1. Energia do Sol para a Terra

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1 1. Energia do Sol para a Terra Energia emitida pela Terra e enviada para o Espaço. Radiação Solar Energia Solar recebida pela Terra. 1

2 Temperatura da Terra A temperatura média ao nível da superficie terrestre é de 15 ºC, isto é, 288 K; Este valor mantém-se inalterável desde os tempos mais remotos; É determinado, em grande parte, pela radiação que a terra recebe do Sol. Parte da energia que a Terra recebe do Sol é reenviada para o espaço o que faz com que a sua temperatura média se mantenha constante. A quantidade de energia solar recebida pela Terra é, aproximadamente, igual à energia reenviada para o espaço. 2

3 Papel da atmosfera no balanço energético da Terra? A atmosfera consegue controlar: A quantidade de radiação solar que atinge a superfície do nosso planeta. A quantidade de radiação reeenviada da Terra para o Espaço. A quantidade de radiação reflectida depende da atmosfera que rodeia a Terra. 3

4 O que acontece à radiação que vem do Sol para a Terra? Radiação reflectida? Reflecte-se nas nuvens(atmosfera com nuvens). É absorvida pelo ozono, pelo oxigénio, pelo dióxido de carbono entre outros. É difundida por moléculas e aerossóis (atmosfera sem nuvens). Radiação que consegue atingir a superfície terrestre? Radiação absorvida pelo solo. Radiação reflectida pelo solo. Designa-se por albedo a razão entre a quantidade de radiação que se reflecte, quer na atmosfera quer no solo, e a quantidade de 4 radiação incidente.

5 O que acontece à radiação que vem do Sol para a Terra? zénite - ponto exatamente acima de um lugar específico; a partir de um ponto numa superfície horizontal traça-se uma reta imaginária perpendicular ao plano, o ponto onde esta se encontra com a esfera celeste é o zénite. 5

6 Balanço energético do sistema Terra + atmosfera A radiação reflectida pelo sistema Terra + atmosfera faz com que a terra seja visível do espaço. O sistema Terra + atmosfera desempenha, simultaneamente, o papéis de receptor e de fonte de energia. Balanço energético da Terra: Sol fonte de energia; Terra receptor de energia; Balanço energético da Terra: Considera-se 100 unidades a quantidade de radiação solar que atinge o sistema Terra + atmosfera ; 6

7 Balanço energético do sistema Terra + atmosfera A atmosfera sem nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 52 unidades; Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 7 unidades e a Terra absorve 23 unidades. A atmosfera sem nuvens absorve 22 unidades. 7

8 Balanço energético do sistema Terra + atmosfera 3 A quantidade de radiação enviada pelo Sol para a superfície terrestre é de 5 unidades; O solo da Terra absorve 44 unidades ( =44). 1 A atmosfera sem nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 52 unidades; Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 7 unidades e a Terra absorve 23 unidades. A atmosfera sem nuvens absorve 22 unidades ( = 22). 2 A atmosfera com nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 43 unidades; Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 17unidades e a Terra absorve 22 unidades. A atmosfera com nuvens absorve 4 unidades ( = 4). 8

9 Balanço energético do sistema Terra + atmosfera 26 unidades são absorvidas pela atmosfera 22 unidades na atmosfera s/ nuvens; 4 na atmosfera c/ nuvens; 30 unidades são reflectidas para o espaço 7 unidades na atmosfera s/ nuvens; 17 na atmosfera c/ nuvens; 6 unidades no solo. 44 unidades são absorvidas pelo solo 9

10 Balanço energético do sistema Terra + atmosfera Os valores dependem um pouco da fonte que se consulta. 10

11 Exercício Aberto receptor fonte igual radiação absorvida aumentar Lua 11

12 Emissão e absorção de radiação O Sol altera a temperatura da Terra porque esta absorve parte da radiação que ele emite; A radiação que incide num corpo pode ser absorvida, reflectida ou transmitida, verificando-se a lei da conservação da energia; 1 = factor de absorção - factor de reflexão - factor de transmissão 12

13 Emissão e absorção de radiação A soma das fracções da radiação incidente que é absorvida ( ) com a que é reflectida ( )e com a que é transmitida ( ) tem que ser igual à unidade (energia incidente). A radiação solar que incide na superfície terrestre é, principalmente, absorvida pelos materiais sólidos e pela água; Não é fácil de detectar a energia irradiada pela Terra; Durante a emissão e absorção de radiação pelos corpos há transferência de energia radiante; 13

