UNIDADE 1 Do Sol ao aquecimento

1.1. Energia do Sol para a Terra

Adaptado da Porto Editora1

1.1. Energia do Sol para a TerraObjecto de ensino

Balano energtico da Terra

Emisso e absoro de radiao. Lei de Stefan Boltzmann. Deslocamento de Wien Sistema termodinmico Equilbrio trmico. Lei Zero da Termodinmica A radiao solar na produo da energia elctrica painel fotovoltaico Objectivos de aprendizagem

Explicar que a temperatura mdia da Terra em grande parte determinada pela radiao que ela recebe do Sol, masque esta tambm emite energia, pois, caso contrrio, ficaria cada vez mais quente.

Identificar um sistema termodinmico como aquele em que so apreciveis as variaes de energia interna. Indicar que todos os corpos irradiam energia. Relacionar a potncia total irradiada por uma superfcie com a respectiva rea e a quarta potncia da sua temperaturaabsoluta (Lei de Stefan-Boltzmann).

Identificar a zona do espectro electromagntico em que mxima a potncia irradiada por um corpo, para diversosvalores da sua temperatura (deslocamento de Wien).

Relacionar as zonas do espectro em que mxima a potncia irradiada pelo Sol e pela Terra com as respectivastemperaturas.

Identificar situaes de equilbrio trmico. Explicitar o significado da Lei Zero da Termodinmica. Explicar que, quando um sistema est em equilbrio trmico com as suas vizinhanas, as respectivas taxas de absoroe de emisso de radiao so iguais.

Determinar a temperatura mdia de equilbrio radiativo da Terra com um todo a partir do balano entre a energia solarabsorvida e a energia da radiao emitida pela superfcie da Terra e atmosfera.

Interpretar o valor real da temperatura mdia da Terra, a partir da absoro e reemisso de radiao por alguns gasespresentes na atmosfera.2

Balano Energtico da Terra Energia do Sol para a Terra O Sol a principal fonte de energia do nosso sistema solar, libertando grandes quantidades de radiao electromagntica para o espao. A radiao electromagntica uma combinao entre campos ondulatrios elctrico e magntico (perpendiculares entre si), transporta energia e propaga-se no vazio a uma velocidade de aproximadamente 300 000 000 m/s. A radiao electromagntica pode ser caracterizada pela sua frequncia (f) e pelo respectivo comprimento de onda ( ). A sua velocidade de propagao no vazio relaciona-se com estas grandezas do seguinte modo: c = f x P Conhecendo a frequncia ou o comprimento de onda da radiao , tambm, possvel distinguir se uma zona do espectro electromagntico mais ou menos energtica do que outra.E=hc/P

Assim, a energia da radiao : directamente proporcional sua frequncia (E = h x f); inversamente proporcional ao seu comprimento de onda.

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Balano Energtico da Terra Energia do Sol para a Terra O Sol a principal fonte de energia do nosso sistema solar, libertando grandes quantidades de radiao electromagntica para o espao.

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Balano Energtico da TerraA temperatura superfcie da Terra que apresenta um valor mdio de 15 C (288 K) resulta de um balano energtico entre a energia que absorvida e a energia que emitida, uma vez que a Terra simultaneamente receptor e emissor de energia. Este valor tem-se mantido praticamente constante ao longo dos anos, uma vez que a Terra absorve energia, proveniente do Sol, mas tambm a emite.

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Balano Energtico da TerraA radiao solar incidente na Terra pode ser: reflectida na camada superior da atmosfera e por alguns materiais na superfcie terrestre (gua, gelo, neve,) dispersa pelas partculas da atmosfera (molculas, aerossis, ) absorvida pela atmosfera e pela superfcie terrestre (cerca de 45% da radiao total)

Balano energtico da Terra considerando que a quantidade de radiao solar que atinge o sistema Terra + atmosfera 100 unidades de energia.

no solo, e a quantidade de radiao incidente. O albedo da Terra de 30%.

