Conservação de Energia

TRANSFERÊNCIAS DE CALOR

Prof(a): Fabiana de Sousa Santos GonçalvesEscola Estadual Constantino Fernandes

Escola Estadual Rotary II

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Calor e Energia InternaAté ~1850, os campos da termodinâmica e da mecânica eram considerados dois ramos distintos da Ciência

Experimentos realizados em meados do século XIX pelo físico inglês James Joule e outros cientistas, demonstraram que a energia pode entrar num sistema (ou abandoná-lo), através do calor e do trabalho Hoje a energia interna é tratada como uma forma de energia que pode ser transformada em energia mecânica e vice-versa

Energia interna e calor A energia interna, U é a energia associada aos componentes microscópicos de um sistema – átomos e moléculas As partículas no modelo de gás ideal são pontuais. Para estas partículas a U está associada somente a energia cinética traslacional total dos átomos – depende da temperatura Calor, Q é um mecanismo pelo qual a energia é transferida entre um sistema e seu ambiente por causa da diferença de temperatura entre eles. Um sistema não tem calor assim como não tem trabalho

Transmissão de calor

TRANSMISSÃO DE CALOR

Denomina-se transmissão de calor à passagem da energia térmica de um local para outro. Essa transmissão pode ocorrer de três formas diferentes: por condução, por convecção e por radiação.

Transmissão de Calor Em certas situações, mesmo não

havendo o contato físico entre os corpos, é possível sentir que algo está mais quente. Concluímos que de alguma forma o calor emana desses corpos "mais quentes" podendo se propagar de diversas maneiras.

Este trânsito de energia térmica pode acontecer pelas seguintes maneiras:

• Condução;• Convecção;• Irradiação.

TRANSMISSÃO POR CONDUÇÃO

A energia térmita passa de um local para o outro através das partículas do meio que os separa. Na condução, a passagem da

energia térmica de uma região para outra se faz da seguinte maneira: na região de maior temperatura, as partículas estão mais energizadas, vibrando com maior

intensidade; assim, estas partículas transmitem energia para as partículas

vizinhas, menos energizadas, que passa a vibrar com intensidade maior; estas, por

sua vez, transmitem energia térmica para as seguintes, e assim sucessivamente.

Notemos que, se não existissem as partículas constituintes do meio, não haveria a condução de calor. Portanto: A condução de calor é um processo que exige a presença de um meio material para a sua realização, não podendo ocorrer no vácuo (local isento de partículas).

Transmissão de calor por convecçãoOs líquidos e os gases não são bons condutores de calor. No

entanto, eles podem transmitir calor de modo significativo por um

processo a CONVICÇAO. Este processo consiste na

movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido.

Exemplo:Uma vasilha contendo

água a uma temperatura inicial superior a 40C.

Sabemos que, acima de 4C, a água se expande ao ser aquecida. Coloquemos então essa vasilha sobre

uma chama.

A parte de baixo da água, ao ser aquecida, sofrerá

expansão, terá sua densidade diminuida e, assim de acordo

com o principio de Arquimedes, subirá. Aparte superior, mais fria e mais

densa, descerá.Formam-se então as correntes de

convecção, uma ascendente e outra descendente.

TRANSMISSÃO DE RADIAÇÃO

É o processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro, através do espaço que os separa. Sendo uma transmissão de calor feita por ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Porém, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de calor através deles.

Classificamos os meios materiais em:— Diatérmicos: São os meios que permitem a propagação das ondas de calor através deles (são os meios transparentes às ondas de calor).Ex.: ar atmosférico. — Atérmicos: São os meios que não permitem a propagação das ondas de calor através deles (são os meios opacos às ondas de calor).

Transição de calor por irradiação

No estudo da Eletricidade veremos que as partículas que possuem carga elétrica(como,por exemplo, os elétrons) ao oscilarem produzem “algo” não material que se propaga pelo espaço e é chamado onda eletromagnética (ou radiação eletromagnética).

As características das ondas eletromagnéticas variam da acordo com a freqüência de

oscilação das cargas elétricas.Algumas ondas são

visíveis, como a luz; outras são invisíveis, como as ondas de

rádio os raios X, as ondas que vão do controle remoto para a TV e as ondas dos fornos da

microondas.