14 Radiação Térmica O zero absoluto, ou zero kelvin (0 K), corresponde à temperatura de -273,15 C ou F Os corpos emitem radiação (ondas electromagnéticas) em consequência da agitação térmica dos seus átomos, moléculas ou iões. A frequência e amplitude da radiação emitida depende da amplitude e frequência das vibrações das partículas que os constituem. Todos os corpos irradiam energia. Um corpo cuja temperatura seja superior ao zero absoluto emite radiação electromagnética radiação térmica. 14

15 Absorsores e emissores de radiação Um corpo com boas características emissoras, num dado comprimento de onda, é também um bom absorsor ou absorvedor no mesmo comprimento de onda; Maus emissores, num dado comprimento de onda, são também maus absorsores no mesmo comprimento de onda; As superfície brancas e as brilhantes (ou prateadas) são más absorsoras da radiação na zona do vísivel mas são boas absorsoras na zona do infravermelho. São as superfícies que reflectem mais essa radiação. 15

16 Absorsores e Emissores de radiação/cor dos corpos As casas alentejanas e algarvias são tradicionalmente caiadas de branco. As roupas no deserto são claras. O Hubble é prateado. 16

17 Poder de absorção de diferentes superfícies Faz incidir a luz emitida por uma lâmpada de incandescência sobre uma das faces do cubo de Leslie. Mede a temperatura do ar no interior do cubo à medida que o tempo decorre. A elevação de temperatura é maior na face preta que na face branca. A elevação de temperatura é maior na baça que na face polida. A face preta tem maior poder de absorção da radiação vísivel que a face branca. A face baça tem maior poder de absorção da radiação vísivel que a face polida. 17

18 Poder de absorção de diferentes superfícies 18

19 Relação entre a temperatura do corpo e a sua cor Dados experimentais À temperatura ambiente os corpos emitem radiação electromagnética denominada radiação térmica. O comprimento de onda da radiação emitida diminui à medida que a temperatura aumenta. A radiação emitida pode situar-se em diferentes zonas do espectro electromagnético dependendo da temperatura do corpo. A cor pode variar de amarelo a laranja ou azul dependendo da temperatura do corpo. Quanto mais elevada for a temperatura de um corpo mais o espectro da radiação por ele emitida é rico em frequências mais elevadas. O espectro da radiação emitida pelo corpo humano (37º C), situa-se maioritariamente na zona do IV. 19

20 Temperatura/cor/comprimento de onda 800 ºC ºC ºC Amararelo Laranja Azul Comprimento de onda diminui Frequência aumenta IV Visível UV 20

21 Lei de Stefan-Boltzmann Físico Austriaco que formulou a segunda lei da termodinâmica. A lei de Stefan-Boltzmann tinha sido descoberta experimentalmente pelo seu mestre, Josef Stefan ( ) A potencia total irradiada (P) por uma superfície é directamente proporcional á sua área e à quarta potência da sua temperatura absoluta. Ludwig Boltzmann P = σeat 4 P potencia total emitida em todas as frequências; A área da superfície irradiadora; T temperatura absoluta a que o corpo se encontra; constante universal, constante de Stefan- Boltzmann; e emissividade do material. 21

22 Lei de Stefan-Boltzmann A área por baixo da curva dá a intensidade total da radiação emitida P = σeat 4 = 5,67 x 10-8 W/(m 2 K 4 ) I = σt 4 A intensidade total da radiação emitida por um corpo negro varia com a quarta potência da sua temperatura absoluta. 22

23 Corpo negro Não existe na natureza um emissor perfeito. Os físicos usam um modelo para caracterizar um radiador ideal o corpo negro. Um corpo negro absorve toda a radiação que nele incide, não reflecte nem transmite ( = 1, = 0, = 0). Dado que e =, um corpo negro emite, a qualquer temperatura, a quantidade máxima possível de radiação, em todos os λ. Qualquer superfície coberta de negro é um exemplo aproximado de corpo negro. 23

24 Emissividade Em física, emissividade é a relação entre o poder emissivo de um corpo qualquer e a de um corpo negro. É conhecida como emissividade ε ou e, e pode ter um máximo igual a 1, que é correspondente à emissividade de um corpo negro, e um mínimo igual a zero (um espelho). A emissividade representa a maior ou menor tendência que um determinado corpo tem em emitir radiação relativamente a um emissor perfeito. O poder de emissividade está associado à natureza do corpo, à área exposta e à temperatura absoluta a que se encontra. 24

