Unidade I - Resumo - Prof. Paula - Fisica - Escola S. S. Pedro
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ENERGIA – do SOL para a
TERRA
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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
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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.
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A radiação solar que atinge a Terra é reflectida, difundida e
absorvida pela atmosfera. Parte desta energia atinge o solo.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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ENERGIA – no aquecimento e
arrefecimento de sistemas
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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.
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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.
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Temperatura
Escala Celsius (ºC)
Escala termodinâmica ou escala absoluta
No SI a temperatura mede-se em Kelvin (K)
θ=T-273,15
Δθ=ΔT
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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)
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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
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Taxa temporal de calor
Ou quantidade de calor por unidade de tempo
Taxa temporal de calor = Q Δt
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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.
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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
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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.
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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.
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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)
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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!
![Page 31: Unidade I - Resumo - Prof. Paula - Fisica - Escola S. S. Pedro](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062320/5590d6da1a28ab1f5d8b45a9/html5/thumbnails/31.jpg)
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.
![Page 32: Unidade I - Resumo - Prof. Paula - Fisica - Escola S. S. Pedro](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062320/5590d6da1a28ab1f5d8b45a9/html5/thumbnails/32.jpg)
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.
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