e lignina. Dessa forma, uma planta em crescimento

19

curso_de_quimica_engenharia.indb 19

27/01/16 3:46 PM

CU R S O D E QUÍMICA PARA ENGENHARIA . VOLUM E I : E N E R G I A

 

5. Gás natural

PDF Criptografado

5

GÁS NATURAL

O gás natural é o mais limpo dos combustíveis fósseis; apresenta baixa emissão de dióxido de enxofre (SO2) e de resíduos presentes na fumaça do processo de sua combustão, o que reduz os impactos ambientais.

É possível encontrar gás natural embaixo de rochas isolantes, em profundidades variáveis. Os depósitos foram formados por degradação de matéria orgânica, principalmente micro-organismos, em tempos pré-históricos. A matéria foi submetida a altas pressões em ausência de oxigênio. O gás natural que pode ser encontrado juntamente com o petróleo, no mesmo reservatório, é chamado de associated-dissolved, o que significa que o gás natural está associado ou dissolvido em óleo bruto. Nesse caso, o gás costuma auxiliar na extração do petróleo, e tem pouco uso comercial. O gás natural que acompanha o petróleo pode, inclusive, ser queimado sem ser utilizado. Também pode ser encontrado em reservas apenas de gás, sendo chamado de non-associated.

O componente principal do gás natural é o metano (CH4), que representa 70% ou mais do volume. Possui quantidades menores de etano (H3C-CH3), propano (H3C-CH2-CH3) e pequenas quantida25

 

6. Óleo diesel

PDF Criptografado

6

ÓLEO DIES EL

O óleo diesel é um combustível fóssil, derivado do petróleo, que se constitui basicamente de hidrocarbonetos (composto químico formado por átomos de hidrogênio e carbono). Possui aproximadamente

75% de hidrocarbonetos saturados (parafina) e 25% de hidrocarbonetos aromáticos (naftalenos e alquilbenzenos). O óleo diesel é o resultado dessa mistura, tendo entre 8 e 21 carbonos; em sua composição, tem baixas concentrações de oxigênio, nitrogênio e enxofre. 

A queima do óleo diesel libera na atmosfera uma grande quantidade­ de gases poluentes, conhecidos popularmente como gases responsáveis pelo efeito estufa. Mas esses gases são realmente responsáveis por esse processo? Entre os que também prejudicam a saúde humana, podem ser citados o monóxido de carbono (CO), o monóxido de nitrogênio (NO) e o dióxido de enxofre (SO2).

No passado, o óleo diesel continha grandes concentrações de enxofre, entretanto, algumas medidas, tanto na Europa quanto nos Estados Unidos e no Brasil, vêm sendo tomadas de modo a limitar ou diminuir a concentração desse composto. Em particular, no Brasil,

 

7. Hidrogênio

PDF Criptografado

7

H idrog ênio

O gás hidrogênio (H2) é mais uma opção de combustível, o que não deve ser confundido com seu emprego em celas a combustível (ver

Capítulo 8). Como combustível para motores de combustão interna, tem aplicação semelhante à do gás natural.

O uso de hidrogênio como combustível é vantajoso. Pode ser gerado por hidrólise da água, em um processo aparentemente limpo, por meio de corrente elétrica. De fato, o grau de limpeza dependerá da forma de obtenção da energia elétrica.

O acoplamento de energia eólica (ver Item 11.1) com planta de geração de hidrogênio por hidrólise é uma opção possível e uma alternativa às fontes de energias mais poluentes.

No entanto, as expectativas, e até promessas, da indústria automobilística de dez anos atrás estão se apagando. O custo de produção do carro a hidrogênio é dez vezes maior que o de um carro elétrico, que ainda é muito caro, se comparado ao movido a gasolina ou álcool.

Ainda há problemas difíceis e dispendiosos de armazenamento, transporte e rendimento do gás hidrogênio. Em algumas cidades do

 

8. Celas a combustível

PDF Criptografado

8

C E LAS A COMBUSTÍVEL

A julgar pelas apresentações de automóveis mais recentes, tanto o carro a hidrogênio como o veículo movido por cela a combustível não parecem fazer muito sucesso com os fabricantes. Pode-se acrescentar que essas duas últimas fontes de energia estão um tanto ausentes do noticiário no que tange a outras de suas aplicações, como a alimentação energética de residências, por exemplo.

A situação é extremamente dinâmica, com competições no campo econômico, tecnológico e até mesmo político, e os competidores são justamente países, empresas, prestígios e tradições.