25 Tabelas de emissividades de diferentes materiais 25

26 Falso ou verdadeiro? V V F F F 26

27 Deslocamento de Wien 27

28 Deslocamento de Wien 28

29 Deslocamento de Wien À medida que a temperatura diminui, o pico da curva da radiação de um corpo negro desloca-se para menores intensidades e comprimentos de onda maiores. O gráfico de emissão de radiação de um corpo negro também é comparado com o modelo clássico de Rayleigh e Jeans. λ max x T = constante constante = 2,898 x 10-3 m K Há uma proporcionalidade inversa entre o comprimento de onda correspondente ao máximo (λ max ) da radiação emitida e a temperatura do corpo negro (T). 29

30 Deslocamento de Wien Permite concluir: Qualquer que seja temperatura a que se encontrem, os corpos emitem radiação em todas as frequências, no entanto existe uma zona em que emitem com intensidade máxima. Esta zona não é sempre a mesma desloca-se para menores comprimentos de onda (λ) à medida que a temperatura do corpo aumenta. Os corpos a temperatura mais elevada irradiam mais energia do que os que se encontram a temperatura mais baixa e têm o seu máximo de emissão a menores comprimentos de onda. A este fenómeno foi dado o nome de deslocamento de Wien. 30

31 Deslocamento de Wien Em que zona do espectro é máxima a potência irradiada pelo Sol (considerado um corpo negro)? A temperatura da fotosfera do Sol é, aproximadamente, 6000 K. De acordo com o deslocamento de Wien o comprimento de onda máximo é: λ max = 5 x 10-7 m A radiação com este comprimento de onda localiza-se na zona do vísivel do espectro electromagnético, nomeadamente no verde. É nesta nesta zona que é máxima a potência irradiada pelo Sol. 31

32 Deslocamento de Wien O Sol emite energia radiante predominantemente na zona do vísivel - por isso o vemos 32

33 Deslocamento de Wien Em que zona do espectro é máxima a potência irradiada pelo Terra (considerada um corpo negro)? A temperatura à superfície da Terra é cerca de 288 K. De acordo com o deslocamento de Wien o comprimento de onda máximo da radiação emitida pela Terra é: λ max = 1 x 10-5 m A terra emite essencialmente na gama do IV A radiação com este comprimento de onda localiza-se na zona infravermelha do espectro electromagnético. É a zona onde é máxima a potência irradiada pela Terra. 33

34 Exercício 1. Por que motivo os chocolates estão, geralmente, revestidos por papel de estanho prateado? 2. Em que zona do espectro é máxima a potência irradiada por um corpo à temperatura de 2000 K? Informação prévia O conjunto dos valores de todas as propriedades de um sistema denomina-se estado do sistema. Dois sistemas estarão no mesmo estado se os valores de todas as suas propriedades forem iguais. Se o valor de uma das propriedades for diferente, eles não estarão no mesmo estado. Não é necessário medir os valores de todas as propriedades para saber o estado do sistema. Basta conhecer os valores de algumas delas. Todas as outras poderão ser calculadas a partir destas propriedades conhecidas, que, por isto, passam a serem chamadas variáveis termodinâmicas. 34

35 Sistema Termodinâmico - Exemplos A termodinâmica estuda, em geral, transferências de energia entre sistemas, ao nível macroscópico. São constituídos por um número muitíssimo grande de corpusculos por isso não se podem desprezar as variações de energia interna que neles ocorrem. 35

36 Sistema Termodinâmico Estado termodinâmico - é cada uma das situações diferentes em que um sistema se pode encontrar. Cada estado caracteriza-se pelas suas variáveis termodinâmicas: pressão; temperatura; volume; Variáveis termodinâmicas - podem depender: Unicamente do estado em que se encontra o sistema Dependem também da história do sistema (transformações que ocorreram até chegar ao estado actual. 36

37 Sistema Termodinâmico Variáveis de estado ou propriedades do sistema - variáveis termodinâmicas que só dependem do estado do sistema. Exemplo: energia interna. Num balão com gás a pressão e o volume são variáveis de estado. Se houver outra variável de estado, como a temperatura, ela terá que ser relacionada com a pressão e o volume. A pressão o volume e a temperatura são as variáveis de estado mais apropriadas para definir o estado de sistemas gasosos e líquidos. 37

38 Equilíbrio térmico e lei zero da Termodinâmica Quando todos os corpos estão em equilibrio térmico, as suas temperaturas são iguais. Lei zero da termodinâmica Se dois sistemas estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, também estão em equilíbrio térmico entre si. 38

