Graça Meireles. Física -10º ano. Física -10º ano 2

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1 Escola Secundária D. Afonso Sanches Energia do Sol para a Terra Graça Meireles Física -10º ano 1 Variação da Temperatura com a Altitude Física -10º ano 2 1

2 Sistemas Termodinâmicos Propriedades a ter em conta: Volume, V(m 3 ) 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. Física -10º ano 3 Emissão e absorção de energia A radiação solar incidente pode ser: Reflectida na camada superior da atmosfera - albedo por alguns materiais na superfície da Terra Dispersa pelas partículas da atmosfera - moléculas Absorvida pela atmosfera pela superfície terrestre cerca 45% Todos os corpos emitem energia. Física -10º ano 4 2

3 Energia 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, equaseigualnoar. Física -10º ano 5 Espectro Solar Física -10º ano 6 3

4 Max Planck Max Karl Ludwig Planck ( ) Física -10º ano 7 A cor e intensidade de radiação depende da temperatura do corpo emissor Radiância W.m -2.nm -1 3,5E+14 3,0E+14 Lei de Planck Todos os corpos emitem radiação num contínuo de comprimentos de onda. O comprimento de onda máximo onde ocorre a emissão, com a intensidade máxima, depende da temperatura do corpo. Tempertaura /K 2,5E+14 2,0E+14 1,5E ,0E+14 5,0E+13 0,0E λ/ nm Física -10º ano 8 4

5 Lei de Stefan-Boltzmann A potência total irradiada por uma superfície é directamente proporcional à área da sua superfície e à quarta potência da temperatura absoluta. P = e σa A T 4 A intensidade é a potência irradiada por unidade de área I = σt 4 Constante de Stefan-Boltzmann: σ= = 5,67 x 10-8 Wm - 2 K -4 A emissividade de um material depende da sua natureza e toma valores entre 0 e 1. e= = 0, não absorve nem emite, só reflete; e= = 1, não reflete (corpo negro) Física -10º ano 9 Colectores Solares Física -10º ano 10 5

6 Colectores Solares Física -10º ano 11 Deslocamento de Wien O comprimento de onda da radiação correspondente à máxima potência irradiada é inversamente proporcional à temperatura do corpo. λx T= B constante = 2,898 x 10-3 mk A potência irradiada é máxima para determinados valores energéticos do espectro electromagnético a uma dada temperatura. A relação entre a temperatura e os valores da radiação máxima são dados pela. Física -10º ano 12 6

7 λ / nm T / K 300, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Ultravioleta Visível Infravermelho Wilhelm Wien Física -10º ano 13 Lei de Wien - Visível e vizinhança Visível T / K Para o Sol, no comprimento de onda de aproximadamente 500 nm, corresponde a potência máxima de irradiação de energia λ / nm Física -10º ano 14 7

8 Lei Zero da Termodinâmica Quando dois sistemas A e B estão em equilíbrio térmico com outro sistema C, então os sistemas A 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. Física -10º ano 15 Absorção e emissão em equilíbrio térmico Aplica-se a lei de Stefan-Boltzmann de modo semelhante: I = e σt 4 Emissão I = e σt 4 Absorção O balanço energético é dado por: I I = e σ(t 4 -T 4 ) O corpo humano não está em equilíbrio térmico. Física -10º ano 16 8

9 A 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 σat 4 Aquecimento/arrefecimento Sistemas A radiação solar permite aquecimento colectores solares utilização de corpos negros produção corrente eléctrica - painéis fotovoltaicos Mecanismos de Transferência de Calor Condução devido devido à colisão de electrões livres, provocando aumento da energia cinética interna que é transmitida aos corpúsculos vizinhos. Convecção o o aumento da energia cinética interna origina uma expansão e diminuição de densidade. Física -10º ano 18 9

10 Lei de Fourier: quantidade de calor por unidade de tempo Depende da: Q condutividade térmica (K) t = K A T área de secção da recta (A) L variação da temperatura ( T) expressa em kelvin espessura (L) Bons condutores Condutividade térmica elevada Elevada taxa temporal de transmissão de calor. Maus condutores ou Isoladores Baixa condutividade térmica Fraco condutor de calor Condutividade térmica: U= K/ Le e exprime-se em Wm - 2 K -1 Física -10º ano 19 1ª LEI DA TERMODINÂMICA Em todos os processos que ocorrem na NATUREZA há conservação da energia. As transferências de energia podem traduzir-se em variações de energia interna dos sistemas. Esta variação ocorre através de: Calor Realização de trabalho Absorção ou emissão de radiação Física -10º ano 20 10

11 Física -10º ano 21 Transformação adiabática Quando o gás é expandido ou comprimido muito rapidamente, não há transferência de calor. Ocorre um aumento da temperatura logo o trabalho mecânico durante o processo aumenta a energia interna Q= = 0 e R= = 0 Logo: ΔE interna = W A variação da realizado sobre ΔE interna = W+ Q+ R da energia interna do sistema é igual ao trabalho sobre osistema. Energia - Física

12 Transformação isotérmica A temperatura não varia. Então a energia interna do sistema permanece constante, isto é, não há variação de energia interna. ΔE interna interna = W+ Q+ R ΔE interna = 0 e R= = 0 Logo: W= Q O trabalho realizado sobre o sistema, durante a compressão lenta doar, ar,éigual ao calor cedido pelo sistema. Energia - Física Transformação isobárica A pressão é constante. W= F. x A área F valor da força p pressão pressão do gás Logo: W= p A x Como A. xcorresponde à variação de volume V Com V <0 Com V >0 Então: Logo: ΔE interna = W +Q x valor do deslocamento W= p Vé é positivo (compressão) W= p Vé negativo (expansão) ΔE interna = W+ Q+ R R= = 0 A variação da energia interna do sistema é igual ao trabalho realizado sobre o sistema, quando este sofre uma variação de volume, mantendo constante apressão. Energia - Física

13 Transformação isocórica O volume é constante. ΔE interna = W+ Q+ R Como: W= p V e V= 0 Então W= 0 Por sua vezr= 0 Substituindo: ΔE interna = Q A variação da energia interna do sistema é igual à energia recebida pelo sistema, como calor. Física -10º ano 25 Situações em que a variação da energia interna se faz à custa da Radiação Quando se expõe um corpo à radiação solar ou se cozinha num forno microondas, há um processo radioactivo. Nestes casos não há realização de trabalho (W = 0) nem trocas de calor (Q = 0) ΔE interna = W+ Q+ R Como Q= = 0 e W= = 0 Então ΔE interna = R Energia - Física

14 2ª LEI DA TERMODINÂMICA Postulado de Kelvin É impossível um sistema receber energia como calor e transformá-la integralmente em trabalho. E f =W +E d Física -10º ano 27 2ª Lei da Termodinâmica A evolução do Universo tende para a desordem dos seus constituintes. Os processosnaturais espontâneos levam à diminuição da energia útil. A 2ª lei da termodinâmica também pode ser expressa através da entropia.. Logo, a entropia mede a desordem de um sistema. No Universo, a quantidade de energia útil nunca aumenta. Os processos naturais tendem a evoluir no sentido do aumento da entropia do Universo. Física -10º ano 28 14

15 Rendimento das Máquinas Térmicas Uma máquina térmica transforma calor em trabalho. η = W x 100% Q q A energia recebida pela máquina (Q q ) é transformada em trabalho e em energia interna da vizinhança, Q f (fonte fria). Eficiência Energética Se a máquina transfere calor duma fonte fria para uma fonte fria, designa-se por máquina figorífica. ε= Q = Q f f W Q q -Q f Física -10º ano 29 15

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