ENERGIA – do SOL para a

TERRA

A energia solar chega à Terra sob a forma de radiação

electromagnética, a qual se propaga no vazio com a velocidade de

3,00x108m/s.

A luz visível é uma pequena parte do espectro electromagnético,

que inclui desde ondas de rádio até raios gama.

A radiação electromagnética comporta-se como uma onda

electromagnética; é caracterizada pelo comprimento de onda (λ) e

pela frequência (f).

Todos os corpos irradiam energia.

A potência que um corpo irradia está relacionado com a sua

temperatura: P=eσAT4

O comprimento de onda da radiação mais abundante no espectro de

emissão de um corpo está também relacionado com a sua

temperatura:

λpico=0,00290/T

Os corpos que melhor emitem são os que melhor absorvem.

A radiação solar que atinge a Terra é reflectida, difundida e

absorvida pela atmosfera. Parte desta energia atinge o solo.

A atmosfera terrestre difunde melhor a radiação visível com menor

comprimento de onda (a azul).

A absorção da radiação solar pela atmosfera depende das

substâncias que a constituem. O metano e o dióxido de carbono

absorvem a radiação.

A camada de ozono existente na estratosfera protege os seres

vivos.

O ozono que se encontra junto ao solo está associada a uma

poluição atmosférica intensa.

Um corpo está em equilíbrio térmico radiativo se absorve tanta

radiação como aquela que emite.

O efeito de estufa é responsável pelo facto de a temperatura à superfície

da Terra ser bastante superior à temperatura calculada, considerando o

equilíbrio térmico radiativo.

A presença de CO2, de CH4 e de H2O na atmosfera dos planetas provoca

aumento de temperatura, por efeito de estufa. O aumento da concentração

destas substâncias na atmosfera tem consequências no aquecimento global

do nosso planeta.

Os painéis solares permitem produzir energia eléctrica, a partir da

radiação solar que neles incide. Se cobríssemos todos os telhados

portugueses com painéis solares seria possível produzir a energia

eléctrica de que o país necessita.

Energia Solar

transfere-se por

Painéis fotovoltaícos

Colectores Solares

Radiação Solar

Terra + atmosfera

Emissão de radiação

Absorção de radiação

Sistema Termodinâmico

Equilíbrio térmico com a sua vizinhança

Temperatura média da Terra

Balanço energético

para

a qual constituí na qual ocorre a

em responsáveis pela

calculada

por

pode ser aproveitada por

Lei Zero da Termodinâmica

Sistema termodinâmico

TERRAReceptor de energia Fonte de energia

Equilíbrio Térmico

Variação de temperatura

E fornecida = E emitida

Temperatura média constante

porque há

é

está em

é é

Aquecimento da Terra

Absorvida

TERRA Receptor de energia

Dispersada

Luminosidade

Recebe energia do Sol

Reflectida

porque

que é

é

por

Camada alta da atmosfera

Radiação do albedo

Solo

Visualização da

Terra

determinada pela

Potência total irradiada

TERRA Fonte de energia

Lei de Stefan-Boltzman

Emite Energia

Espectro Electromagnético

porque

associada a

é

relacionada com

P=eσAT4

Deslocamento de Wien

λxT=constante

ENERGIA – no aquecimento e

arrefecimento de sistemas

Mecanismos de transferência de Energia

O calor transfere-se entre sistemas que se encontram a temperaturas

diferentes.

Os mecanismos de transferência de energia como calor são a

condução e a convecção.

A condução

Ocorre sem transporte de matéria

Verifica-se nos corpos sólidos

É devido à colisão de electrões livres com iões (positivos),

originando um aumento da energia cinética interna que é

transmitida aos corpúsculos vizinhos.

A convecção

Ocorre com transporte de matéria

Verifica-se nos fluídos (corpos líquidos e gasosos)

É devido ao aumento da energia cinética interna, o que origina uma

expansão e diminuição da densidade.

O fluído menos denso (quente) sobre, obrigando o mais denso (frio) a

descer.

Temperatura

Escala Celsius (ºC)

Escala termodinâmica ou escala absoluta

No SI a temperatura mede-se em Kelvin (K)

θ=T-273,15

Δθ=ΔT

Capacidade térmica mássica

Q = c x m x Δθ

A variação de temperatura, experimentada pelo corpo, depende da

natureza e da massa da substância que o constitui e da quantidade de

calor, que lhe é fornecida.

c = Q/(mx Δθ)

A capacidade térmica mássica de uma substância é numericamente igual à

quantidade de energia que é necessário transferir para a massa de 1kg dessa

substância, para que esta experimente a variação de temperatura de 1k (ou de

1ºC).

A unidade no SI é J/(Kg.K)

Materiais condutores e isolantes de calor

Nem todos os materiais têm a mesma facilidade de transmitir a energia

como calor, por unidade de tempo. Por essa razão, os materiais

classificam-se em:

BONS CONDUTORES

Condutividade térmica elevada

Elevada taxa temporal de transmissão da energia como calor

MAUS CONDUTORES

Baixa condutividade térmica

Baixa taxa temporal de transmissão de energia como calor

Taxa temporal de calor

Ou quantidade de calor por unidade de tempo

Taxa temporal de calor = Q Δt

Condutividade térmica

Os metais conduzem bem o calor. Os gases, a lã, o poliestireno

expandido e o material constituído por fibras de vidro são maus

condutores. Estes últimos exemplos contêm micro bolsas de ar na sua

estrutura. A pedra o betão são condutores intermédios. As pegas de

plástico ou de madeira, nas frigideiras e nas panelas, destinam-se a

impedir que o calor seja conduzido da peça metálica para a nossa mão.

