Como relacionar a altura de uma queda d` água com seu potencial energético;

A relação entre a vazão volumétrica de uma usina hidroelétrica e o seu potencial energético.

Conceito de energia mecânica e tipos de energias mecânicas.

Definição de vazão de um líquido, trabalho e potência.

Estratégia de Ensino:

- Aula conceitual;

- Aula interativa com recursos de multimeios.

Introdução à aula:

Inicie a aula perguntando aos alunos se eles sabem o que é considerado para determinar o potencial energético de uma usina hidroelétrica, isto é, a quantidade de energia que a usina poderá produzir depois de construída. Também pergunte quais são os elementos considerados quando se deseja utilizar um rio para a construção de uma usina hidroelétrica. Você deverá encaminhar a discussão de forma que os alunos percebam que é necessário um terreno acidentado por onde os rios fluem, uma turbina e um gerador eficientes para que a construção de uma usina hidroelétrica seja vantajosa.

Figura 1: Esquema de uma usina hidroelétrica

Disponível em http://ciencia.hsw.uol.com.br/usinas-hidreletricas1.htm acesso em 11/10/2010 

Com relação aos rios, apresente para os alunos o decreto nº 2.003, de 10 de setembro de 1996 que regulamente as licitações para construção de hidroelétricas somente se o aproveitamento de potencial hidráulico de potência superior a 1.000 kW e igual ou inferior a 10.000 kW.

Decreto nº 2.003 http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto/D2003.htm acessado em 11/10/2010. 

Chegando neste ponto você poderá deduzir a fórmula da potência hidráulica disponível (Potência = densidade. vazão. gravidade. altura) partindo da definição de potência (Potência = trabalho/intervalo de tempo). Para isso, apresente para os alunos que a potência hidráulica de um rio pode ser calculada através do trabalho realizado pela força peso da água durante uma queda livre de altura h. Com isso, você poderá apresentar a definição de potência em função da energia potência gravitacional (P= m.g.h / intervalo de tempo). Lembre-os da definição de densidade (densidade = massa / volume) e substitua no lugar da massa e por último retome o conceito de vazão (Vazão = Volume / intervalo de tempo) para substituir a razão volume pelo tempo por vazão.

Atividade 1 - Tipos de usinas hidroelétricas considerando a vazão dos rios

Entregue para os alunos o questionário abaixo da figura 2 que deverá ser respondido com base no vídeo "Viagem pela eletricidade". Após os alunos responderem o questionário organize uma socialização das respostas de maneira a todos terem as respostas corrigidas.

O vídeo é uma animação de aproximadamente 5 minutos, bastante lúdica, que apresenta alguns tipos de usinas hidroelétricas utilizando uma linguagem acessível para seus alunos. Nele serão tratadas as usinas de alta, média e baixa queda, bem como suas características.

Figura 2: Vídeo "Viagem pela eletricidade"

 Disponível em http://www.youtube.com/watch?v=KIXl5LAiR4E&feature=related acesso em 11/10/2010.

Questionário:

1) Qual é o princípio da central de alta queda? Quais as características?

2) Qual é o princípio da central de média queda? Quais as características?

3) Qual é o princípio da central de baixa queda? Quais as características?

4) Qual a função dos reservatórios?

Atividade 2 - Geração de energia elétrica considerando a eficiência da turbina e do gerador

Separe os alunos em duplas e disponíbilize, no laboratório de informática, o recurso 1. Este recurso consiste na simulação do funcionamento de uma usina hidroelétrica que pretende produzir 400 MW de potência. Os alunos deverão regular a vazão para fornecer a potência correta sem desperdiçar a água represada. Peça que eles anotem as informações utilizadas (fórmulas, valores e resultados) para que no final uma dupla seja sorteada para socializar seus resultados. Depois desenvolva alguns exercícios que tragam informações e dados reais sobre potencial energético. Após o recurso 1 você encontrará algumas sugestões.

