Físico-Química 10º Ano (5º Teste)
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Físico-‐Química A 10º Ano
Física
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Tópicos abordados:-‐ Das fontes de Energia ao U@lizador
-‐ Situação energé@ca mundial e degradação da energia-‐ Fontes de energia-‐ Noções de sistema, vizinhança e fronteira-‐ Conceito de rendimento e cálculo
-‐ Conservação da energia-‐ Lei da conservação da energia-‐ Tipos fundamentais de energia-‐ Transferências e transformação de energia
-‐ Calor-‐ Radiação-‐ Trabalho
-‐ Conceito de potência-‐ Potência fornecida, ú@l e dissipada
-‐ Sol e aquecimento-‐ Energia -‐ Do sol para a Terra
-‐ A radiação: uma segunda abordagem-‐ Noções de comprimento de onda, período, amplitude e frequência
-‐ Análise da radiação emi@da pelos corpos e formas de calculá-‐la
-‐ Noção de corpo negro-‐ Termodinâmica e sistemas termodinâmicos
-‐ Lei Zero da Termodinâmica-‐ Alcance do equilíbrio térmico
-‐ Energia no aquecimento/arrefecimento de sistemas-‐ Formas de transferir energia: condução e convexão-‐ Condu@vidade térmica dos materiais-‐ Aproveitamento da energia solar
-‐ Colectores solares-‐ Painéis fotovoltaícos
-‐ Primeira Lei da Termodinâmica-‐ Radiação, Trabalho e Calor
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0. Das fontes de energia ao u@lizador
Actualmente no mundo podemos constatar que os seres humanos re@ram energia de várias fontes naturais, que podemos dividir em dois grupos principais:
-‐Não renováveis -‐ infelizmente as mais u@lizadas, estas fontes não se renovam à escala humana (exemplos: carvão, petróleo e biomassa);-‐ Renováveis -‐ fontes que se renovam à escala humana (exemplos: energia eólica, energia das marés e energia geotérmica).
As fontes não renováveis apresentam mais problemas para além do facto de não se renovarem à escala humana, estas também poluem o ambiente e são perigosas para a saúde humana. Um exemplo de uma fonte deste @po é a energia nuclear. A produção de energia nuclear vem da cisão ou fissão de núcleos de átomos de massa elevada, como por exemplo, o urânio que se extrai das minas e á radioac@vo. A poluição da atmosfera causa o que se chama o efeito de estufa. O efeito de estufa consiste na retenção de radiação a nível da atmosfera, o que resulta num aquecimento geral. Mas o efeito de estufa é mau? Não, na verdade, sem o efeito de estufa a temperatura média da Terra seria de cerca de -‐15º C! No entanto, o aumento do efeito de estufa está a fazer com que a temperatura da Terra suba muito.
Transferências de energia
Existem três @pos de sistemas:-‐ Isolados -‐ não se dão trocas nem de matéria nem de energia com o exterior;
-‐ Fechados -‐ dão-‐se apenas trocas de energia com o exterior;-‐ Abertos -‐ dão-‐se tanto trocas de energia como trocas de matéria com o exterior;
Quando falamos em sistema, temos ainda que abordar algumas noções sobre um sistema, como por exemplo as noções de fronteira e de vizinhança. A fronteira do sistema delimita o sistema e a sua vizinhança é o espaço exterior à sua fronteira. Quando falamos de um sistema aberto ou fechado, podemos dizer que o sistema está em constante troca de energia com a sua vizinhança. Assim, por exemplo, da energia que recebe (energia fornecida) uma parte é aproveitada (energia ú@l) e a outra é u@lizada para outra coisa (energia dissipada). Por exemplo: Uma lâmpada serve para iluminar (ú@l) , mas ela não liberta calor também (dissipação)? Então nem toda a energia é aproveitada para o fim esperado. Se isso acontecesse teríamos um rendimento de 100%. O rendimento é uma forma de verificar se se aproveita muita ou pouca energia fornecida. A fórmula do rendimento é a seguinte:
Para colocar o rendimento em percentagem basta mul@plicar por 100. Como nenhum sistema u@liza toda a energia fornecida para o seu fim, nenhum sistema tem um rendimento igual a 100%.