A volatilidade das propostas tecnológicas inovadoras sofre pressão de fatores como efeito estufa, mudanças climáticas e aquecimento global. Parece ter sido criado um desespero no sentido de acabar com o uso de combustíveis fósseis. Como já foi antecipado no Capítulo 2, embora as inovações estejam sendo bem recebidas, os combustíveis fósseis permanecerão em uso ainda por muitas décadas. No Capítulo 14, o tema em debate mundial das eventuais

 

9. A energia hidroelétrica é limpa?

PDF Criptografado

9

A E NERG IA HIDROEL ÉTRICA É LIM PA?

A obtenção de energia hidroelétrica está crescendo e vários países estão construindo barragens, a China está à frente nesse processo. Lá, a central de Três Gargantas, no Rio Yangtzé, quando concluída, será a maior do mundo, superando a de Itaipu, no Rio Paraná, entre Brasil e Paraguai.

A água, ao cair das barragens, ou quando simplesmente flui para níveis mais baixos, faz as turbinas rodarem, gerando eletricidade; ou seja, energia potencial é transformada em energia cinética e logo em energia elétrica. Como ainda não possuímos meios de reserva de energia elétrica de alta capacidade, as represas programam a abertura de comportas para os períodos de aumento de consumo.

Mais uma vez, fala-se do sol, o gerador inicial. O calor do sol provoca a evaporação das águas que precipitam de locais altos, permitindo o acúmulo de energia potencial para ativar as turbinas das represas.

A energia hidroelétrica certamente é renovável, mesmo perdendo ainda em aplicação para os combustíveis fósseis. Contudo, podemos considerá-la limpa? A construção das represas tem um custo humano

 

10. Energia nuclear

PDF Criptografado

10

E NE RG IA NUCLEAR

A utilização da energia nuclear também está em crescimento. Há paí­ ses na Europa que dependem pesadamente dela. Outros, em estágio pouco avançado de tecnologia, por razões políticas, de prestígio ou futuras necessidades, tentam adquirir o conhecimento para o processo de produção de energia por meio de plantas nucleares.

Se há um tipo de energia que conseguiu quase unanimidade em rejeição por grupos ambientalistas atuantes, a energia nuclear é ou foi uma delas. O fato de ainda não existir um destino apropriado para os resíduos das plantas nucleares pesa. Por milhares de anos, esses resíduos continuam perigosos se entram em contato com seres vivos,

água, solo ou ar.

Controversa, a energia nuclear passou a ter destaque na mídia por estar, na maioria das vezes, envolvida em guerras, contaminações e grandes desastres. Contudo, a energia nuclear também traz benefícios, como a geração de energia, que pode substituir a gerada por hidroelétricas (também alvo de críticas em razão do grande impacto ambiental causado pela construção de suas plantas, conforme abordado no Capítulo 9).

 

11. Energias limpas

PDF Criptografado

11

E NE RG IAS L IMPAS

Em comparação com as fontes de energia que foram descritas até aqui, as que serão abordadas a seguir podem ser consideradas limpas. Entre elas, está a energia cinética, a qual pode ser gerada por ventos, pelas águas dos oceanos ou ainda por fontes de água quente ou vapor originados abaixo da superfície terrestre.

11 .1. ENERG IA EÓL ICA

A energia eólica é conhecida pela humanidade desde, aproximadamente, os anos 200 a.C, quando os agricultores da antiga Pérsia perceberam que podiam utilizar, de alguma forma, a força dos ventos para auxiliá-los na moagem dos grãos e no bombeamento de água.

Com isso, eles criaram a primeira forma de moinho de vento. Esses moinhos, similares a um cata-vento, foram utilizados até o século

XII, época em que começaram a surgir os moinhos para farinha no formato que conhecemos e que é utilizado até hoje em países como

Inglaterra, França e Holanda, entre outros.

No entanto, essa tecnologia passou a ser usada para a geração de eletricidade apenas no final do século XIX, sendo que somente em

 

12. O transporte de energia elétrica

PDF Criptografado

12

O T RANS PORTE DE ENERG I A E LÉT R ICA

Antes de abordar o tema do transporte de energia elétrica, há algo a se pensar: a criação de diversas centrais geradoras de energia menores próximas aos centros de consumo.

Com frequência, o centro produtor de eletricidade encontra-se afastado do centro consumidor. O Brasil é um exemplo disso, com usinas hidroelétricas localizadas longe das zonas urbanas ou industriais, por exemplo, a usina de Itaipu e a distância que ela está da

Região Sudeste. O transporte de eletricidade acaba sendo tão importante quanto a sua produção.

