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02-01-2008

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Energia Energia –– do Sol para a Terrado Sol para a Terra

1Física - 10º ano

Graça MeirelesGraça MeirelesGraça MeirelesGraça MeirelesGraça MeirelesGraça MeirelesGraça MeirelesGraça Meireles

Escola Secundária D. Afonso SanchesEscola Secundária D. Afonso Sanches

Variação da Temperatura com a AltitudeVariação da Temperatura com a Altitude

Física - 10º ano 2

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Sistemas TermodinâmicosSistemas Termodinâmicos

Propriedades a ter em conta:

– Volume, V (m3)

– Pressão, p (Pa)

– Temperatura, T (K)

– Quantidade de matéria, n (mol)

Energia Interna, na Terra é, em média, constante – embora haja enormes variações da temperatura em diferentes pontos da Terra.


Emissão e absorção de energia

• A radiação solar incidente pode ser:

– Reflectida

– Dispersa

– Absorvida

Todos os corpos emitem energia.


na camada superior da atmosfera na camada superior da atmosfera -- albedoalbedo

por alguns materiais na superfície da Terrapor alguns materiais na superfície da Terra

pelas partículas da atmosfera pelas partículas da atmosfera -- moléculasmoléculas

pela atmosfera pela atmosfera

pela superfície terrestre pela superfície terrestre –– cerca 45%cerca 45%

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Energia RadianteEnergia Radiante

A onda electromagnética é caracterizada pela:

– amplitude

– comprimento de onda

– período.

A quantidade de energia transportada depende

directamente da amplitude e da frequência.

Como não precisa de um meio para se propagar,

considera-se que tem velocidade constante no vazio,

e quase igual no ar.


Espectro Solar


http://astro.u-strasbg.fr/~koppen/spectro/spectroe.html

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Max Planck


Max Karl Ludwig Planck (1858 - 1947)

A cor e intensidade de radiação depende da temperatura do corpo emissor


0,0E+00

5,0E+13

1,0E+14

1,5E+14

2,0E+14

2,5E+14

3,0E+14

3,5E+14

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

RadiânciaW.m-2.nm -1

λλλλ/ nm

Lei de Planck

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

Tempertaura /K

Todos os corpos emitem radiação num contínuo decomprimentos de onda. O comprimento de onda máximo ondeocorre a emissão, com a intensidade máxima, depende datemperatura do corpo.

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Lei de StefanLei de Stefan--BoltzmannBoltzmann

• A potência total irradiada por uma superfície édirectamente proporcional à área da sua superfície e àquarta potência da temperatura absoluta.

P = e P = e σσσσσσσσ A TA T44

• A intensidade é a potência irradiada por unidade de área

I = I = σσσσσσσσ TT44


Constante de StefanConstante de Stefan--Boltzmann:Boltzmann: σσσσσσσσ = 5,67 x 10= 5,67 x 10--88 WmWm--22KK--44

•• A emissividade de um material depende da sua natureza e toma valores A emissividade de um material depende da sua natureza e toma valores entre 0 e 1.entre 0 e 1.

•• ee = 0, não absorve nem emite, só reflete; = 0, não absorve nem emite, só reflete; ee = 1, não reflete (= 1, não reflete (corpo negrocorpo negro) )

Colectores Solares


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Colectores Solares


Deslocamento de WienDeslocamento de Wien

• O comprimento de onda da radiação correspondente

à máxima potência irradiada é inversamente

proporcional à temperatura do corpo.

λλλλλλλλ x x TT = = BB constante = 2,898 x 10constante = 2,898 x 10--33 mKmK


•• A potência irradiada é máxima para determinadosA potência irradiada é máxima para determinados valores valores energéticos do espectro electromagnético a uma dada energéticos do espectro electromagnético a uma dada temperatura.temperatura.

•• AA relação entre a temperatura e os valores da radiação relação entre a temperatura e os valores da radiação máxima são dados pela máxima são dados pela ..