Designa-se por albedo a razo entre a quantidade de radiao que se reflecte, quer na atmosfera quer

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Balano Energtico da TerraTENTA FAZER

1. Completa, no teu caderno, as frases seguintes de forma a obteres afirmaes cientificamente correctas. A - No aspecto energtico, a Terra + atmosfera um sistema ______________. aberto B - Em virtude dos papis que desempenha, o sistema Terra + atmosfera pode ser receptor ______________ de energia. fonte ______________ e

aproximadamente igual C - A quantidade de energia que entra no sistema Terra + atmosfera ________________________ que dele sai. radiao D - A temperatura mdia da Terra ajusta-se de tal forma que a ______________ emitida pelo planeta compensada absorvida pela que ______________. aumentar D - O efeito de estuda e a temperatura mdia da Terra parecem estar, nos ltimos anos, a ______________.

2. Considera os astros Terra e Lua. Qual o astro cujo albedo menor?

A Lua

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Balano Energtico da Terra Emisso e absoro de energiaA absoro, reflexo ou transmisso de radiao depende da superfcie em que esta incide. Ou seja, dependendo da sua forma e natureza, h superfcies que so melhores emissoras/absorsoras de radiao do que outras.

A emissividade (I) mede a maior ou menor tendncia que determinado corpo tem em emitir radiao O poder de emisso (irradiao) de energia est associado : natureza do corpo. rea exposta. temperatura absoluta a que se encontra. Clique para ouvir

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Balano Energtico da Terra Poder de emisso de um corpoPoder de emisso ou emissividade (e) - Capacidade que um corpo tem para emitir radiao. Depende da natureza das superfcies e toma valores entre 0 e 1. Por conveno, os corpos que no emitem nenhuma radiao tm emissividade zero, enquanto os corpos que emitem o mximo de radiao a uma dada temperatura tm emissividade um. Verifica o que acontece quando a mesma radiao incide sobre duas superfcies diferentes, por exemplo, uma branca e uma preta.

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CONCLUSO:

A emissividade de um material depende da sua natureza e toma valores: e=0 e=1 O corpo absorve todas as radiaes incidentes e tambm as emite No se d reflexo da radiao corpo negro9

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O corpo no absorve, logo no emite radiao S reflecte

Balano Energtico da TerraO Cubo de Leslie um cubo com 4 faces diferentes: preta, branca, polida e baa. Estas faces permitem comparar a absoro de radiao pelas diferentes superfcies, em funo do tempo, quando sobre elas se faz incidir radiao visvel.

Experimentalmente, verifica-se que: a elevao da temperatura superior na face preta quando comparada com a face branca; a elevao da temperatura maior na face baa do que na face polida.

Quanto maior for a elevao da temperatura num determinado corpo, maior o seu poder de absoro para a radiao incidente. Assim, podemos concluir que o poder de absoro se relaciona directamente com a natureza da superfcie de incidncia da radiao.10

Balano Energtico da Terra Porque que os edifcios alentejanos so, tradicionalmente, caiados de branco? Como sabes as superfcies brancas absorvem pouca quantidade de radiao incidente, reflectindo a sua maior parte. As casas alentejanas so caiadas de branco de modo a evitar que as suas paredes exteriores absorvam radiao e, consequentemente, energia solar. Deste modo, o seu interior torna-se mais fresco. Este s um exemplo de como, mesmo sem nos apercebermos disso, aplicamos muitos conhecimentos da Fsica para tornar a nossa vida mais confortvel.

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Balano Energtico da TerraAvalia a tua aprendizagem1. L atentamente, o texto que se segue. Quando a radiao incide sobre um corpo, parte dela reflectida, outra transmitida e a restante absorvida. Um corpo diz-se transparente quando transmite uma percentagem da radiao que nele incide. Se no houver essa percentagem de radiao transmitida o corpo opaco. No entanto, um corpo pode ser opaco para determinadas radiaes e, ao mesmo tempo, transparente para outras. Indica, entre as afirmaes seguintes, as verdadeiras e as falsas.