Todos os corpos emitem ondas eletromagnéticas cujas

características e intensidades dependem do grau de

aquecimento do corpo.Isso é chamado de irradiação.

Quando um conjunto de ondas eletromagnéticas incide em um corpo uma parte delas pode ser

refletida, outra pode ser transmitida e outra,

Exemplo:Se pusermos a mão ao lado de um ferro elétrico ligado, nossa mão se aquecerá. Como o ar é mau condutor e o ar aquecido

deve subir, o calor que recebemos veio principalmente

por irradiação, e não por condução ou por convecção.

Ainda, pode absorvida, transformando-se em novas

formas de energia, como, por exemplo, a energia térmica. È desse modo que recebemos o calor do Sol. È assim, também, que recebemos o calor de um

ferro elétrico ou de uma lâmpada incandescente.

Entre as ondas eletromagnéticas, as que são mais facilmente

absorvidas, transformando-se em energia térmica, são as ondas de infravermelho, assim chamadas

pelo fato de terem frequência um pouco abaixo da luz vermelha (e

serem invisíveis).

Exemplo de irradiação: A Terra é aquecida pela energia proveniente do Sol. O processo de transferência dessa energia não é a condução nem a convecção, uma vez que entre a Terra e o Sol existe o vácuo. A energia é transportada por ondas electromagnéticas que não precisam de qualquer meio material para se propagarem. Essas ondas electromagnéticas constituem a radiação.  As ondas electromagnéticas que chegam à Terra são absorvidas pela sua superfície aquecendo-a

Quando um sistema muda de um estado para o outro, diz-se que o sistema sofre

um processo (ou transformação). Essas transformações podem

ser reversíveis ou irreversíveis.

Os processos irreversíveis são aqueles que só podem ser executados em um sentido, sem que haja a possibilidade da manutenção do processo ao primeiro estado. Imagine um ovo de uma ave. Imagine você faminto, querendo preparar um pequeno omelete com apenas um ovo. Agora imagine você deixando esse ovo se espatifar no chão... Que azar hein... Esse é o um tipo de evento que representa um processo irreversível: a partir do ovo espatifado você não pode tê-lo novamente no estado "inteiro".

Outro exemplo seria pensar em termos de conservação de energia. Veja um automóvel que vem em alta velocidade onde o motorista aciona bruscamente o sistema de freios. O resultado é o carro "queimando" os quatro pneus no asfalto. Os pneus "queimam" porque o atrito é tão grande entre os pneus do automóvel e o asfalto que a temperatura aumenta a valores bastante altos, ocasionando a fusão e leve combustão da borracha.

A figura ao lado nos mostra uma pedra em queda livre. Ao jogarmos essa

pedra para cima, ela adquire energia que logo se transforma em energia cinética (quando cai). Ao chegar ao solo, provavelmente ouviremos um

barulho. A energia cinética que a pedra possuía se dissipou em outras formas

de energia, sendo a principal delas calor. Dessa forma, podemos dizer que a pedra atingiu um estado final de equilíbrio. Ao observarmos

novamente a pedra, podemos dizer que espontaneamente ela não retornará à

sua posição inicial. Só voltará às posições anteriores mediante

interferências e modificações do meio externo.

Então, podemos afirmar que a pedra realizou um processo irreversível. Sendo assim, podemos definir os dois processos, irreversível e reversível, da seguinte maneira:- PROCESSO IRREVERSÍVEL é aquele em que um sistema, uma vez atingido o estado final de equilíbrio, não retorna ao estado inicial ou a quaisquer estados intermediários sem a ação de agentes externos.- PROCESSO REVERSÍVEL é aquele que pode ocorrer em ambos os sentidos, passando por todas as etapas intermediárias, sem que isso cause modificações definitivas ao meio externo.

Transformações reversíveis

Transformações reversíveis são aquelas que ocorrem nos dois sentidos, podendo voltar ao seu estado inicial. Isso ocorre geralmente em transformações mecânicas sem atrito. No caso de haver atrito, o corpo sofre perda de energia e, portanto, não poderia voltar à posição inicial.