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Wilhelm Wien1864 - 1928

λ /λ /λ /λ / nm T / K

300,0 9660

305,0 9502

310,0 9348

315,0 9200

320,0 9056

325,0 8917

330,0 8782

335,0 8651

340,0 8524

345,0 8400

350,0 8280

355,0 8163

360,0 8050

365,0 7940

370,0 7832

375,0 7728

380,0 7626385,0 7527

390,0 7431

395,0 7337400,0 7245

405,0 7156

410,0 7068415,0 6983

420,0 6900

425,0 6819430,0 6740

435,0 6662

440,0 6586445,0 6512

450,0 6440

455,0 6369460,0 6300

465,0 6232

470,0 6166475,0 6101

480,0 6038

485,0 5975490,0 5914

495,0 5855

500,0 5796

505,0 5739510,0 5682

515,0 5627

520,0 5573525,0 5520

530,0 5468

535,0 5417540,0 5367

545,0 5317

550,0 5269555,0 5222

560,0 5175

565,0 5129570,0 5084

575,0 5040

580,0 4997585,0 4954

590,0 4912

595,0 4871600,0 4830

605,0 4790

610,0 4751615,0 4712

620,0 4674

625,0 4637630,0 4600

635,0 4564

640,0 4528645,0 4493

650,0 4458

655,0 4424660,0 4391

665,0 4358

670,0 4325675,0 4293

680,0 4262

685,0 4231690,0 4200

695,0 4170

700,0 4140705,0 4111

710,0 4082

715,0 4053720,0 4025

725,0 3997

730,0 3970735,0 3943

740,0 3916

745,0 3890750,0 3864

755,0 3838

760,0 3813765,0 3788

770,0 3764

775,0 3739780,0 3715

785,0 3692

790,0 3668

795,0 3645

800,0 3623

805,0 3600

810,0 3578

815,0 3556

820,0 3534

825,0 3513

830,0 3492

835,0 3471

840,0 3450

845,0 3430

850,0 3409

855,0 3389

860,0 3370

Visível

Ultravioleta

Infravermelho

Física - 10º ano14

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900

T /

K

λλλλ / nm

Lei de Wien - Visível e vizinhança

Visível

Para o Sol, no comprimento de ondade aproximadamente 500nm, corresponde a potência máxima deirradiação de energia.

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Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica

Quando dois sistemas A e B estão em equilíbrio Quando dois sistemas A e B estão em equilíbrio

térmico com outro sistema C, então os sistemas térmico com outro sistema C, então os sistemas

A e B estão em equilíbrio térmico entre siA e B estão em equilíbrio térmico entre si


Esta lei permite explicar o facto de:

o sistema e a vizinhança estarem em equilíbrio e as taxas de emissão e absorção serem iguais;

ao fim de algum tempo, diferentes corpos atingem a temperatura ambiente.

Absorção e emissão em equilíbrio térmicoAbsorção e emissão em equilíbrio térmico

• Aplica-se a lei de Stefan-Boltzmann de modo

semelhante:

I = e I = e σσσσσσσσ TT44 I’ = e I’ = e σσσσσσσσ T’T’44

EmissãoEmissão AbsorçãoAbsorção

• O balanço energético é dado por:

∆∆∆∆∆∆∆∆I = e I = e σσσσσσσσ (T(T44--T’T’44))

• O corpo humano não está em equilíbrio

térmico.