F (A) Uma superfcie metalizada apenas transmite e absorve a radiao electromagntica que nela incide. V (B) Os gases que constituem a atmosfera terrestre so transparentes para as ondas rdio e para a radiao visvel. F (C) Na estratosfera existe a camada de ozono que transparente radiao ultravioleta, sendo opaca para a radiaovisvel.

V (D) O vidro uma material opaco para a radiao infravermelha e transparente para a radiao visvel. V (E) O corpo humano opaco para a radiao visvel, mas parcialmente transparente para os raios X.2. Os irradiadores tm uma placa metalizada e encurvada por detrs da resistncia elctrica. Supe que um desses aquecedores est em funcionamento numa sala. Completa a frase seguinte, com uma das afirmaes de A a C de modo a torn-la cientificamente correcta: A placa metalizada do irradiador encurvada parapara facilitar a reflexo da radiao emitida de placa metalizada do irradiador encurvada facilitar modo a propagar-se em vrias direces na sala. (A) . a absoro da radiao visvel emitida pelo aquecedor. (B) . a absoro da radiao infravermelha pelas paredes da sala. (C) . a reflexo da radiao emitida de modo a propagar-se em vrias direces na sala.

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Balano Energtico da Terra O corpo negro Nenhum corpo real absorve toda a radiao que incide sobre ele. Existe, no entanto, um corpo hipottico o corpo negro que absorve toda a radiao que sobre ele incide. Para uma dada temperatura e um dado comprimento de onda, este corpo tambm emite radiao: tem emissividade 1, sendo considerado um emissor perfeito. Para uma dada temperatura, a maior potncia irradiada, por unidade de rea, a do corpo negro. Potncia irradiada ou emitida Quantidade de energia transferida por um corpo, como radiao, por unidade de tempo. Corpo negro: Absorsor perfeito; Clique para ouvir

Emissor perfeito; A radiao que emite no depende da sua constituio e forma; Apresenta uma intensidade mxima de emisso para um comprimento de onda bem definido, o qual depende da sua temperatura; A intensidade da sua emisso tende para zero para comprimentos de onda pequenos e tambm para comprimentos de onda grandes.13

Balano Energtico da Terra Lei de Stefan-BoltzmannEm 1879, Josef Stefan observou, experimentalmente, que todos os corpos emitem energia com uma dada potncia. Mais tarde, em 1884, Ludwig Boltzmann demonstrou teoricamente esta relao. A esta relao, entre potncia emitida e temperatura, chama-se de Lei de Stefan-Boltzmann. Lei de Stefan-Boltzmann - A potncia total irradiada por uma superfcie directamente proporcional rea da sua superfcie e quarta potncia da sua temperatura absoluta. A Lei de Stefan-Boltzmann traduz-se pela seguinte equao: Podem construir-se grficos da potncia irradiada por um corpo negro por unidade de rea e por unidade de comprimento de onda (emitncia espectral) em funo dos valores do comprimento de onda. Estes grficos permitem determinar a potencia total irradiada por unidade de rea a qual corresponde rea subtensa curva do grfico.

A rea que se encontra colorida a vermelho corresponde potncia total irradiada por um corpo negro, por unidade de rea.Simulao da Lei de Stefan-Boltzmannhttp://alv.fisica.uminho.pt/simulacoes/Emissao_e_absorcao_de_radia cao/simulacao/simul.html 14