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Conservação da energia
Segundo a Lei da conservação da energia, um sistema isolado mantém a sua energia constante, ou seja, não há perdas nem ganhos de energia (com o exterior), a sua energia não varia. Mas quais são os @pos de energia que existem? Bem, fundamentalmente existem apenas dois @po:
-‐ Energia ciné@ca (Ec) -‐ associada ao movimento -‐ -‐ Energia potencial (Ep) -‐ associada a interacções entre partes do sistema -‐ não calculável.
Para podermos calcular a energia ciné@ca (associar ao movimento) temos antes que simplificar o sistema a um ponto, o seu centro de massa. Este ponto é onde se reúne toda a massa do sistema e é a par@r daqui que se estudam alguns dos seus movimentos. Assim somando a energia ciné@ca com a energia potencial obtemos a energia mecânica de um sistema, ou seja, a energia desse sistema que tanto pode estar na forma de energia ciné@ca como na forma de energia potencial. Por exemplo, quando se manda uma bola ao ar, ao iniciar o movimento de subida a bola está com a energia ciné@ca igual à potencial, mas quando sobe a sua energia ciné@ca é menor do que a potencial. Quando a@nge o pico e começa a descer a sua energia ciné@ca está ao mínimo e a potencial ao máximo. No movimento descendente a sua energia ciné@ca volta a aumentar e a potencial a diminuir até se igualarem (aproximadamente). A estas alterações do @po de energia (ciné@ca para potencial e vice-‐versa) damos o nome de transformações de energia, porque ocorrem dentro do mesmo sistema. Se ocorrerem entre sistemas damos o nome de transferências. Mas os sistemas não possuem só a dita energia mecânica (resultante da energia ciné@ca + potencial), também possuem energia interna. Esta resulta da some da energia dos movimentos das pargculas (ciné@ca microscópica) com a energia potencial entre elas (potencial microscópica).
Assim a energia total de um sistema é igual a:
Etotal = Einterna + Epotencial + Eciné0ca
Exemplo: Vamos considerar um sistema que possui 40J de Einterna (esta não pode ser calculada facilmente). Se a sua massa é igual a 200g, a velocidade das suas parDculas é igual a 10m/s e está a uma altura de 20m, qual a sua energia total?
Começamos por escrever a fórmula essencial da Etotal modificada às necessidades do problema. Sabemos que vamos ter de calcular a Epotencial e a Eciné0ca. Ora sabemos que a Epotencial é dada pela fórmula da gravidade
(mgh) e que a Eciné0ca é dada por , por isso subs@tuímos na expressão.
Etotal = 40 + mgh +
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Etotal = 40 + 200*9,8*20 +
Etotal = 40 + 39200 + 10000Etotal = 49240 J
E o problema está resolvido!
A energia interna de um sistema depende da sua temperatura, que mede o estado de agitação das pargculas: pargculas agitadas -‐ temperatura elevada; pargculas pouco agitadas -‐ temperatura baixa. Assim, podemos considerar que o sistema anterior estava a uma temperatura rela@vamente baixa, devido aos valores pequenos de energia interna que encontramos. No entanto a energia interna também depende do número de pargculas de um sistema, enquanto que a temperatura não.
Por exemplo: se @vermos um balde de água a 20ºC e o dividirmos em duas partes iguais, a sua temperatura vai passar para 10ºC? Não, mas a sua energia interna vai diminuir devido ao nº de pargculas (menos energia potencial microscópica). Formas de transferência de energia
Existem três formas de transferência de energia:-‐ Calor -‐ energia calorífica, devido à aproximação de dois copos (J);-‐ Trabalho -‐ energia mecânica, devido à aplicação de uma força (J);-‐ Radiação -‐ energia radiante, devido à exposição a fotões (J);
A primeira forma de transferência, o calor pode ser descrito da seguinte forma: “Energia transferida entre dois corpos a temperaturas diferentes.” Assim, o calor pode ser calculado pela expressão
Em que consideramos:-‐ Q -‐ calor-‐m -‐ massa-‐ c -‐ capacidade térmica mássica (depende de cada material)
-‐ -‐ intervalo de Temperaturas (Tfinal -‐ Tinicial)
Na segunda forma de transferência, o trabalho, deve ser aplicada uma força que deve movimentar-‐se do ponto de aplicação, ou seja, o local inicial não deve ser o final. Na terceira forma de transferência de energia, a radiação, a energia é transferida através das pargculas da luz, ou seja, os fotões.
