É possível se queimar tomando banho de sol?

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1 Refletindo sobre os seus conceitos prévios: É possível se queimar tomando banho de sol? Qual a temperatura do ar na praia? Quem é responsável pelo aquecimento da pele que pode levar à sua queima? O sol emite energia? Justifique. Estima-se que a temperatura do espaço seja da ordem de 4K. Existe matéria no espaço? Qual a distância entre o sol e a terra? Quem recebe a energia solar? Com a mesma intensidade? Analise a figura a seguir e justifique. É comum o uso de lareiras, resistências elétricas ou de aquecedores a carvão para aquecer residências em dias de inverno. Estes três sistemas têm em comum UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 99

2 o fato de a lenha, o carvão e o metal sofrerem alteração de cor no momento da ativação do sistema de aquecimento. O carvão, a lenha e o metal tornam-se vermelhos. Por quê? A partir das questões anteriores, quais as principais características da radiação térmica? Analise as definições de radiação na p Alguns usos da energia solar... as plantas usam-se da energia solar e são alimento de seres humanos e de animais... conversão de energia solar em elétrica uso em refrigeradores para transporte de vacinas no deserto, uso em salão de convenções na Alemanha,... conversão de energia solar em térmica aquecedores de água,... Experiência 7: voltando ao estudo da vela, de que forma a mão é aquecida? Refletindo sobre os seus conceitos prévios: Quem aquece a mão, o ar ou a chama? Como? UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 100

3 Relato das observações e discussão em aula focos da discussão: chama ar dedo; efeito do anteparo na sensação térmica: (em casa, complete as suas anotações, tendo em vista os questionamentos apresentados no apêndice D). Mote: explicar a transferência de calor entre duas localidades que não estão em contato direto. Para a sua reflexão - sintetizando as informações sobre a radiação: Uma definição de radiação segundo Incropera & De Witt, p. 5 (5 a edição): Radiação térmica é a energia emitida por toda a matéria que se encontra a uma temperatura finita. Nas palavras de Van Heuven et al. (1999, p. 230): Heat rays are electromagnetic waves (0.5 < λ < 10 µ m ) which are radiated by a body owing to thermal agitation of the constituent molecules. Between two surfaces radiation exchange may take place if the interspace is more or less (propriedade de um material de por transmitir radiação) diathermanous for the entire or part of the wavelength range. There is, then, heat transport in both directions and, if the temperatures of the surfaces differ, the difference between the opposite heat flows is not equal to zero. Ou nas palavras das professoras: radiação é a propriedade que a matéria tem de emitir energia (e.g. devido a transições eletrônicas, vibrações moleculares, etc.) na forma de ondas eletromagnéticas, sendo que a radiação não necessita de meio material para ser transportada. UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 101

4 Caracterização da radiação: Existência de matéria para emissão Existência de matéria para recepção Propagação na forma de ondas eletromagnéticas não há necessidade de existência de matéria Para o transporte de energia entre dois corpos há a necessidade de diferença de temperatura sem a qual a energia trocada será nula, como veremos adiante. O mecanismo da radiação é qualitativamente muito diferente dos mecanismos de transporte considerados até então de convecção e condução (nas disciplinas FT-I e FT- II). Uma compreensão profunda da física do transporte radiativo requer o uso de diversas disciplinas diferentes: a teoria eletromagnética é necessária para a descrição da natureza oscilatória da radiação, em particular, a energia associada às ondas eletromagnéticas; a termodinâmica é necessária para a determinação de relações entra as propriedades globais de um recipiente contendo radiação; a mecânica quântica é necessária para a descrição em detalhes dos processos atômicos e moleculares que ocorrem quando a radiação é produzida dentro da matéria e quando é absorvida pela matéria; e a mecânica estatística é necessária para a descrição do modo de distribuição da radiação pelo espectro de comprimentos de onda. Tudo o que podemos fazer nesta discussão elementar é definir as grandezas principais e apresentar os resultados da teoria (Bird et al, 2004) e de experimentos Sobre ondas: O que é uma onda? Dê exemplos físicos, apresente representações gráficas de ondas e interprete-as. UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 102

5 Explique o gráfico a seguir, em que E é energia sendo emitida e t é tempo. Caracterize o comprimento de onda (λ), o período (T) e freqüência (ν) de propagação e a velocidade de propagação (c). Qual a energia emitida durante o período T? Para diferentes comprimentos de onda a energia emitida será a mesma? O que é espectro eletromagnético? Figura extraída de Bird et al., p. 465 UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 103

6 Por quê a matéria pode emitir energia e por quê a energia emitida depende do comprimento de onda? A matéria pode absorver radiação? Interprete o gráfico a seguir. O que se entende por a radiação é espectral? Figura extraída de Bird et al., p. 470 A estrutura da matéria pode interferir na absorção e emissão de radiação? Toda energia incidente sobre a matéria será absorvida? α + ρ+ τ = 1 (absorção + reflexão + transmissão = 100%) (figura adaptada de Incropera & De Witt, p.361, 4a edição) UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 104

7 maioria de superfícies não metálicas para radiação no infravermelho: α > 0.8 superfícies metálicas polidas e limpas: 0.05 < α < 0.2 (Van Heuven et al., 1999) Defina e dê exemplos de corpos opacos, transparentes e semi-transparentes: Sintetizando a reflexão... O espectro eletromagnético Ondas eletromagnéticas são classificadas de acordo com o seu comprimento de onda (λ) e freqüência (ν). A luz visível, por exemplo, é composta ondas eletromagnéticas com comprimento de onda que vão m (violeta) até m (vermelho). No centro do espectro visível estão o verde e o amarelo. Raios-X têm freqüência muito alta (ν=10 18 Hz) e comprimentos de onda muito curtos (λ=10-10 m). Ondas de rádio têm freqüência baixa (600 khz para AM e 100 MHz para FM) e longos comprimentos de ondas (centenas de metros). Nós referimos ao conjunto de valores de freqüência e comprimento de onda como o espectro eletromagnético. Usualmente, chama-se de radiação térmica a radiação compreendida entre os comprimentos de onda de 0.01 a 100 µm. A radiação térmica representa apenas uma pequena parte do espectro completo da radiação eletromagnética. Os diversos tipos de radiação se distinguem apenas pela faixa de comprimento de onda. Percebe-se também que uma grande parte da radiação térmica está fora da faixa do visível, sendo compreendida mais especificamente na faixa que chamamos de infravermelho. A radiação varia assim com o comprimento de onda e o termo espectral é usado nesta descrição. A natureza espectral da radiação térmica é uma das duas características que complicam a sua descrição. A segunda característica é relativa a sua direcionalidade, pois uma superfície pode emitir preferencialmente em certas (Incropera & de Witt, p. 496) direções, criando uma distribuição direcional da radiação emitida. figura extraída de Incropera & De Witt, p. 496 (5 a edição) Além da radiação térmica, outras têm interesse prático, particularmente, na engenharia elétrica (comprimentos de onda elevados), e.g. pela possibilidade de geração de corrente elétrica e na engenharia nuclear (comprimentos de onda baixos), pela emissão de partículas nucleares (e.g. elétrons do núcleo, etc.). UPM/EE/DEM/FT-II-5C/Profa. Dra. Míriam Tvrzská de Gouvêa/2004-2S 105