Processos reversíveis são aqueles que, teoricamente, são completamente reversíveis, podendo realizar a trajetória inversa do processo. Tomemos como exemplo um copo de água no estado líquido. Colocamos esse copo com água no interior de um refrigerador de baixa temperatura de modo que esta seja suficientemente baixa para ocasionar a mudança de estado para o sólido. Pois bem se, depois de transcorrido determinado tempo, retirarmos esse copo com água congelada e deixarmos a uma temperatura ambiente de 20oC, a água vai receber energia térmica do meio ambiente e tornará a ficar líquida. Esse é um exemplo bastante prático de um processo reversível.     

Uma forma bastante útil de se verificar a consistência de um processo em termos de reversibilidade é pensar na conservação de energia do sistema. Quando a energia do

sistema se conserva, o processo será reversível: imagine uma bola de basquete

lançada verticalmente para cima. Enquanto ela está subindo, ela diminui sua velocidade, diminuindo sua energia cinética e acumula energia potencial. Supondo que não haja

atrito com o ar, a bola ao cair, retoma energia cinética e perde energia potencial

ocasionando um acréscimo na sua velocidade. Isso acontece até que ela retorne ao ponto de

partida com a mesma velocidade inicial.

Exemplos de reversibilidade• Em recipiente fechado, fundir o gelo e posteriormente voltar a congelá-lo.• Em ambiente fechado, evaporar a água  e voltar a condensá-la.• Estirar, por compressão ou estiramento, uma mola  numa pequena variação de comprimento (logo recupera-se a forma original da mola).• Deformar, por compressão ou estiramento, um objeto de borracha ou outro elastômero numa pequena variação de comprimento e durante tempo curto (logo recupera-se a forma original do objeto)

Fontes de energia não renovávelAtualmente, a procura de energia assenta fundamentalmente nas fontes de energia não renováveis, as quais têm tecnologia difundida, mas possuem um elevado impacto ambiental.Importa inverter esta tendência, tornando o seu consumo mais eficiente e substituindo-o gradualmente por energias renováveis limpas. Exemplos de Fontes de Energias não Renováveis:

Energia Do Carvão;Energia do Petróleo;Energia do Gás Natural;Energia do Urânio.

Mas antes de se transformar em calor, frio, movimento ou luz, a energia sofre um percurso mais ou menos longo de transformação, durante o qual uma parte é desperdiçada e a outra, que chega ao consumidor, nem sempre é devidamente aproveitada.

Fontes renováveisFontes de energia inesgotáveis ou que podem ser repostas a curto ou médio prazo, espontaneamente ou por intervenção humana.Estas fontes encontram-se já em difusão em todo o mundo e a sua importância tem vindo a aumentar ao longo dos anos representando uma parte considerável da produção de energia mundial.Exemplos de Fontes de Energias Renováveis:

Energia Hídrica;Energia Eólica;Energia Solar;Energia Geotérmica;Energia das Ondas e Marés;Energia da Biomassa.

Hidroenergia - energia cinética das massas de água dos rios, que fluem de altitudes elevadas para os mares e oceanos graças a força gravitacional. Este fluxo é alimentado em ciclo reverso graças a evaporação da água, elevação e transporte do vapor em forma de nuvens, naturalmente realizados pela radiação solar e pelos ventos. A fase se completa com a precipitação das chuvas nos locais de maior altitude. Sua utilização é bastante antiga e uma das formas mais primitiva é o monjolo e a roda dágua. A hidroenergia também pode ser vista como forma de energia potencial; volume de água armazenada nas barragens rio acima. As grandes hidrelétricas se valem das barragens para compensar as variações sazonais do fluxo dos rios e, através do controle por comportas, permitir modulação da potência instantânea gerada nas turbinas.

 É uma energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d'água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como acionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador elétrico, com a finalidade de prover energia elétrica para uma rede de energia.      A energia produzida  pode alimentar uma povoação, um complexo industrial, agrícola ou a rede nacional de distribuição de energia elétrica.      É uma energia renovável com custo acessível a países subdesenvolvidos e desenvolvidos. 

Energia Hidráulica Mecânica

Energia Eólica - energia cinética das massas de ar provocadas pelo aquecimento desigual na superfície do planeta. Além da radiação solar também têm participação na sua formação fenômenos geofísicos como: rotação da terra, marés atmosféricas e outros.Os cata-ventos e embarcações a vela são formas bastante antigas de seu aproveitamento. Os aerogeradores modernos de tecnologia recente têm se firmado como uma forte alternativa na composição da matriz energética de diversos países.