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Potência
Potência é uma grandeza lsica que permite medir a rapidez com que se dão as trocas de energia. Esta mede a quan@dade de energia (J) que é transferida num determinado intervalo de tempo (s).
Nota: J/s = W (wap)
A potência pode ser assim representada por:
Em que:-‐ P -‐ potência-‐ E -‐ energia (J)
-‐ -‐ intervalo de tempo (s)
A potência, tal como a energia, pode tomar três funções num sistema: fornecida, ú@l ou dissipada. Para obter cada uma delas basta subs@tuir o E na fórmula pelo determinado @po de potência a obter.
Problema resolvido: O sistema 1 u0lizou 200J durante 1h para realizar a função x. Para realizar a mesma função o sistema 2 u0lizou os mesmos 200J, mas durante 70min. Qual dos dois sistemas tem uma potência maior?
Resolução: Sistema 1:
-‐ E = 200J
-‐ = 1h * 60 * 60 s = 3600s Sistema 2:
-‐ E = 200J
-‐ = 70min * 60 s = 4200s
P1 = 0,05W P2 = 0,047W
R: O sistema 1 tem uma potência maior.
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1. Sol e Aquecimento
Energia -‐ Do Sol para a Terra
A energia do sol para a Terra dá-‐se apenas por uma das três vias possíveis de transferências de energia: radiação. A radiação tem comportamento ondulatório, ou seja, descola-‐se na forma de ondas que podem ser caracterizadas por vários factores, como demonstrado na figura seguinte.
A amplitude de uma onda é a distância entre o cume (tanto posi@vo como nega@vo)
ao eixo horizontal (tempo normalmente). O comprimento de onda ( )é a distância entre os dois pontos mais próximos. O período (T) é o tempo que demora a ocorrer um ciclo completo numa onda. A frequência (f) é o número de vezes que ocorre um ciclo num determinado intervalo de tempo. Como já percebeste pela descrição acima, o período é o inverso da frequência, por isso podemos expressar a relação período -‐ frequência da seguinte forma:
Também podemos relacionar o período com o comprimento de onda, pela expressão:
Sendo:-‐ c -‐ velocidade da luz (300.000 m/s)
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O conjunto de todas as radiações existentes está agrupado no espectro electromagné@co.
As radiações menos energé@cas (maior comprimento de onda, menor frequência) são os Infravermelhos. No centro temos a luz visível e as mais energé@cas são as Ultravioleta. Mas o que acontece á radiação quanto incide um corpo? Da radiação incidente num corpo, parte é absorvida, outra parte é reflec@da e o resto é transmi@do. A radiação absorvida é aquela que aumenta, por exemplo, a temperatura do corpo. A radiação reflec@da é aquela que não é u@lizada pelo corpo, mas é reflec@da com um ângulo igual ou diferente do inicial. A radiação transmi@da é aquela que atravessa o corpo. Um corpo diz-‐se transparente quando deixa-‐se atravessar pela radiação. Caso contrário é opaco. No caso da Terra, a noção mais importante é de Albedo. O albedo da Terra é a percentagem de energia reflec@da pela Terra, tanto à superlcie como na atmosfera.
Termodinâmica e sistemas termodinâmicos
A termodinâmica é um ramo da lsica que estuda a Temperatura e as suas influências nos vários outros ramos. O que diferencia principalmente um sistema mecânico de um sistema termodinâmico é a importância da energia interna para o segundo, enquanto que no primeiro é desprezada.