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A radiação solar na produção de EnergiaA radiação solar na produção de Energia• Para determinar a temperatura de equilíbrio da

Terra, por balanço entre a energia solar absorvida e a radiação emitida, atender:

Poder absorsor = poder emissor + poder reflector

Potência absorvida = potência emitida

Potência emitida

P = e σ A T4

Aquecimento/arrefecimento SistemasAquecimento/arrefecimento Sistemas

ConduçãoCondução –– devido à colisão de electrões livres, provocando devido à colisão de electrões livres, provocando aumento da energia cinética interna que é transmitida aos aumento da energia cinética interna que é transmitida aos corpúsculos vizinhos.corpúsculos vizinhos.ConvecçãoConvecção –– o aumento da energia cinética interna origina uma o aumento da energia cinética interna origina uma expansão e diminuição de densidade.expansão e diminuição de densidade.


aquecimentoaquecimentoutilização de corpos negrosutilização de corpos negros

produção produção corrente eléctricacorrente eléctrica -- painéis fotovoltaicospainéis fotovoltaicos

colectores solarescolectores solares

Mecanismos de Transferência de CalorMecanismos de Transferência de Calor

A radiação solarA radiação solarpermitepermite

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Lei de Fourier: Lei de Fourier: quantidade de calor por unidade de quantidade de calor por unidade de

tempotempo

•• Depende da:Depende da:–– condutividade térmica (condutividade térmica (KK))

–– área de secção da recta (área de secção da recta (AA))

–– variação da temperatura (variação da temperatura (∆∆TT) expressa em kelvin) expressa em kelvin

–– espessura (espessura (LL))

•• Bons condutoresBons condutores–– Condutividade térmica elevadaCondutividade térmica elevada

–– Elevada taxa temporal de transmissão de calor.Elevada taxa temporal de transmissão de calor.

•• Maus condutores ou IsoladoresMaus condutores ou Isoladores–– Baixa condutividade térmicaBaixa condutividade térmica

–– Fraco condutor de calorFraco condutor de calor

Condutividade térmica: Condutividade térmica: UU = = KK / / LL e exprimee exprime--se em Wmse em Wm--22KK--11


Q∆∆∆∆t

= K A ∆∆∆∆TL


1ª LEI DA TERMODINÂMICA1ª LEI DA TERMODINÂMICA

Em todos os processos que ocorrem na NATUREZA Em todos os processos que ocorrem na NATUREZA há conservação da energia.há conservação da energia.

As transferências de energia podem traduzirAs transferências de energia podem traduzir--se em se em variações de energia interna dos sistemas. Esta variações de energia interna dos sistemas. Esta variação ocorre através de:variação ocorre através de:•• CalorCalor•• Realização de trabalhoRealização de trabalho•• Absorção ou emissão de radiaçãoAbsorção ou emissão de radiação

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Transformação adiabáticaTransformação adiabática

Quando o gás é expandido ou comprimido muito Quando o gás é expandido ou comprimido muito

rapidamente, não há transferência de calor.rapidamente, não há transferência de calor.

•• Ocorre um aumento da temperatura logo o trabalho mecânico Ocorre um aumento da temperatura logo o trabalho mecânico

durante o processo aumenta a energia internadurante o processo aumenta a energia interna

ΔΔEEinterna interna = = WW + + QQ + + RR

•• QQ = 0 e = 0 e RR = 0= 0

Logo: Logo:

•• ΔΔEEinternainterna = = WW

AA variaçãovariação dada energiaenergia internainterna dodo sistemasistema éé igualigual aoao trabalhotrabalhorealizadorealizado sobresobre oo sistemasistema..

Energia - Física 10 22

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Transformação isotérmicaTransformação isotérmica

AA temperaturatemperatura nãonão variavaria.. EntãoEntão aa energiaenergia internainterna dodo sistemasistema

permanecepermanece constante,constante, istoisto é,é, nãonão háhá variaçãovariação dede energiaenergia

internainterna..


•• ΔΔEEinterna interna = 0 e = 0 e RR = 0= 0

Logo:Logo:

•• WW = = –– QQ

OO trabalhotrabalho realizadorealizado sobresobre oo sistema,sistema, durantedurante aa compressãocompressãolentalenta dodo ar,ar, éé igualigual aoao calorcalor cedidocedido pelopelo sistemasistema..


