UNIDAD 1 10º ANO RVISÃO NRGIA DO SOL RADIAÇÃO LTROMAGNÉTICA A energia transportada por uma onda, por unidade de tempo, aumenta quando a sua amplitude ou a sua frequência aumentam. Se a radiação eletromagnética divergir de um ponto, a sua energia espalha-se por uma área cada vez maior, como mostra a figura: Neste caso, a sua potência (energia por unidade de tempo) também se espalha por uma área, A, cada vez maior. Quando nos afastamos da fonte luminosa, a luz fica menos intensa. A intensidade da radiação, I, é a potência por unidade de área, A: P I A A unidade SI de intensidade de radiação é watt por metro quadrado (Wm -2 ). Sendo: P t energia (J) Δt intervalo de tempo (s)
xercício Uma lâmpada de incandescência de 100 W emite como radiação visível cerca de 12% da energia consumida. Determine a intensidade da radiação visível a uma distância de 3,0 m da lâmpada. ABSORÇÃO, MISSÃO TRANSMISSÃO D RADIAÇÃO LTROMAGNÉTICA Quando a radiação incide num determinado sistema pode ser refletida, absorvida ou transmitida. incidente refletida absorvida transmitida A figura seguinte ilustra este fenómeno: Os corpos que não são atravessados por uma radiação de certa frequência dizem-se opacos a essa radiação; caso contrário, dizem-se transparentes a essa radiação. As frações de energia refletida, absorvida e transmitida podem ser designadas ρ, e τ, respetivamente: refletida incidente 1 ; absorvida incidente ; transmitida incidente (grandezas adimensionais) A fração da radiação solar incidente que é refletida por um planeta, na atmosfera e na sua superfície, designa-se por albedo do planeta. No caso da Terra, o albedo é cerca de 30%. Os restantes 70% são absorvidos pela atmosfera (19%) e pela superfície do planeta (51%).
A atmosfera terrestre absorve fundamentalmente os raios γ, os raios X, a radiação ultravioleta e alguma radiação infravermelha de maior energia, transmitindo nas regiões do visível e das ondas de rádio. A figura que se segue ilustra as radiações absorvidas pela atmosfera: xercício Na figura representa-se de um modo aproximado, o que sucede à radiação solar quando incide no planeta Terra. O valor médio de energia por unidade de tempo e de área que incide no planeta é 1370 Wm -2. a) m que camada da atmosfera existe maior absorção de energia. b) Identifique três contribuições para o albedo da Terra. c) Qual deverá ser a intensidade da radiação refletida pelas nuvens? d) Determine a energia total absorvida por um terreno retangular de dimensão 20 m 30 m durante uma hora. e) Determine três variáveis que influenciam a potência da radiação solar por unidade de área que incide numa determinada cidade da Terra.
Radiância espectral RADIAÇÃO TÉRMICA A Lei de Stefan-Boltzmann e a Lei do Deslocamento de Wien explicam a radiação espectral, J, de um corpo negro. Segundo a Stefan-Boltzmann a área entre a curva de uma dada temperatura e o eixo das abcissas dá a intensidade da radiação emitida. J Área = I = σ T 4 I Intensidade da radiação emitida σ Constante de Stefan-Boltzmann T Temperatura absoluta 5,67 10 8 W m -2 K -4 A potência da radiação é dada por: P A I P A T 4 P AT Para qualquer corpo, tem-se: P 4 e AT Lei de Stefan Boltzmann 4 e emissividade do corpo
m que e = 1 para um corpo negro. Por outro lado, de acordo com a Lei de Deslocamento de Wien, existe uma relação entre o comprimento de onda, em que ocorre um máximo de radiação emitida (λ máx ) e a temperatura absoluta da curva. J T λ máx λ λ máx T = B Lei de Deslocamento de Wien B constante de Wien B 2,898 10 3 m K xercício Duas estrelas X e Y têm temperaturas superficiais de 6000 K e 3000 K, respetivamente. O máximo da radiação emitida pela estrela X ocorre para λ máx,x = 483 nm e o seu raio é aproximadamente igual ao do Sol (r Sol = 6,96 10 8 m). Recorde que a área de uma superfície esférica de raio r é igual a 4πr 2. a) Relacione as intensidades de radiação emitidas pelas duas estrelas X e Y. b) Qual é a potência da radiação emitida pela estrela X? c) Relacione os comprimentos de onda correspondentes ao máximo de radiação emitida pelas estrelas X e Y. d) Será possível a estrela Y, mais fria, emitir a mesma potência de radiação que a estrela X, mais quente? Justifique.