É aquela gerada pelo vento.   Durante muitos anos o vento era usado para deslocar os barcos a vela ou nos moinhos de vento para bombear a água dos poços. Atualmente, as turbinas de vento são usadas para produzir energia elétrica. O vento gira as lâminas largas da turbina que acionam os geradores produzindo eletricidade.    É atraente por não causar danos ambientais e ter custo de produção baixo em relação a outras fontes alternativas de energia. 

Energia Solar – energia da radiação solar direta, que pode ser aproveitada de diversas formas através de diversos tipos de conversão, permitindo seu uso em aplicações térmicas em geral, obtenção de força motriz diversa, obtenção de eletricidade e de energia química.

  É derivada de uma fonte inexaurível: o Sol. Os painéis solares têm células fotoelétricas que modificam a energia proveniente dos raios solares em energia elétrica. Tem a vantagem de não produzir danos ao meio ambiente.        A luz do sol sempre foi uma fonte de energia para as plantas, animais e pessoas. O calor do sol pode ser usado para aquecer água contida em tubagem própria nos nossos telhados e também pode ser utilizado para secar nossas roupas. A luz e calor solares também podem ser concentrados e focados em sistemas elétricos solares que produzem eletricidade e energia elétrica.      A energia solar é uma fonte de energia renovável e existe em abundância, porem ainda não é viável economicamente, pois para transformar energia solar em elétrica depende de uma unidade chamada de célula fotovoltaica e o custo de produção dos painéis ainda é alto devido a pouca disponibilidade de materiais semicondutores.

A energia solar permite aos proprietários de habitações, produzir a sua própria eletricidade em suas casas (microgeração). Os kits de instalação solar fotovoltaica doméstica incluiem a ligação à rede pública existente, sendo compostos por vários vários painéis fotovoltaicos , um inversor e um dijuntor de proteção. A montagem pode ser efetuada no telhado da residência ou no próprio terreno. O processo da conversão da energia solar é simples, é feita a conversão da luz solar diretamente em corrente contínua. Utilizando um dispositivo conhecido como um inversor, de alimentação DC é então convertida em corrente alterna CA, que pode ser usada para consumo próprio ou para venda à rede.

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 É aquela gerada através do calor oriundo do interior da Terra. Esse calor é transformado, na usina geotérmica, em eletricidade. Pode ser obtida através das rochas secas quentes, rochas úmidas quentes e vapor quente.     A energia geotérmica pode ser utilizada como uma eficiente fonte de calor em pequenas aplicações de utilização final, tais como as estufas, mas os consumidores têm de estar localizados perto da fonte de calor.       

Energia Geotérmica

É uma das mais benignas fontes de energia. Produz energia independente de variações como chuvas, níveis de rios, etc., porém é uma energia muito cara e pouco rentável, pois pode causar deterioração ao ambiente, ainda que a reinjeção de água seja feita.

 É a energia das ondas e das marés, utilizada em algumas centrais para a produção de energia elétrica.  A energia das marés é uma energia que nos pode ser bastante útil, podendo ser utilizada para iluminar casa e hospitais, por exemplo.       Algumas centrais utilizam o movimento das ondas para comprimir o ar numa câmara fechada

Energia Marítima mecânica

em que o ar é impelido através duma turbina eólica para gerar eletricidade. Quando uma onda recua o ar é expelido para fora da câmara e a turbina é impelida na direção contrária.      O custo de produção marítima é relativamente acessível, pois esta é um exemplo de energia renovável.

   A biomassa são restos e sobras de toda a espécie: árvores mortas, ramos de árvores, restos de relva cortada, cascas de árvores e serradura que sobram nas carpintarias, sobras de colheitas, cascalho e pedras miúdas das habitações, produtos de papel e outros objetos que deitamos fora.     A biomassa pode ser aproveitada para produzir eletricidade reduzindo a necessidade de recorrer a outras fontes de energia. Hoje em dia descobrem-se novas formas de usá-la, por exemplo,para produzir um álcool especial que serve de combustível para os carros. Outra maneira de usar a biomassa é transformá-la em gases inflamáveis cujo objetivo é a produção elétrica.      Portanto, seu custo é baixíssimo, já que está é produzida com sobras de todas as espécies.