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A temperatura de um corpo pode ser muito ú@l para descobrir, por exemplo, a sua cor. Sabendo a sua temperatura podemos aplicar uma fórmula de Stefan-‐Boltzmann:
Sendo:-‐ I -‐ intensidade da radiação (energia p/unidade de tempo* unidade de área)-‐ e -‐ emissividade do corpo (0 para o emissor perfeito; 1 -‐ para um corpo negro)
-‐ T -‐ temperatura
A par@r da fórmula da lei de Stefan-‐Boltzmann podemos re@rar outras fórmulas, como por exemplo a fórmula da potência:
(P = I.A)
Podemos ainda verificar que quanto maior a temperatura, maior a intensidade, logo também a energia vai ser maior. A par@r da temperatura podemos obter a cor de um corpo, ou, se não possuir, descobrir em que zona do espectro electromagné@co se situa a radiação que reflecte (a cor resulta da reflexão e não emissão de fotões), através da fórmula:
Sendo:
-‐ -‐ comprimento de onda máximo emi@do pelo corpo-‐ B -‐ constante (2,898 x 10-‐3 m/K)-‐ T -‐ temperatura
A esta lei, de que o comprimento de onda máximo é igual à constante de Wien a dividir pela temperatura, damos o nome de Lei do deslocamento de Wien.
Equilíbrio térmico e Lei Zero da Termodinâmica
Segundo a Lei Zero da Termodinâmica, dois corpos em contacto com um terceiro a@ngem a mesma temperatura. Mas como calcular essa temperatura? Se es@vermos a falar de dois corpos iguais basta fazer uma média directa entre as duas temperaturas. Caso contrário temos que realizar proporções ou a par@r do calor que cada um emite e absorve.
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Energia no aquecimento/arrefecimento de sistemas
Como já vimos existem duas formas principais de transferir energia: convecção e condução. Um exemplo de convecção são as correntes de ar que se formam numa sala com um aquecedor ligado. Um aquecedor emite ar quente para o exterior, ar que é menos denso que o ar frio, logo tem tendência para subir. Ao subir, o ar frio fica sem alterna@va se não descer. Ao subir o ar que era quente arrefece, e o ar frio em baixo aquece, fazendo com que o ciclo se repita. A este fenómeno damos o nome de correntes de convecção. Um exemplo de condução é o aquecimento de uma extremidade de um tubo de metal. Ao fim de algum tempo verificamos que a temperatura já está mais ou menos uniforme em todo o tubo. Como o metal conduz bem o calor, dizemos que este é um bom condutor térmico. Conduc@vidade térmica dos materiais
Um material bom condutor térmico é aquele que se deixa mais facilmente “espalhar” o calor pela sua superlcie, ex.: metais. Podemos definir a energia transferida sob a forma de calor por uma expressão, a expressão da corrente térmica, que diz:
Sendo:
-‐ (Phi) -‐ corrente térmica (J/s)-‐ Q -‐ quan@dade de calor (J)-‐ -‐ intervalo de tempo (s)
Podemos escrever ainda por esta expressão:
Sendo:-‐ A -‐ área (m2)-‐ l -‐ comprimento (m)
A esta lei, damos o nome de Lei de Fourier.
Aproveitamento da energia solar
Algumas formas de aproveitamento da energia solar são, por exemplo, os colectores solares ou os painéis solares.
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Os primeiros funcionam de uma forma bastante simples. São resultado da combinação de vários @pos de materiais absorventes, no qual resulta o maior aproveitamento possível da energia solar. Para ajudar ainda mais, o tubo possuí a forma de uma cobra para aumentar a área de contacto. O segundo é mais complexo, mas também é o mais eficaz. Basicamente os painéis solares são cons@tuídos por muitas células fotovolteícas, que estão ligadas em série e que produzem uma série de energia que é armazenada na bateria do sistema. O inversor de corrente é essencial, porque a energia aproveitada neste sistema está sob a forma de corrente congnua (para um lado as cargas posi@vas, para outro as nega@vas) enquanto que as corrente nacional é alternada (vai-‐se alternando a posição das cargas.
Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira Lei da Termodinâmica diz que num sistema isolado a variação da sua energia interna é nula, ou seja, a sua energia interna é sempre constante.
Assim, podemos observar:
Sendo:-‐ Q -‐ energia ob@da por calor;-‐ R -‐ energia ob@da por radiação;-‐ W -‐ energia ob@da por trabalho;
Ou seja, a soma da energia transferida por calor, por radiação e por trabalho tem que ser igual a zero, o que não quer dizer que cada uma destas tenha que ser igual a zero, apenas se uma for posi@va tem que haver outra com o mesmo valor nega@va. Quando falamos em energia posi@va, estamos a falar de energia que o sistema ganhou, enquanto que quando falamos em energia nega@va estamos a referir-‐nos à energia que o sistema perdeu.