QUILÍBRIO TÉRMICO LI ZRO DA TRMODINÂMICA A Lei Zero da Termodinâmica diz que dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si. Um corpo em equilíbrio térmico com a sua vizinhança mantém a sua temperatura constante e, em consequência, a taxa de absorção é igual à taxa de emissão de radiação. Se a vizinhança estiver a uma temperatura T e o corpo estiver a uma temperatura T, as intensidades das radiações absorvidas e emitidas serão diferentes quando as temperaturas também forem diferentes: Intensidade da radiação absorvida = I = e T 4 Intensidade da radiação emitida = I = e T 4 BALANÇO NRGÉTICO DA TRRA A intensidade da radiação solar incidente, num disco de raio igual ao da Terra, é cerca de 1370 W m -2 (constante solar). Considerando a área de um disco: A disco = π r 2 Conclui-se que a potência da radiação incidente no planeta é: 2 P IA P incidente 1370 RT A Terra absorve 70% dessa radiação, logo a potência absorvida é: P absorvida 2 2 0,70 1370 RT Pabsorvida 959 RT m média a energia absorvida pela terra é igual à energia que ela emite (P absorvida = P emitida ), uma vez que a temperatura média da Terra é aproximadamente constante. Considerando ainda que a Terra emite como um corpo negro e que a área de emissão é a de uma superfície esférica, obtém-se o seguinte valor médio de temperatura para o nosso planeta: I T 4 P A emitida T 4 959 R 2 4 R T 2 T 5,67 10 8 T 4 T 255 K T -18 o C
Contudo, o valor médio de temperatura da Terra é cerca de 15 o C, devendo-se a principal razão para esta diferença ao efeito de estufa. RADIAÇÃO SOLAR NA PRODUÇÃO D NRGIA LÉTRICA Um painel fotovoltaico é constituído por uma associação de células de silício, um semicondutor, que se designam por células fotovoltaicas. Uma célula fotovoltaica não é mais do que um gerador que converte uma parte da energia solar que recebe em energia elétrica. O rendimento do processo de conversão de radiação solar em energia elétrica é baixo, cerca de 12%. Para dimensionar um painel fotovoltaico, é necessário: Determinar a potência elétrica que se necessita. Conhecer a potência solar média por unidade de área. Conhecer o rendimento do processo fotovoltaico. Para maximizar o rendimento de um painel fotovoltaico este deve estar orientado de forma que a radiação incidente seja máxima (inclinação conveniente). xercício Na figura mostram-se duas curvas caraterísticas de um painel fotovoltaico, que traduzem a relação entre a intensidade da corrente, I, que debita para o circuito e a diferença de potencial, U, nos seus terminais, em duas situações: uma quando sobre ele incide radiação de intensidade 250 W m -2, a outra quando sobre ele incide radiação de intensidade 500 W m -2. a) A partir da análise das curvas representadas na figura, descreva como varia a diferença de potencial nos terminais do painel
fotovoltaico bem como a intensidade da corrente, em função da intensidade da radiação incidente. b) Quando a intensidade da radiação incidente sobre o painel fotovoltaico é de 500 W m -2, determine: (i) (ii) O valor máximo da potência elétrica debitada. A área da superfície do painel, sabendo que o seu rendimento máximo é de 12,5%. MCANISMOS D TRANSFRÊNCIA D CALOR O processo de transferência de energia como calor entre sistemas materiais pode dar-se através de dois tipos de mecanismos: condução e convecção. No processo de condução a energia é transferida por interações, a nível microscópico, das partículas constituintes da matéria, sem que haja qualquer deslocamento destas. Ocorre sobretudo em sólidos. Há condução de calor quando há transferência de energia através de um meio material onde existem diferentes temperaturas. O processo de convecção ocorre unicamente em fluidos (gases ou líquidos) e carateriza-se pelo facto de o calor ser transferido pelo movimento de partes do próprio fluido. m geral, as partes mais quentes sobem e as mais frias descem, pois as mais quentes são menos densas. stes movimentos dos fluidos designam-se por correntes de convecção. CONDUTIVIDAD TÉRMICA DOS MATRIAIS A energia transferida como calor por unidade de tempo depende dos materiais. Há materiais em que o processo de transmissão de energia como calor ocorre lentamente, enquanto noutros é muito rápido. Se ligarmos dois corpos com temperaturas diferentes (T 1 e T 2 ), de acordo com a figura:
