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ENERGIA – do SOL para a
TERRA
A energia solar chega à Terra sob a forma de radiação
electromagnética, a qual se propaga no vazio com a velocidade de
3,00x108m/s.
A luz visível é uma pequena parte do espectro electromagnético,
que inclui desde ondas de rádio até raios gama.
A radiação electromagnética comporta-se como uma onda
electromagnética; é caracterizada pelo comprimento de onda (λ) e
pela frequência (f).
Todos os corpos irradiam energia.
A potência que um corpo irradia está relacionado com a sua
temperatura: P=eσAT4
O comprimento de onda da radiação mais abundante no espectro de
emissão de um corpo está também relacionado com a sua
temperatura:
λpico=0,00290/T
Os corpos que melhor emitem são os que melhor absorvem.
A radiação solar que atinge a Terra é reflectida, difundida e
absorvida pela atmosfera. Parte desta energia atinge o solo.
A atmosfera terrestre difunde melhor a radiação visível com menor
comprimento de onda (a azul).
A absorção da radiação solar pela atmosfera depende das
substâncias que a constituem. O metano e o dióxido de carbono
absorvem a radiação.
A camada de ozono existente na estratosfera protege os seres
vivos.
O ozono que se encontra junto ao solo está associada a uma
poluição atmosférica intensa.
Um corpo está em equilíbrio térmico radiativo se absorve tanta
radiação como aquela que emite.
O efeito de estufa é responsável pelo facto de a temperatura à superfície
da Terra ser bastante superior à temperatura calculada, considerando o
equilíbrio térmico radiativo.
A presença de CO2, de CH4 e de H2O na atmosfera dos planetas provoca
aumento de temperatura, por efeito de estufa. O aumento da concentração
destas substâncias na atmosfera tem consequências no aquecimento global
do nosso planeta.
Os painéis solares permitem produzir energia eléctrica, a partir da
radiação solar que neles incide. Se cobríssemos todos os telhados
portugueses com painéis solares seria possível produzir a energia
eléctrica de que o país necessita.
Energia Solar
transfere-se por
Painéis fotovoltaícos
Colectores Solares
Radiação Solar
Terra + atmosfera
Emissão de radiação
Absorção de radiação
Sistema Termodinâmico
Equilíbrio térmico com a sua vizinhança
Temperatura média da Terra
Balanço energético
para
a qual constituí na qual ocorre a
em responsáveis pela
calculada
por
pode ser aproveitada por
Lei Zero da Termodinâmica
Sistema termodinâmico
TERRAReceptor de energia Fonte de energia
Equilíbrio Térmico
Variação de temperatura
E fornecida = E emitida
Temperatura média constante
porque há
é
está em
é é
Aquecimento da Terra
Absorvida
TERRA Receptor de energia
Dispersada
Luminosidade
Recebe energia do Sol
Reflectida
porque
que é
é
por
Camada alta da atmosfera
Radiação do albedo
Solo
Visualização da
Terra
determinada pela
Potência total irradiada
TERRA Fonte de energia
Lei de Stefan-Boltzman
Emite Energia
Espectro Electromagnético
porque
associada a
é
relacionada com
P=eσAT4
Deslocamento de Wien
λxT=constante
ENERGIA – no aquecimento e
arrefecimento de sistemas
Mecanismos de transferência de Energia
O calor transfere-se entre sistemas que se encontram a temperaturas
diferentes.
Os mecanismos de transferência de energia como calor são a
condução e a convecção.
A condução
Ocorre sem transporte de matéria
Verifica-se nos corpos sólidos
É devido à colisão de electrões livres com iões (positivos),
originando um aumento da energia cinética interna que é
transmitida aos corpúsculos vizinhos.
A convecção
Ocorre com transporte de matéria
Verifica-se nos fluídos (corpos líquidos e gasosos)
É devido ao aumento da energia cinética interna, o que origina uma
expansão e diminuição da densidade.
O fluído menos denso (quente) sobre, obrigando o mais denso (frio) a
descer.
Temperatura
Escala Celsius (ºC)
Escala termodinâmica ou escala absoluta
No SI a temperatura mede-se em Kelvin (K)
θ=T-273,15
Δθ=ΔT
Capacidade térmica mássica
Q = c x m x Δθ
A variação de temperatura, experimentada pelo corpo, depende da
natureza e da massa da substância que o constitui e da quantidade de
calor, que lhe é fornecida.
c = Q/(mx Δθ)
A capacidade térmica mássica de uma substância é numericamente igual à
quantidade de energia que é necessário transferir para a massa de 1kg dessa
substância, para que esta experimente a variação de temperatura de 1k (ou de
1ºC).
A unidade no SI é J/(Kg.K)
Materiais condutores e isolantes de calor
Nem todos os materiais têm a mesma facilidade de transmitir a energia
como calor, por unidade de tempo. Por essa razão, os materiais
classificam-se em:
BONS CONDUTORES
Condutividade térmica elevada
Elevada taxa temporal de transmissão da energia como calor
MAUS CONDUTORES
Baixa condutividade térmica
Baixa taxa temporal de transmissão de energia como calor
Taxa temporal de calor
Ou quantidade de calor por unidade de tempo
Taxa temporal de calor = Q Δt
Condutividade térmica
Os metais conduzem bem o calor. Os gases, a lã, o poliestireno
expandido e o material constituído por fibras de vidro são maus
condutores. Estes últimos exemplos contêm micro bolsas de ar na sua
estrutura. A pedra o betão são condutores intermédios. As pegas de
plástico ou de madeira, nas frigideiras e nas panelas, destinam-se a
impedir que o calor seja conduzido da peça metálica para a nossa mão.