Os melhores condutores elétricos conhecidos são os metais prata

(Ag), com condutividade de 63  106 S.m-1 (S é o símbolo para Siemens), e cobre (Cu), com 60  106 S.m-1. Por causa da sua abundância e preço, esse último é usado mundialmente.

O cobre é um metal pesado, com densidade d = 8,94 g/cm3. Os cabos de Cu devem ter diâmetro suficiente para suportar o fluxo de corrente elétrica, além de estarem cobertos por isolantes eficientes.

 

13. Teoria de bandas e condutividade elétrica

PDF Criptografado

13

T EORIA DE BANDAS E CON DUT IV IDADE

E LÉTRICA

A teoria de bandas, aplicável aos sólidos, permite uma visão dos conceitos de condutor, semicondutor e isolante para a condução elétrica.

Para quem enfrentará desafios nessa área, essa teoria também fornece uma boa ideia intuitiva das propriedades desejáveis nos diversos casos.

A Figura 13.1 contém uma representação da estrutura dos níveis eletrônicos de três tipos de sólido: (a) isolante (vidro ou cimento), (b) semicondutor (poliacetileno sem dopagem) e (c) condutor (cobre).

As bandas virtuais são as bandas condutoras. Nelas, os elétrons se deslocam livremente pelo material. No caso do isolante, a distância energética entre o nível de energia maior da banda ocupada (denominado nível de Fermi) e a banda virtual é grande, de modo que a possibilidade de um elétron superar essa diferença de energia é muito restrita. Antes disso, o material pode entrar em ignição.

Já no caso do semicondutor, a diferença de energia entre as duas bandas (EGAP, do inglês gap, que significa diferença, fenda) pode ser da ordem de 2 eV e um aumento da temperatura pode favorecer

 

14. O debate sobre as mudanças climáticas

PDF Criptografado

14

O D E BATE S OBRE AS MUDA N ÇAS

C LIMÁTICAS

14 .1 FATORES QUE DETERM IN AM O

C LIMA DO P LANETA

Acredita-se que plantas e algas, ou seja, seres vivos multicelulares, existam no planeta há um bilhão de anos. Muitos eventos graves aconteceram com o clima, mas não o suficiente para acabar com os seres vivos.

O sol tem sido e continua sendo o grande controlador do nosso clima. A energia que emana dele não é uma constante, mas há mudanças periódicas. A mais bem conhecida refere-se às manchas solares, de uma periodicidade de aproximadamente 11 anos. Mas há outros fenômenos periódicos de duração de milhares ou mais anos, alguns até que não conhecemos.

Importante também é lembrar que as condições reinantes no sistema planetário são influenciadas pelas características da região da galáxia que ele atravessa.

O planeta, no entanto, não é espectador indiferente com relação ao seu clima. Em primeiro lugar, estão os vários movimentos

69

curso_de_quimica_engenharia.indb 69

 

15. Comentários iniciais sobre o desastre nuclear em Fukushima

PDF Criptografado

15

COMENTÁRIOS INICIAIS S O B R E O

D ESASTRE NUCLEAR EM FUK USH IMA

Levará ainda bastante tempo antes de se ter uma avaliação completa do desastre de Fukushima, onde o drama humano maior foi provocado pelo terremoto e pelo tsunami.

Passaram-se 25 anos desde o desastre nuclear de Chernobyl, ainda hoje cidade-fantasma e terra arrasada. Em Chernobyl, o césio contaminou em cadeia: o solo, a vegetação que extrai nutrientes do solo, o gado que se alimentava dessa vegetação, as pessoas que tomaram o leite de vacas contaminadas.

Por enquanto, a crise no Japão aparece como mais próxima do acidente de Three Mile Island em 1979, mesmo que ainda haja muita falta de informação. Na usina soviética, houve explosão do reator, enquanto, na americana, houve derretimento parcial das varetas de combustível. Esse parecia ser o caso no Japão, mas lá houve morte por radiação, o que não aconteceu em Three Mile Island.

Os autores agradecem aos alunos de pós-graduação do Instituto de Química de São

 

Detalhes do Produto

Livro Impresso
eBook
Capítulos

Formato
PDF
Criptografado
Sim
SKU
BPPD000248535
ISBN
9788520435045
Tamanho do arquivo
20 MB
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
Formato
PDF
Criptografado
Sim
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
SKU
Em metadados
ISBN
Em metadados
Tamanho do arquivo
Em metadados