Transformação isobáricaTransformação isobáricaA pressão é constante.A pressão é constante.•• WW = = F.F.∆∆∆∆∆∆∆∆xx FF –– valor da forçavalor da força ∆∆∆∆∆∆∆∆xx –– valor do deslocamentovalor do deslocamento

•• AA –– áreaárea pp –– pressão do gáspressão do gás

Logo:Logo: WW = = p Ap A ∆∆∆∆∆∆∆∆xx

Como Como AA..∆∆∆∆∆∆∆∆xx corresponde à variação de volume corresponde à variação de volume ∆∆∆∆∆∆∆∆VV

•• Com Com ∆∆∆∆∆∆∆∆VV <<<<<<<< 00 WW = = pp ∆∆∆∆∆∆∆∆VV é positivo (compressão) é positivo (compressão)

•• Com Com ∆∆∆∆∆∆∆∆VV >>>>>>>> 00 WW = = –– pp ∆∆∆∆∆∆∆∆VV é negativo (expansão)é negativo (expansão)

Então:Então:

ΔΔEEinterna interna = = WW + + QQ + + RR RR = 0= 0

Logo:Logo:

•• ΔΔEEinternainterna = = W W ++ QQAA variaçãovariação dada energiaenergia internainterna dodo sistemasistema éé igualigual aoao trabalhotrabalho realizadorealizadosobresobre oo sistema,sistema, quandoquando esteeste sofresofre umauma variaçãovariação dede volume,volume, mantendomantendoconstanteconstante aa pressãopressão..


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Transformação isocórica

O volume é constante.


• Como: W = p ∆∆∆∆V e ∆∆∆∆V = 0 Então W = 0

• Por sua vez R = 0

• Substituindo: ΔEinterna = Q

A variação da energia interna do sistema é igual à energiarecebida pelo sistema, como calor.

Situações em que a variação da energia interna Situações em que a variação da energia interna se faz à custa da se faz à custa da RadiaçãoRadiação

Quando se expõe um corpo à radiação solar ou se Quando se expõe um corpo à radiação solar ou se

cozinha num forno microondas, há um processo cozinha num forno microondas, há um processo

radioactivo.radioactivo.

Nestes casos não há realização de trabalho (Nestes casos não há realização de trabalho (W W = 0) = 0) nem trocas de “calor” (nem trocas de “calor” (Q Q = 0)= 0)


Como Como QQ = 0 e = 0 e WW = 0= 0

•• Então Então ΔΔEEinterna interna = = RR


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2ª LEI DA TERMODINÂMICA

Postulado de Kelvin – É impossível um sistema receber energia como calor e transformá-la integralmente em trabalho.

Ef = W + Ed


•• A evolução do Universo tende para a desordem dos A evolução do Universo tende para a desordem dos seus constituintes. Os processosseus constituintes. Os processos naturais naturais espontâneos levam à diminuição da energia útil. espontâneos levam à diminuição da energia útil.

•• A 2ª lei da termodinâmica também pode ser A 2ª lei da termodinâmica também pode ser expressa através da entropiaexpressa através da entropia. Logo, a entropia mede . Logo, a entropia mede a desordem de um sistema.a desordem de um sistema.

•• No Universo, a quantidade de energia útil nunca No Universo, a quantidade de energia útil nunca aumenta. Os processos naturais tendem a evoluir no aumenta. Os processos naturais tendem a evoluir no sentido do aumento da entropia do Universo.sentido do aumento da entropia do Universo.

2ª Lei da Termodinâmica 2ª Lei da Termodinâmica

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Rendimento das Máquinas Térmicas

Uma máquina térmica transforma calor em trabalho.

η = x 100%

A energia recebida pela máquina (Qq) é transformada em trabalho e em energia interna da vizinhança, Qf (fonte fria).


|W|

Qq

Eficiência EnergéticaSe a máquina transfere calor duma fonte fria para uma fonte

fria, designa-se por máquina figorífica.

ε = =__Qf__

|Qq| - Qf

Qf

W

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