Sob o ponto de vista térmico, os materiais são caracterizados pela
chamada condutividade térmica (K)
Verifica-se que a energia transferida, como calor, por unidade de tempo,
através de uma parede, é directamente proporcional à área, A,
inversamente proporcional à espessura da parede, L, e directamente
proporcional à diferença de temperatura, Δθ, existente entre o interior e o
exterior da parede.
Condutividade térmica
Lt
KA
Q
Q – Energia transferida como calor - J
Δt – intervalo de tempo - s
K – condutividade térmica - W/(m.K)
A – área – m2
L – espessura – m
Δθ – variação de temperatura – K Δθ=θf-θi
θ1θ2
L
Condutividade térmica
UAQ
tU – Coeficiente de condutividade térmica – W/(m2.K)
L
KU
Se quisermos que a energia não seja conduzida através das paredes,
como por exemplo, nas habitações e nos frigoríficos, temos de utilizar
materiais com baixa condutividade térmica. O poliuterano e o poliestireno
são utilizados com essa finalidade.
1º Lei da Termodinâmica
Através da lei da Conservação de Energia, sabe-se que sempre que
ocorre uma transformação e/ou transferência de energia esta conserva-se,
visto que um sistema cede energia e o outro recebe.
Os sistemas transferem energia entre si, através do calor (Q), trabalho
realizado (W) e emissão ou absorção de radiação (R), podendo só originar
a variação de energia interna.
Para que se continue a verificar a Lei da conservação da Energia:
ΔU=Q+W+R
Esta expressão traduz a 1ª Lei da termodinâmica.
1º Lei da Termodinâmica
A energia transferida entre um sistema não isolado e a
vizinhança, como calor, trabalho ou radiação, é igual à variação de
energia interna do sistema.
Por convenção, considera-se que:
Toda a energia fornecida ao sistema é positiva (Q>0,W>0 e R>0)
Toda a energia cedida pelo sistema à vizinhança é negativa
(Q<0,W<0 e R<0)
1º Lei da Termodinâmica
Transferências de energia que podem apenas traduzir variações
de energia interna dos sistemas.
Calor: se estiver a aquecer um gás num recipiente fechado Q=U
Trabalho: gás a ser comprimido com um êmbolo w=U
1º Lei da Termodinâmica
A variação de energia interna pode ocorrer em situações específicas,
onde não se verifica transferência de energia como radiação,
nomeadamente:Transformação Variável de estado constante
Verifica-se Variação de energia interna
AdiabáticaCalor
(compressão rápida do ar
numa bomba de bicicleta)
•Transformações em recipientes termodinamicamente isolados•Compressão e expansão de gases
ΔU=WQ=0R=0
Isotérmica Temperatura
•Compressão e expansão lenta de gases
ΔT=0 => ΔU=0 Q= -WR=0
1º Lei da Termodinâmica
Transformação Variável de estado constante
Verifica-se Variação de energia interna
Isobárica Pressão
•Aquecimento ou arrefecimento de um líquido em sistema aberto
W= P x ΔVΔU= P x ΔV + QR=0
Isocórica Volume
•Aquecimento ou arrefecimento de um líquido em sistema fechado e com fronteira rígida
ΔV=0 => W=0ΔU=QR=0
Quando há transferência de energia como radiação, esta pode ocorrer
conjuntamente, ou individualmente, quando o trabalho e o calor forem nulos.
W=0 e Q=0 => ΔU=R
2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Os fenómenos naturais ocorrem espontaneamente num determinado
sentido. Embora a 1ª lei não proíba que o calor possa ser transferido,
espontaneamente de um corpo que está a temperatura mais baixa, para
outro que está a temperatura mais elevada, a verdade é que isso não
ocorre. Também não é possível embora a 1ª lei não o proíba, que um
sistema, cujas partículas estão desordenadas, evolua espontaneamente
para um estado em que elas fiquem ordenadas. A 2ª lei permite clarificar
o sentido em que os processos espontâneos evoluem.
2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Devido à degradação da energia não é possível que um processo
espontâneo seja reversível sem a realização de trabalho da vizinhança
sobre o sistema, o que se traduz pela 2ª lei.
Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se
sempre no sentido da diminuição da energia útil.
Processo espontâneo: ocorre sem que a vizinhança actue sobre o
sistema, realizando trabalho, transferindo calor ou radiação.
Processo reversível: ocorre de modo a que o sistema possa retomar o
estado anterior ao processo, sem alterar a energia do sistema e da
vizinhança.
2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Postulada de Kelvin
Nenhum sistema termodinâmico que funcione de modo cíclico, pode
transferir calor de uma única fonte, transferindo-o integralmente em
trabalho.
Há sempre degradação de energia!
2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Postulada de Clausius
É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a
temperatura mais baixa para outro a temperatura mais alta.
PROCESSO ESPONTANEO
Só ocorre se for realizado trabalho
Ex: frigorífico
Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se sempre no sentido da diminuição da energia útil.
2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Entropia
Uma nova variável de estado termodinâmica. Mede a desordem de um
sistema.
Rendimento de uma máquina térmica é igual ao quociente entre o
trabalho realizado pela máquina e a energia que a máquina recebe
como calor, através da fonte quente.
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