Sob o ponto de vista térmico, os materiais são caracterizados pela

chamada condutividade térmica (K)

Verifica-se que a energia transferida, como calor, por unidade de tempo,

através de uma parede, é directamente proporcional à área, A,

inversamente proporcional à espessura da parede, L, e directamente

proporcional à diferença de temperatura, Δθ, existente entre o interior e o

exterior da parede.

Condutividade térmica

Lt

KA

Q

Q – Energia transferida como calor - J

Δt – intervalo de tempo - s

K – condutividade térmica - W/(m.K)

A – área – m2

L – espessura – m

Δθ – variação de temperatura – K Δθ=θf-θi

θ1θ2

L

Condutividade térmica

UAQ

tU – Coeficiente de condutividade térmica – W/(m2.K)

L

KU

Se quisermos que a energia não seja conduzida através das paredes,

como por exemplo, nas habitações e nos frigoríficos, temos de utilizar

materiais com baixa condutividade térmica. O poliuterano e o poliestireno

são utilizados com essa finalidade.

1º Lei da Termodinâmica

Através da lei da Conservação de Energia, sabe-se que sempre que

ocorre uma transformação e/ou transferência de energia esta conserva-se,

visto que um sistema cede energia e o outro recebe.

Os sistemas transferem energia entre si, através do calor (Q), trabalho

realizado (W) e emissão ou absorção de radiação (R), podendo só originar

a variação de energia interna.

Para que se continue a verificar a Lei da conservação da Energia:

ΔU=Q+W+R

Esta expressão traduz a 1ª Lei da termodinâmica.

1º Lei da Termodinâmica

A energia transferida entre um sistema não isolado e a

vizinhança, como calor, trabalho ou radiação, é igual à variação de

energia interna do sistema.

Por convenção, considera-se que:

Toda a energia fornecida ao sistema é positiva (Q>0,W>0 e R>0)

Toda a energia cedida pelo sistema à vizinhança é negativa

(Q<0,W<0 e R<0)

1º Lei da Termodinâmica

Transferências de energia que podem apenas traduzir variações

de energia interna dos sistemas.

Calor: se estiver a aquecer um gás num recipiente fechado Q=U

Trabalho: gás a ser comprimido com um êmbolo w=U

1º Lei da Termodinâmica

A variação de energia interna pode ocorrer em situações específicas,

onde não se verifica transferência de energia como radiação,

nomeadamente:Transformação Variável de estado constante

Verifica-se Variação de energia interna

AdiabáticaCalor

(compressão rápida do ar

numa bomba de bicicleta)

•Transformações em recipientes termodinamicamente isolados•Compressão e expansão de gases

ΔU=WQ=0R=0

Isotérmica Temperatura

•Compressão e expansão lenta de gases

ΔT=0 => ΔU=0 Q= -WR=0

1º Lei da Termodinâmica

Transformação Variável de estado constante

Verifica-se Variação de energia interna

Isobárica Pressão

•Aquecimento ou arrefecimento de um líquido em sistema aberto

W= P x ΔVΔU= P x ΔV + QR=0

Isocórica Volume

•Aquecimento ou arrefecimento de um líquido em sistema fechado e com fronteira rígida

ΔV=0 => W=0ΔU=QR=0

Quando há transferência de energia como radiação, esta pode ocorrer

conjuntamente, ou individualmente, quando o trabalho e o calor forem nulos.

W=0 e Q=0 => ΔU=R

2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia

Os fenómenos naturais ocorrem espontaneamente num determinado

sentido. Embora a 1ª lei não proíba que o calor possa ser transferido,

espontaneamente de um corpo que está a temperatura mais baixa, para

outro que está a temperatura mais elevada, a verdade é que isso não

ocorre. Também não é possível embora a 1ª lei não o proíba, que um

sistema, cujas partículas estão desordenadas, evolua espontaneamente

para um estado em que elas fiquem ordenadas. A 2ª lei permite clarificar

o sentido em que os processos espontâneos evoluem.

2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia

Devido à degradação da energia não é possível que um processo

espontâneo seja reversível sem a realização de trabalho da vizinhança

sobre o sistema, o que se traduz pela 2ª lei.

Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se

sempre no sentido da diminuição da energia útil.

Processo espontâneo: ocorre sem que a vizinhança actue sobre o

sistema, realizando trabalho, transferindo calor ou radiação.

Processo reversível: ocorre de modo a que o sistema possa retomar o

estado anterior ao processo, sem alterar a energia do sistema e da

vizinhança.

2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia

Postulada de Kelvin

Nenhum sistema termodinâmico que funcione de modo cíclico, pode

transferir calor de uma única fonte, transferindo-o integralmente em

trabalho.

Há sempre degradação de energia!

2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia

Postulada de Clausius

É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a

temperatura mais baixa para outro a temperatura mais alta.

PROCESSO ESPONTANEO

Só ocorre se for realizado trabalho

Ex: frigorífico

Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se sempre no sentido da diminuição da energia útil.

2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia

Entropia

Uma nova variável de estado termodinâmica. Mede a desordem de um

sistema.

Rendimento de uma máquina térmica é igual ao quociente entre o

trabalho realizado pela máquina e a energia que a máquina recebe

como calor, através da fonte quente.

%100Qq

|Wx