Do Sol ao aquecimento - dulce-campos.comdulce-campos.com/wordpress/wp-content/uploads/2012/09/1ªLei... · CONDUÇÃO e CONVECÇÃO 18-04-2013 Dulce Campos 3 . Condução é um mecanismo

DO SOL AO

AQUECIMENTO

A energia no aquecimento/ arrefecimento de

sistemas

A ENERGIA NO

AQUECIMENTO/

ARREFECIMENTO DE

SISTEMAS Mecanismos de transferência de energia entre

sistemas a diferentes temperaturas

18-04-2013 Dulce Campos 2

Energia térmica é a fracção da energia interna de

um corpo que pode ser transferida devido a uma

diferença de temperaturas

∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄

Energia Térmica – Vulgo “Calor”

Faz-se por mecanismos de

CONDUÇÃO e CONVECÇÃO


Condução é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material sem que ocorra

transporte de matéria.


CONDUÇÃO TÉRMICA

CONDUÇÃO TÉRMICA

• Pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases, mas é preferencialmente, um mecanismo característico dos materiais sólidos.

• Nos líquidos e gases deve-se às colisões entre as suas moléculas constituintes, durante o seu movimento aleatório.

• Nos sólidos deve-se às vibrações das partículas da rede.

• Nos metais deve-se à combinação entre as vibrações entre as partículas da rede metálica a o transporte de energia pelos electrões livres.

Não confundir condução térmica com condução eléctrica que está relacionada com

um movimento ordenado dos electrões livres entre dois pontos que se encontram a

potenciais eléctricos diferentes.


Convecção é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material mediante

transporte de matéria. Ocorre em fluidos (líquidos ou gases) através de correntes

de convecção.


CONVECÇÃO TÉRMICA

Convecção

Natural

• Movimento de

massas de fluido, que

provoca a

transferência de

energia sob a forma

de calor de uma zona

para outra.

• É causado pelas

diferenças de

densidade devidas à

expansão térmica

Convecção

Forçada

• Utilizam-se

dispositivos

mecânicos, como

ventoinhas ou bombas,

cuja função é forçar a

saída das porções

mais quentes do fluido,

que se encontram

junto aos componentes

quentes da máquina ,

maximizando a

convecção.


Taxa temporal de transferência de energia sob forma de calor através de

uma parede de espessura L, área A e com uma diferença de temperatura

T2 – T1 entre as suas duas faces.


Factores que influenciam o mecanismo de condução nos

diferentes materiais

Evitar as perdas de energia sob a forma de calor numa casa de habitação

pode representar cerca de 22% de redução no consumo energético global

Estima-se que cerca de 60 % da energia usada para aquecimento

durante o Inverno se escapa através das paredes, do tecto e do

soalho.


A condutividade térmica em casas de habitação

A condutividade térmica em casas de habitação

Uma casa devidamente isolada é aquela onde as trocas de energia com o exterior

são minimizadas, através da utilização das técnicas de construção adequadas e do

recurso a materiais que possuam uma baixa condutividade térmica

É necessário considerar também os seguintes parâmetros para a construção

de uma casa: localização; orientação; área exposta; cor das paredes;

sombreamento.



Colectores Solares


• reservatório de água fria-

função de alimentar com água

fria o reservatório térmico;

• reservatório térmico ou

"boiler, função de armazenar e

conservar a água quente para

consumo (pelo que deve ser

devidamente isolado, do ponto

de vista térmico)

• colector solar (plano), que

absorve a energia solar,

transmitindo-a para a água que

circula no seu interior

Colectores Solares


• Caixa hermeticamente fechada com

uma cobertura de vidro ou outo

material transparente.

• Cobertura tem como principal finalidade

provocar o efeito de estufa.

• O interior do colector é feito de

alumínio pintado de preto para que a

absorção de energia radiante seja

máxima.

• Fixada à chapa de alumínio, encontra-

se a tubulação em cobre

(condutibilidade térmica elevada)

onde circula água, que também é

pintada de preto.

• Pelo mecanismo de condução, a

energia transferida para a chapa e

para os tubos é absorvida pela água

sob a forma de calor aumentando a

sua temperatura.

Colectores Solares


• Uma vez aquecida, fica menos densa, gera

correntes de convecção e sobe, indo para o

reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce

para a parte inferior do reservatório. A água quente,

pronta para consumo, é retirada da parte superior do

reservatório, e uma nova quantidade de água é

introduzida na parle inferior, prosseguindo o processo.

• A cobertura de vidro permite minimizar as “perdas de

calor” por convecção do ar que se encontra

aprisionado dentro do colector solar, além de impedir

que entrem dentro do colector as águas da chuva,

materiais sólidos, poeiras, etc.

• Apesar de a cobertura de vidro ser indispensável,

sempre ocorrem nela “perdas de calor” por

reflexão da radiação solar incidente, o que deverá

ser minimizado

• Para evitar “as perdas de calor” por condução no

colector, a chapa de alumínio é isolada da parede

exterior do colector com um material isolador

térmico, geralmente poliuretano expandido ou lã de

vidro.

Colectores Solares


• Para os Gregos o calor era uma substância que entrava e saía dos

objectos.

• Até meados do século XIX o calor era encarado como um fluido : o

fluido calórico (Lavoisier).

• As experiências de Benjamin Thompson, conde de Rumford (1797)

mostraram que havia uma equivalência entre calor e trabalho e

evidenciaram a existência de uma quantidade que se conservava,

assumindo embora formas diferentes e podendo estar em locais

diferentes. Este é o ponto de partida para a formulação de uma lei geral

de conservação da energia

• O calor e o trabalho são dois processos de transferência de energia: o

primeiro, devido ao facto de estarem em contacto dois corpos a

temperaturas diferentes, é uma transferência desordenada; o

segundo, resultando de trabalho macroscópico, é uma transferência

ordenada.