Balano Energtico da Terra Deslocamento de Wien Os corpos emitem radiao a qualquer temperatura a que se encontrem e h zonas do espectro electromagntico em que emitem com uma intensidade mxima. Esta zona no sempre a mesma e desloca-se para menores comprimentos de onda medida que a temperatura aumenta. A este fenmeno chama-se deslocamento de Wien e representa-se pela relao: Em que: - Pmx o comprimento de onda correspondente ao mximo de radiao emitida pelo corpo; -T a temperatura do corpo. De acordo com o deslocamento de Wien h uma proporcionalidade inversa entre o comprimento de onda correspondente ao mximo de radiao emitida pelo corpo e a sua temperatura. Os corpos quentes irradiam com uma potncia superior dos corpos frios, mas fazem-no para menores comprimentos de onda. A anlise do grfico permite afirmar que: A emitncia espectral mxima de um corpo aumenta quando aumenta a temperatura do corpo. Os comprimentos de onda P1, P2 e P3 correspondem a radiaes que se localizam na zona visvel do espectromagntico. Quanto maior for a temperatura do corpo negro, menor o comprimento de onda da radiao de emitncia espectral mxima.15

Balano Energtico da Terra O espectro electromagntico e a potncia mxima irradiada pelos corposNem todos os corpos emitem energia na mesma gama de frequncias. O deslocamento de Wien relaciona o comprimento de onda para uma dada potncia emitida com a temperatura a que o corpo se encontra. atravs deste comprimento de onda que podemos identificar o tipo de radiao emitida.

Clique para ouvir Simulao Temperatura do corpo versus cor http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php ?sim=Blackbody_Spectrum

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Balano Energtico da Terra

O Sol apresenta uma temperatura efectiva de cerca de 5780 K. Pelo deslocamento de Wien:

Este comprimento de onda corresponde potncia mxima emitida pelo Sol e localiza-se na zona da luz visvel do espectro electromagntico. A Terra apresenta uma temperatura efectiva de cerca de 288 K, ou seja, 15 C. Pelo deslocamento de Wien:

Este comprimento de onda corresponde potncia mxima emitida pela Terra e localiza-se na zona de infravermelho do espectro electromagntico.

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Balano Energtico da Terra Exerccio resolvido

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Balano Energtico da Terra Resoluo

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Balano Energtico da TerraAvalia a tua aprendizagem1. Completa a frase seguinte, com uma das afirmaes de A a C de modo a torn-la cientificamente correcta: Um corpo bom emissor de radiao num dado comprimento de onda (A) . tambm um bom absorvedor da radiao no mesmo comprimento de onda. (B) . tem caractersticas de bom reflector da radiao em todas as frequncias. 2. (C) . mau absorvedor da radiao em quaisquer comprimentos de onda. No grfico esto representadas trs curvas caractersticas de um corpo negro. Este grfico mostra com varia a potncia irradiada por unidade de rea e de comprimento de onda (emitncia espectral pelo corpo negro em funo do comprimento de onda para trs temperaturas absolutas diferentes. Ordena as curvas caractersticas do corpo negro (A, B e C) segundo a ordem crescente das grandezas seguintes: 2.1. Temperatura do corpo negro. 2.2. Potncia total irradiada pelo corpo negro. 2.3. Comprimento de onda correspondente ao valor mximo da potncia irradiada. 2. Indica, entre as afirmaes seguintes, as verdadeiras e as falsas.

F (A) Os corpos que se encontram a uma temperatura negativa, na escala Celsius, emitem radiao ultravioleta. V (B) Os corpos que se encontram temperatura ambiente emitem radiao infravermelha. F (C) Se a temperatura de um corpo aumentar, ento o comprimento de onda da radiao emitida tambm aumenta. V (D) O corpo negro um emissor perfeito. V (E) A potncia irradiada pelo corpo negro apenas depende da sua temperatura.20

Balano Energtico da Terra Temperatura mdia de equilbrio radiativo da Terra A Terra um corpo que absorve e emite energia e que se encontra em equilbrio trmico com a sua vizinhana. Como j vimos em aulas anteriores, o nosso planeta mantm a sua temperatura mdia superfcie em valores que rondam os 288 K ou 15C, uma vez que a potncia da radiao proveniente do Sol que incide na terra igual potncia da radiao emitida pelo globo terrestre.

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Balano Energtico da Terra Temperatura mdia de equilbrio radiativo da Terra Clculo da temperatura mdia da Terra

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