Energia de biomassa

Biomassa - a energia química, produzida pelas plantas na forma de hidratos de carbono através da fotossíntese - processo que utiliza a radiação solar como fonte energética - é distribuída e armazenada nos corpos dos seres vivos graças a grande cadeia alimentar, onde a base primária são os vegetais. Plantas, animais e seus derivados são biomassa. Sua utilização como combustível pode ser feita das suas formasprimárias ou derivados: madeira bruta,resíduos florestais,excrementos animais, carvão vegetal, álcool, óleos animal ou vegetal, gaseificação de madeira, biogás etc.

 É a energia potencial das ligações químicas entre os átomos. Sua liberação é percebida, por exemplo, numa combustão.  A energia potencial química (dos alimentos) é quando nós comemos e não usamos a energia, ou seja, ela está armazenada (não está em uso). A energia química (dos alimentos) é a energia que está em uso, sendo uma parte transformada e a outra sendo liberada para a naturezaem forma de calor. É essa energia é que nos mantêm vivos.     O custo de produção da energia química é nulo já que sua produção é proveniente deligações entre átomos. 

Energia Química

 A energia térmica consiste na energia de oscilação das partículas atômicas. Esta é devida, por exemplo, no caso dos cristais, à agitação dos átomos e nos gases e líquidos ao movimento desordenado das moléculas e grupos de moléculas pela rotação de moléculas e pela agitação térmica dos seus átomos.      É muito utilizados para funcionar os motores que movimentam os automóveis, os aviões, os navios, os trens e vários outros veículos de transporte e também gerar eletricidade; também é utilizada para aquecimento, como nos fogões de cozinha, para aquecedores de ambiente e de água, como também para funcionar motores e iluminar os lugares. A construção de uma usina termoelétrica tem suas vantagens e desvantagens, pois ocupam pequeno espaço, podem ser construídas em áreas de mais necessidade com baixo custo de construção assim economizando no transporte de energia e não alaga regiões vizinhas (diferente das hidrelétricas). As desvantagens é que a energia térmica geralmente utiliza o gás natural e o carvão, entre outros derivados, que são fontes não renováveis de energia e muito caros.

Energia Térmica

 É uma forma de energia fundamentada na origem de difernças de potencial elétrico entre dois pontos, que admitem constituir uma corrente elétrica entre ambos. É uma das formas de energia que o homem mais utiliza na atualidade, graças a sua facilidade de transporte, baixo índice de perda energética durante conversões.      É aquela que está presente na eletricidade. Um fio elétrico conduz energia elétrica que poderá fazer girar o eixo de um motor. Acender uma lâmpada, esquentar a água do chuveiro, ligar uma TV, um computador, etc.      A eletricidade pode ser produzida em grandes quantidades a partir de diversas fontes (calor, peso, movimento, química, luz). Os estabelecimentos grandes como prédios, lojas e mercados consomem mais eletricidade, e necessitam de transformadores individuais de 75 kva, 112,5 kva, 150 kva. Em alguns casos, a tensão de fornecimento é 380/220 volts ou 440/254 volts. 

Energia elétrica

 Também chamada atômica, é obtida a partir da fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido, liberando uma grande quantidade de energia. A energia nuclear mantém unida as partículas do núcleo de um átomo. A divisão desse núcleo em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia.     A energia elétrica produzida a partir de energia nuclear não é radioativa e é igual a energia produzida em hidroelétricas, podendo ser utilizada para os mesmos fins.    Os custos de construção e operação das usinas são muito altos.

Energia Nuclear

Energia nuclear consiste no uso controlado das reações nucleares para a obtenção de energia para realizar movimento, calor e geração de eletricidade.    Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de, através de reações nucleares, emitirem energia durante o processo. Baseia-se no princípio (demonstrado por Albert Einstein) que nas reações nucleares ocorre uma transformação de massa em energia. A reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento, podendo transformar-se em outro ou em outros elementos. Esse processo ocorre espontaneamente em alguns elementos; em outros deve-se provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras.