Componente de Física Unidade 1 Energia no quotidiano 1. Utilizando a energia solar A Terra recebe permanentemente energia do Sol. Mas a Terra não fica cada vez mais quente, mantém essencialmente o mesmo intervalo de temperaturas (ameaçado pelo fenómeno do aquecimento global!), o que é evidência de que continuamente também está a emitir energia. 1.1 A energia que vem do Sol A energia recebida e emitida é-o sob a forma de radiação. A radiação, luz, tem um espectro muito vasto. Ele abarca toda a radiação que corresponde às chamadas ondas de rádio, até aos raios gama. Todas estas radiações são caracterizadas por um parâmetro chamado frequência, cuja unidade SI é o hertz (Hz). A figura abaixo mostra o espectro electromagnético. Quanto maior for a frequência associada a uma radiação, maior é a energia que ela transporta, i.e., mais energética ela é; existe uma relação de proporcionalidade directa entre elas. A energia transportada pela radiação está quantizada, i.e., só pode assumir determinados valores, valores esses que são múltiplos inteiros de uma quantidade chamada quantum de energia. A radiação é composta por partículas, chamadas fotões, que transportam então pacotes de energia quantizada, ou seja, um conjunto de quanta de energia, que viajam, no 8 vazio, à velocidade de 3,0 10 m / s, a chamada velocidade da luz. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 1 de 10
Os nossos olhos estão preparados para apenas serem sensíveis à radiação situada entre um dado intervalo de frequências, a que chamamos luz visível. Podemos visualizar as cores que constituem o espectro visível quando a luz atravessa o ar, húmido, uma janela de vidro, ou quando incide sobre uma superfície coberta de óleo. Assim, quando a radiação atravessa um meio material, pode acontecer que a velocidade de propagação seja diferente para diferentes frequências, fazendo com que a luz branca seja decomposta nas suas diferentes componentes. Absorção e emissão de radiação A radiação que incide num corpo pode ser absorvida, reflectida ou transmitida tal que, de acordo com a Lei da Conservação da Energia: energia da radiação incidente = energia da radiação absorvida + energia da radiação reflectida + energia da radiação transmitida Estas fracções da energia incidente dependem das propriedades do corpo em que incide a radiação e da frequência da radiação incidente. Assim, dependendo do material de que o corpo é feito, da sua espessura, textura da superfície, e da sua opacidade, o corpo pode ser ou não reflector de radiação, ou transmissor da mesma. Um corpo pode absorver grande quantidade de radiação de uma certa frequência e absorver muito pouco de outras. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 2 de 10
Por exemplo, o vidro normal é transparente à radiação visível (transmissão), praticamente não a absorve, mas é muito absorvente à radiação IV. O ar é opaco aos UV 15 de frequência superior a 3,0 10 Hz, emitidos em grande quantidade pelo Sol, e, obviamente, à radiação de maior frequência que os UV, como os raios X e os raios gama, os quais tornariam impossível a vida na Terra. Todos os corpos emitem radiação, pelo facto de estarem a determinada temperatura, radiação térmica. Quanto mais elevada for a temperatura do corpo mais o espectro da radiação por ele emitida é rico em radiação de frequências mais elevadas. O corpo humano, cuja temperatura média é de 37 º C, tem um espectro de radiação emitida na zona dos UV. O Sol, cuja temperatura à superfície é de 6000 K, emite principalmente radiação UV, visível e IV, tendo o máximo de emissão na zona do visível. Nota: T ( K) = T (º C) + 273 A quantidade de energia emitida por unidade de tempo, por um corpo, potência emitida, depende da temperatura do corpo e da sua superfície. A figura seguinte mostra o diagrama da potência emitida por um emissor perfeito (1) e por um emissor parcialmente reflector (2), em função do comprimento de onda da radiação (λ) *. * λ = c f, em que c é a velocidade da radiação no vazio e f é a frequência da radiação. No SI, a velocidade da luz vem expressa em que 1 s, e o comprimento de onda em m. 1 m s, a frequência em Hz, que é o mesmo Paulo José Santos Carriço Portugal Página 3 de 10
Este emissor perfeito, a que os físicos chamaram corpo negro, pois emite, a qualquer temperatura, a quantidade máxima possível de radiação, em todos os comprimentos de onda e absorve toda a radiação que nele incide, não a reflectindo, nem transmitindo, possui um factor de emissão ou emissividade máximo, pois é o factor que caracteriza a tendência do corpo para emitir, i.e., e = 1. Qualquer superfície pintada de negro constitui uma aproximação de um corpo negro. Para todos os outros corpos, emissores que não são perfeitos, 0 p e p 1. 1.2 Equilíbrio térmico Todos os corpos estão continuamente a emitir radiação e a receber radiação, e consequentemente, energia, dos corpos que os rodeiam. Assim, se um corpo emite mais radiação para as suas vizinhanças do que absorve, a sua temperatura diminui, i.e., arrefece, e se absorver mais radiação do que aquela que emite, aquece, pois a sua temperatura aumenta. Se um corpo estiver a uma temperatura superior à das vizinhanças vai emitir maior quantidade de energia, por unidade de tempo, do que a que recebe das vizinhanças e estas, por sua vez, estão a receber maior quantidade de energia, por unidade de tempo, do que aquela que estão a emitir. Quando as temperaturas, do corpo e das vizinhanças, se igualam, atinge-se o equilíbrio térmico e, a partir deste instante, as trocas de energia entre o corpo e as vizinhanças são iguais, i.e., a potência da radiação absorvida é igual à potência da radiação emitida, tanto para o corpo como para as vizinhanças. Neste caso o equilíbrio térmico é atingido através de um mecanismo de troca de radiação. Todavia, também pode ser atingido através de um mecanismo de troca de energia por contacto directo entre os corpos, i.e., troca de calor, bastando os corpos estarem inicialmente a temperatura diferente. A temperatura de um corpo, medida da energia cinética média das partículas que constituem o corpo, pode ser também encarada como a propriedade que determina se um corpo está ou não em equilíbrio térmico com outro(s). Paulo José Santos Carriço Portugal Página 4 de 10
Assim, dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si. Este é o enunciado da Lei Zero da Termodinâmica, a qual permite compreender porque motivo os corpos que se encontram num certo ambiente, passado algum tempo, acabam por ficar todos à mesma temperatura. É que uns aquecem, outros arrefecem e a temperatura final para todos passa a ser a mesma, através de mecanismos de troca de energia, quer por radiação, quer por calor. Realização da Actividade Laboratorial Absorção e emissão de radiação 1.3 A radiação solar na produção de energia eléctrica Este processo, processo fotovoltaico, baseia-se na utilização de materiais conversores de energia da radiação em energia eléctrica, dado que estes materiais, expostos à radiação, ficam submetidos a uma diferença de potencial eléctrico nos seus extremos. Para dimensionar um painel fotovoltaico é preciso conhecer a potência eléctrica necessária para fazer funcionar, em simultâneo, o conjunto de aparelhos eléctricos requeridos, durante o dia. Conhecidos o rendimento do processo fotovoltaico e a potência solar média por unidade de área, pode calcular-se a potência eléctrica disponível por unidade de área do painel. Realização da Actividade Laboratorial Energia eléctrica fornecida por um painel fotovoltaico Paulo José Santos Carriço Portugal Página 5 de 10
1.4 Mecanismos de transferência de calor A transferência de energia como calor pode efectuar-se através de dois processos: condução e convecção. Ambos os processos têm explicação, ao nível microscópico, baseada na interacção entre as partículas constituintes dos sistemas. Assim, no processo de condução, processo bastante lento, não existe movimento dos materiais de que são feitos os sistemas postos em contacto. Quando um sistema está a uma temperatura mais elevada que a sua vizinhança ocorre transferência de energia, como calor. Da mesma forma, quando dois sistemas, a diferente temperatura, são colocados em contacto térmico, directo ou através de uma fronteira, ocorre transferência de energia das partículas do sistema a maior temperatura para as do sistema a menor temperatura, através de uma interacção partícula a partícula. Este tipo de transmissão de energia é designado por condução. Os metais são bons condutores de calor, porque recebem e/ou cedem energia, como calor, muito rapidamente, pois os electrões livres, partículas também responsáveis pela Paulo José Santos Carriço Portugal Página 6 de 10
condução de corrente eléctrica, por estarem em movimento se encarregam de transmitir a energia sob a forma de calor de zonas mais quentes para zonas mais frias. Sólidos não metálicos transferem energia sob a forma de calor com maior dificuldade, existindo materiais que são maus condutores de calor, como a madeira e a esferovite, os chamados isolantes. A condutividade térmica é a propriedade dos materiais que mede a rapidez com que se dá a transferência de energia sob a forma de calor por condução. A transferência de calor através de um meio material de espessura d, distância entre duas superfícies planas, paralelas, como o caso de uma parede, efectua-se no sentido da zona mais quente, a temperatura T 1, para a zona mais fria, a temperatura T 2, tal que T1 f T2. A quantidade de energia transferida como Q calor por unidade de tempo, t, é directamente proporcional à área das superfícies, inversamente proporcional à espessura e depende dos materiais e da diferença de temperatura entre as superfícies. A condutividade térmica é então definida como a quantidade de calor que atravessa, em cada segundo, a espessura de 1 m entre duas superfícies paralelas de área igual a 2 1m, quando a diferença de temperatura entre essas superfícies é de 1 K. A tabela seguinte apresenta alguns valores para a condutividade térmica de alguns materiais. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 7 de 10
Material Condutividade térmica Condutividade térmica Material (W m -1 K -1 ) (W m -1 K -1 ) Cobre 380 Madeira 0,23 (rija) a 0,12 (mole) Alumínio 230 Cortiça 0,10 (comp.) a 0,043 (exp.) Ferro 72 Lã de vidro 0,041 Granito 3,5 Poliestireno 0,037 Betão 1,7 Vidro acrílico 0,08 Vidro 1,0 Seda 0,06 Água 0,59 Ar seco 0,023 Estuque 0,46 Ar húmido 0,59 Tabela 1 Condutividade térmica de alguns materiais Em líquidos e gases a condução térmica é muito lenta, assumindo nestes materiais a convecção um papel muito importante como processo de transferência de energia sob a forma de calor, existindo transporte de energia através do deslocamento de matéria. Assim, quando um fluido (líquido ou gás) é aquecido, a massa de fluido mais próxima da fonte térmica aquece primeiro que a restante, aumentando de volume, diminuindo a sua densidade, e vai ter um movimento ascendente. A restante massa de fluido, que está a uma temperatura mais baixa, e como tal mais densa, que vai ter um movimento descendente, tende a ocupar a parte inferior. Estas movimentações de fluido são designadas por correntes de convecção. O aquecimento de uma sala por meio de uma salamandra é disto um exemplo. O ar em contacto com a chapa metálica recebe energia sob a forma de calor e dilata-se. Este ar é menos denso e vai ter um movimento ascendente. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 8 de 10
Todavia, à medida que sobe contacta com ar a temperatura inferior, e com as paredes, transferindo energia e aumentando a sua densidade, pelo que acaba por ter um movimento descendente. O mesmo tipo de circulação acontece no interior da água que é aquecida num copo ou numa panela. A água que contacta com o fundo aquecido recebe calor e dilata; como a densidade diminui, as bolsas de água mais aquecida sobem até atingirem a superfície, originando assim correntes de convecção no interior do líquido. As correntes de convecção que se formam na atmosfera, são a maior causa do vento. A brisa marítima e o vento continental têm essa origem. Quando o solo e a água do mar estão expostos à radiação solar, o solo fica a temperatura mais elevada que a água, pois tem menor capacidade térmica mássica, originando-se correntes de convecção ascendente, que provocam a circulação do ar como mostra a figura da esquerda, formando-se uma brisa marítima com ar mais fresco a circular à superfície, do mar para a costa. De noite, o solo arrefece mais rapidamente que a água e esta permanece a temperatura mais elevada, podendo assim originar-se, como mostra a figura da direita, um vento continental, do interior para o mar. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 9 de 10
1.5 Fontes de energia Quando utilizamos um compressor para encher um pneu, realizamos trabalho mecânico, através da compressão do ar, sobre o sistema. A realização de trabalho, nesta situação, leva a um aumento da energia interna do sistema, e consequentemente a um aumento de temperatura, o que é constatado através do aquecimento da válvula do pneu. O gás encerrado numa lata de spray, hermeticamente fechada, por contacto da lata com o ar circundante a temperatura mais elevada, recebe energia sob a forma de calor, o que leva a um aumento da sua energia interna, e consequentemente da sua temperatura. Quando aquecemos água num forno de microondas, as moléculas de água recebem energia sob a forma de radiação, o que leva a um aumento da energia interna da água, dado o efeito térmico desta radiação, e consequentemente a um aumento de temperatura. Em suma, a variação da energia interna de um sistema termodinâmico* é igual à soma das quantidades de energia transferidas das, ou para as, vizinhanças, sob a forma de trabalho (W ), calor (Q) ou radiação (R), tal que E i = U = W + Q + R. ** Este é o enunciado da 1ª Lei da Termodinâmica, a lei que traduz a conservação de energia. *Um sistema termodinâmico é um sistema em que existe variação de energia interna. **Os valores destas fracções de energia são algébricos; positivos para energia absorvida e negativos para energia cedida. Paulo José Santos Carriço Portugal Página 10 de 10