Conceito de Calor


Mayer foi um dos cientistas que

formulou esta lei, em 1842,

partindo principalmente da reflexão

teórica e analisando experiências

realizadas por outros.

As experiências de Joule evidenciaram a

equivalência entre calor e trabalho como

processos de transferências de energia

e permitiram calcular o chamado

"equivalente mecânico do calor".

Mostraram que a energia tem a

propriedade de se transferir e de se

transformar, conservando-se sempre

1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia



O enunciado mais geral da lei é o seguinte:

Num sistema não isolado a variação da energia é igual à soma das

energias transferidas de (ou para) as suas vizinhanças, sob a forma

de calor e (ou) sob a forma de trabalho mecânico.

• Isto é, se somarmos a energia do sistema com a das suas vizinhanças,

essa soma é constante, embora, ao longo do tempo, ela possa

assumir formas diferentes ou transitar de um local para outro.

…há uma certa quantidade, a que chamamos energia, que não varia durante as

diversas mudanças que a natureza sofre. Esta é uma ideia muito abstracta porque é

um princípio matemático. Não é a descrição de um mecanismo, nem algo de

concreto: é justamente um facto estranho que possamos calcular um dado número e

que, quando observamos a natureza, depois de levar a cabo as suas habilidades, e

calculemos o número de novo, ele é o mesmo.

Richard Feynman



∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄

Etotal = Ep macroscópica + Ec macroscópica + U

∆𝑬𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟎

Se se considerar todas as contribuições energéticas, macroscópicas

e microscópicas,

∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝟎

Sistema isolado



∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹

Num Sistema não isolado que interage com as suas

vizinhanças, quer do ponto de vista mecânico quer do ponto

de vista termodinâmico

No caso particular dos sistemas

termodinâmicos

∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹

∆𝑼𝒔𝒊𝒕𝒆𝒎𝒂 𝒊𝒔𝒐𝒍𝒂𝒅𝒐 = 𝟎

1ª Lei da Termodinâmica


A variação de energia interna sofrida por um sistema termodinâmico

não isolado é igual à soma algébrica da quantidade de energia

transferida entre ele e as vizinhanças, por processos de calor,

trabalho e radiação.

Convenção de Sinais

• Tudo o que “entra” no sistema é

positivo, provoca aumento de

energia interna – ΔU >0

• Tudo o que “sai” do sistema é

negativo, provoca diminuição de

energia interna – ΔU<0

1ª Lei da Termodinâmica: Caracterização dos Processos


Os processos termodinâmicos podem ser caracterizados pelo

facto de alguma propriedade do sistema - temperatura, pressão

e volume - se manter constante durante o processo

Deriva do

grego

adiábatos,

significa

intransponível

1ª Lei da Termodinâmica


Descreve e gere todos os balanços energéticos que ocorrem num

sistema termodinâmico, durante os processos termodinâmicos de

interacção com as suas vizinhanças

Gere uma quantidade total de energia tendo em conta a sua

conservação

Aplicações?

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações.


1- Transferências de energia por absorção/emissão de radiação

• Sistema - Isolado

• Processo - Adiabático – Q=0

• Não é realizado trabalho

sobre/pelo sistema – W=0

∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹

∆𝑈 = 0 + 0 + 𝑅 ⟺ ∆𝑼 = 𝑹

As MO, ao serem absorvidas pelas moléculas de água dos alimentos, provocam

o aumento da energia cinética vibracional e rotacional destas moléculas,

aumentando a sua energia interna (o que resulta no aumento da temperatura

dos alimentos).

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações.


2- Transferências de energia por realização de trabalho

• Sistema - Fechado

• Processo - Adiabático –> Q=0

• É realizado trabalho sobre o sistema–> W>0

Empurrar o êmbolo

Compressão do gás

∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹

∆𝑈 = 0 + 𝑊 + 0 ⟺ ∆𝑼 = 𝑾

No caso inverso, puxar o êmbolo – expansão do gás, o

sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças, a

sua energia interna sofreria uma diminuição igual a -W,

isto é:

∆𝑼 = −𝑾

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações


3- Transferências de energia sob a forma de calor

Êmbolo fixo • as paredes do cilindro e o próprio êmbolo são

fronteiras diatérmicas - permitem trocas de

calor com o exterior;

• não há absorção nem emissão de radiação.

Fonte quente

Por condução ocorre transferência de

energia através das fronteiras do

sistema.

Por convecção, todo o gás atinge a

temperatura destas fronteiras

• Sistema - Fechado

• Processo - Isocórico –> W=0

∆𝑼 = 𝑸 + 𝟎 + 𝟎

O aumento da energia interna do gás deve-se

somente à energia que lhe foi transferida

sob a forma de calor

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações


De 2 e 3 vimos que:

Em processos adiabáticos, a variação de energia

interna do sistema é igual ao trabalho mecânico

realizado pelo ou sobre o sistema.

Em processos isocóricos, a variação da energia

interna é igual ao calor transferido de ou para o

sistema

Transferências de energia sob a forma de calor:

Consequências?


Transferência de energia sob forma de calor pode ser

detectada macroscopicamente de duas formas

Variação de Temperatura Mudança de estado Físico

𝑄 = 𝑚 𝑐 △ 𝑇 Capacidade térmica

mássica

(Jkg-1K-1)

𝛥U= m c ΔT

𝑄 = 𝑚 𝐿

Δ𝑈 = 𝑚𝐿

Calor

transformação

mássico

Calor Latente

de …




Temperatura em função do tempo de aquecimento e da energia fornecida

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