39 Como se atigem os estados de equilíbrio? Estado 1 Estado 2 Sistema Processo Sistema Vizinhança Vizinhança Processo variação de um estado termodinâmico para outro. Durante o processo ocorrem transformações no sistema. O estado 1 (estado inicial) é caracaterizado pelo conjunto de variáveis de estado X que a pós a troca de energia com a sua vizinhança origina o estado 2 (estado final) Y. 39

40 Equilíbrio Termodinâmico? Quando se atingem, simultaneamente, todos os equilíbrios entre o sistema e a sua vizinhança. 40

41 Tipos de equilíbrio Se os sistemas estiverem em contacto térmico Térmico Químico Se houver transferência de corpúsculos entre sistemas reagentes Mecânico Se os sistemas interactuarem mecanicamente, realizando trabalho 41

42 O equilíbrio térmico 42

43 O equilíbrio térmico e a radiação Colocar as três latas num recipiente térmicamente isolado. Ao fim de algum tempo estão todos à mesma temperatura. No entanto todos os corpos continuam a irradiar energia. As respectivas taxas de absorção e de emissão de radiação são iguais. Ou seja, a potência irradiada (emissão) por um corpo é igual à potência que esse corpo absorve (absorção) da sua vizinhança como radiação. 43

44 Exercício 1. Um rapaz aqueceu uma barra de ferro com a massa de 0,5 kg. Em seguida, arrefeceu-a, mergulhando-a num recipiente com 8 kg de água a 30 ºC. O equilibrio térmico foi atingido a 34º C. A que temperatura foi aquecida a barra de ferro? c ferro = 0,46 x 10 3 J/(kg ºC) c água = 4,2 x 10 3 J/(kg ºC) 44

45 Equilíbrio Terra-Atmosfera O clima terrestre é controlado: Radiação solar incidente. Quantidade de energia absorvida. Em equilíbrio térmico quase estável (as alterações das variáveis de estado são suficientemente pequenas) há um balanço entre a energia solar absorvida e a energia de radiação emitida pela superfície da Terra e pela atmosfera, caso contrário, a temperatura média da Terra variava. A temperatura média da Terra permanece ± constante. 45

46 Equilíbrio radiactivo da Terra Equilíbrio radiactivo equilíbrio global da radiação da Terra corresponde, num modelo simples, ao balanço da energia correspondente à radiação que chega à superfície da Terra e à que é emitida por ela. A potência radiante do sol numa superfície perpendicular ao feixe solar na órbita da Terra é aproximadamente: P = 1370 W/m 2 Constante solar 46

47 Equilíbrio radiactivo da Terra Constante solar efectiva do sistema solar Terraatmosfera (é ¼ da constante solar); a unidade de área do sistema Terra-atmosfera absorve, em média este valor. Em equilibrio térmico cada unidade de área do sistema reenvia para o espaço o mesmo valor de potência. Potência por unidade de área reflectida pelo planeta (30% da radiação incidente) Radiação que a superfície terrestre reemite na zona IV do espectro. 47

48 Balanço energético global da Terra 48

49 Balanço energético global da Terra A potência média, por unidade de área, irradiada para o espaço pelo sistema Terra atmosfera, na zona infravermelha do espectro electromagnético, é de. Esta potência permite determinar a temperatura média do sistema. P = σeat 4 Considerando que a Terra se comporta como um corpo negro, isto é e = 1. 49

50 Balanço energético global da Terra T = 255 K Valor calculado Temperatura média de equilíbrio radiativo do sistema Terra-atmosfera T = 288 K Valor real 50

51 Balanço energético global da Terra Interpretação T = 255 K T = 288 K O vapor de água e o dióxido de carbono troposférico (principais gases de estufa) absorvem a radiação infravermelha. Os gases de estufa irradiam a energia absorvida, que volta para a Terra antes de ser novamente reemitida. A radiação permanece mais tempo no sistema Terra é daí que resulta o efeito de estufa, isto é, o diferencial de 33 K correspondente à diferença entre as temperaturas médias à superfície terrestre e do sisrtema Terraatmosfera. É o efeito de estufa que faz com que a superfície terrestre seja 33 K mais quente do que seria previsível. 51