Eletricidade: como gerar? 

Recurso 1: Eletricidade: como gerar?

Disponível em http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=19427 acesso em 11/10/2010. 

Apresente outras situações para que os alunos utilizem os dados fornecidos pelo recurso 1: (g = 9,8 m/s²; ET = 0,96 e EG = 0,92). Exemplo:

1) Na fotografia abaixo você tem uma imagem da cidade de São Paulo na década de 70. Nesta época a cidade já necessitava de 17.700 MW de potência elétrica. Se a represa utilizada para fornecer energia para a cidade tivesse os mesmos dados da usina do recurso 1, cuja altura era de 120 m, qual deveria ser a vazão da represa?

Figura 3: Cidade de São Paulo

Disponível em http://1.bp.blogspot.com/_5_HMh9wCKMM/TB1Spby045I/AAAAAAAAAE8/dbw6zEIFuus/s1600/cidade+de+sao+paulo.jpg acesso em 11/10/2010.  

2) Sabendo que a Itaipu Binacional produz 14.000 MW e que a sua represa tem 196 m de altura. Qual é a vazão da usina?

Figura 4: Itaipu Binacional

Disponível em http://sanzovo.files.wordpress.com/2008/07/itaipu.jpg  acesso em 11/10/2010 

3) A Usina hidroelétrica de Mauá, no Paraná, com previsão de funcionamento em 2011, possuirá 84 metros de altura e uma produção estimada de 361 MW. Qual deverá ser a vazão desta usina?

Figura 5: Simulação da Usina hidroelétrica de Mauá

Disponível em http://www.usinamaua.com.br/ acesso em 11/10/2010 

Atividade 3 - Pesquisa avançada

Separe os alunos em grupos de até quatro pessoas e encaminhe uma pesquisa sobre os impactos ambientais da construção de usinas hidroelétricas e suas possíveis soluções.

Para que está apresentação fique dinâmica e atraia a atenção de seus alunos, proponha que eles apresentem as informações coletadas na forma de um documentário ou, até mesmo, de um telejornal que noticia a construção de uma usina hidroelétrica e seus impactos sobre o meio ambiente e moradores da região. Podem ser histórias fictícias baseadas em histórias reais. Você poderá avaliá-los pela criatividade e relevância dos dados coletados.

Apresente vídeos como "Xingu - SOS": http://www.youtube.com/watch?v=lW8E3WuKUqc&feature=fvst acesso em 20/10/2010, que noticiam a preocupação dos índios do Xingu com a construção da usina de Belo Monte ou "Tribunal suspende liminar que impedia construção da usina hidrelétrica de Belo Monte (AM)": http://www.youtube.com/watch?v=Lt6JCvsShMc com acesso em 20/10/2010, que noticia a suspensão da liminar contra a construção de Belo Monte levando em consideração os aspectos econômicos. Eles poderão ter o vídeo como base.

Figura 6: Xingu - SOS

Disponível em http://www.youtube.com/watch?v=lW8E3WuKUqc&feature=fvst acesso em 20/10/2010 

Caso seus alunos queiram se aprofundar na geração de energia em uma usina hidroelétrica, você poderá encaminhar o link disponível em http://ciencia.hsw.uol.com.br/usinas-hidreletricas.htm acessado em 11/10/2010, que apresenta dados e informações sobre o funcionamento das usinas hidroelétricas. Neste link também existe uma informação bastante curiosa sobre um sapato hidroelétrico que produz energia ao caminhar.

O link a seguir apresenta a história da Itaipu Binacional com imagens da época de sua construção e dados comparativos dos gastos realizados durante a sua construção.

Disponível em http://www.itaipu.gov.br/nossa-historia acesso em 11/10/2010. 

O aluno poderá ser avaliado através das participações na aula, na entrega dos exercícios da atividade 1e 2 e na apresentação de um documentário ou telejornal informativo sobre os impactos ambientais presentes na construção de uma usina hidroelétrica.