52 Balanço energético global da Terra Interpretação O efeito de estufa é essencial para a vida na Terra. O efeito de estufa tem vindo a aumentar nas últimas décadas provocando uma alteração do clima na Terra. Causas Aumento muito rápido da concentração de dióxido de carbono na atmosfera excessivo consumo de combustíveis fósseis, incêndios florestais e destruição contínua das florestas mundiais. Soluções Redução do consumo de combustíveis fósseis; utilização de fontes de energia renováveis. 52

53 A radiação solar na produção de energia eléctrica colector solar Colectores solares térmicos Os colectores solares térmicos absorvem a radiação solar incidente numa superfície aumentando a sua energia interna. 53

54 A radiação solar na produção de energia eléctrica colector solar Constituição Cobertura de vidro; placa de absorção; caixa isoladora para evitar perdas de calor; serpentina de tubos soldada à placa de absorção. 54

55 A radiação solar na produção de energia eléctrica colector solar Funcionamento A radiação solar incide no vidro da cobertura, depois propaga-se até atingir a placa absorsora e esta aquece. A placa aquecida emite radiação; parte desta não consegue atravessar o vidro e fica retida na caixa do colector, aumentando a temperatura do fluído térmico. O fluído que circula na serpentina é aquecido pela placa de absorção, podendo atingir facilmente os 60ºC. Utilização Aquecer águas sanitárias e piscinas, produção de vapor de água para produção de energia eléctrica. 55

56 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico Painéis fotovoltaicos Transformam directamente a energia solar em energia eléctrica num dispositivo denominado célula fotovoltaica. 56

57 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico 57

58 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico célula módulos painel 58

59 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico Efeito fotovoltaico fenómeno físico pelo qual a radiação solar dá origem a uma diferença de potencial eléctrico. ocorre nos semicondutores de silício Constituição de um semicondutores de silício 59

60 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico Cada semicondutor de Si é constituído por duas partes; uma n e outra p unidas por uma junção p-n. A parte de Si tipo n chama-se emissor. A luz solar penetra no semicondutor atravessando a parte de tipo n; tem uns contactos metálicos em forma de pente ; é revestida por material anti-reflector que máximiza a percentagem de energia solar absorvida. O movimento dos electrões através da junção p-n dá origem a uma diferença de potencial entre os terminais da célula fotovoltaica. Esta comporta-se como um gerador de tensão eléctrica. Quando a luz incide na célula instalada num circuito eléctrico fechado, este é atravessado por corrente eléctrica. 60

61 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico Os fotões (com energia suficiente) incidem na célula, criam electrões de condução que são absorvidos pelo semicondutor de silício. Estes electrões atravessam a junção p-n, ocupando lacunas disponíveis. O campo eléctrico criado origina uma diferença de potencial responsável pelo movimento dos electrões (corrente eléctrica) que percorre o circuito fechado. A corrente eléctrica transporta energia, conseguindo pôr em funcionamento dispositivos eléctricos. Os painéis fotovoltaicos foram inicialmente desenvolvidos para produzir electricidade nos satélites artifíciais. A comercialização da tecnologia fotovoltaica iniciou-se na decada de 70 do séc. XX. 61

62 A radiação solar na produção de energia eléctrica painel fotovoltaico Os painéis fotovoltaico são uma fonte de energia não poluente. A radiação electromagnética é convertida em energia eléctrica. A sua montagem é ainda cara. O máximo rendimento de um painel fotovoltaico conseguese quando este está orientado de forma a receber a máxima radiação incidente: orientado para Sul (para quem vive no hemisfério norte) e inclinado segundo um ângulo aproximadamente igual á latitude do lugar. Estão dependentes da insolação do local onde estão instalados. 62

63 Potência Máxima num painel fotovoltaico A resistência exterior de 16,3889 Ω optimiza o rendimento do painel fotovoltaico, que corresponde a uma potência máxima de 0, W. 63

64 Potência Máxima num painel fotovoltaico Os painéis fotovoltaicos devem funcionar sempre no ponto de potência máxima 64

65 Potência Máxima num painel fotovoltaico Quando a incidência da radiação é perpendicular ao painel fotovoltaico, a potência máxima é maior. Quanto maior a inclinação do feixe de luz em relação ao painel, menor será a potência e menor será a intensidade da corrente eléctrica produzida pelo painel fotovoltaico. Quanto menor a intensidade da luz incidente menor a potência e menor a intensidade da corrente produzida pelo painel fotovoltaico. 65

66 EXERCÍCIO 66

67 EXERCÍCIO 67

68 EXERCÍCIO 68

69 EXERCÍCIO 69

70 EXERCÍCIO 70