xistirá entre os dois uma corrente térmica ou fluxo térmico (φ) com o sentido do mais quente para o mais frio, cujo valor é dado pelo quociente entre o calor (Q) e o intervalo de tempo (Δt): Q t A experiência mostra que esta corrente térmica (φ) é diretamente proporcional à área da superfície, A, e à diferença entre a temperatura maior e a temperatura menor, ΔT, e inversamente proporcional à espessura ou comprimento, : k A T sta expressão traduz a lei de condução de calor ou Lei de Fourrier e onde k é a condutividade térmica, propriedade que carateriza a condução de calor entre materiais, cuja unidade SI é Js -1 m -1 K -1. Com base nos valores de condutividade térmica, os materiais definem-se em: Bons condutores de calor, que se caraterizam por valores de condutividade térmica elevados, como por exemplo os metais. Maus condutores de calor, que se caraterizam por valores de condutividade térmica baixos, como por exemplo a borracha, a madeira, a lã e o ar. xercício Num dia de inverno a temperatura no exterior é de -3 o C e a temperatura no interior de um apartamento é de 24 o C. Uma das janelas do apartamento tem dimensões 1,5m 1,2m com valor de 5,0 mm de
espessura. As condutividades térmicas do vidro e do ar são, respetivamente, 0,8 Js -1 m -1 K -1 e 0,023 Js -1 m -1 K -1. a) Determine a energia transferida por condução térmica através dessa janela durante uma hora. b) Sendo o ar um mau condutor térmico, porque é que a casa arrefece mais depressa com a janela aberta? c) Se fossem instalados vidros duplos, cada um com 2,0 mm de espessura e com uma folga de ar de 1,0 mm de espessura, a taxa de perda de calor seria maior, menor ou igual? Justifique. PRIMIRA LI DA TRMODINÂMICA A Lei da conservação da energia pode ser traduzida, para um sistema termodinâmico, do seguinte modo: a energia interna, U, de um sistema isolado é constante no decurso do tempo (a energia «não se cria nem se destrói»): ΔU = 0 (sistema isolado). Para um sistema não isolado, a Lei de Conservação de nergia implica que se o sistema ganhar uma determinada energia, então a vizinhança irá perder a mesma energia e vice-versa. Neste caso a variação de energia interna do sistema (ΔU) é igual à energia transferida como trabalho (W), calor (Q) e radiação (R): ΔU = W + Q + R TRANSFRÊNCIA D NRGIA COMO CALOR SM MUDANÇA D STADO A quantidade de energia transferida como calor, Q, necessária para que a temperatura de uma substância sofra uma variação de ΔT, é diretamente proporcional à sua massa, m, e é dada pela expressão: Q = m c ΔT Onde c é a capacidade térmica mássica da substância.
TRANSFRÊNCIA D NRGIA COMO CALOR COM MUDANÇA D STADO Por vezes transfere-se energia, como calor, para uma substância e a sua temperatura não aumenta. sta situação verifica-se quando há mudança de estado. A quantidade de energia,, que é necessário fornecer a uma massa, m, de uma substância para que experimente uma mudança de estado, a uma dada pressão e temperatura, é: = m ΔH Onde ΔH é designada por variação de entalpia. A expressão anterior também se pode apresentar na forma: Q = m L Sendo L uma caraterística da substância que se designa por calor latente. Na fusão esta caraterística designa-se por calor latente de fusão e na vaporização designa-se por calor latente de vaporização. xercício Um bloco de gelo de 2,0 kg encontra-se à temperatura de -5,0 o C. Determine, em kcal, a quantidade de energia necessária para que o gelo funda e a temperatura final da água seja 20 o C. Dados: c gelo = 2,1 10 3 J kg -1 K -1 ; L fusão = 3,35 10 5 J kg -1 ; c água = 4,18 J kg -1 K -1. SGUNDA LI DA TRMODINÂMICA RNDIMNTO D UM PROCSSO A Segunda Lei da Termodinâmica traduz a inevitabilidade da degradação de energia: Num sistema isolado a quantidade de energia útil nunca aumenta. Numa máquina térmica, por exemplo as máquinas a vapor, uma parte da energia recebida como calor é utilizada para realização de trabalho. Mas existe sempre energia dissipada nas diferentes peças da máquina e os produtos da combustão transferem também energia como calor para a
atmosfera. Uma máquina térmica repete sempre o mesmo ciclo durante o seu funcionamento. É impossível que num processo cíclico toda a energia fornecida ao sistema como calor seja realizada na realização de trabalho, pois existe sempre energia cedida ao exterior como calor. Qualquer máquina térmica tem rendimento inferior a 100%. A Segunda Lei da Termodinâmica também pode ser expressa usando o conceito de entropia. A entropia é uma medida do grau de desordem de um sistema: maior entropia significa maior desordem. Os sistemas isolados evoluem espontaneamente no sentido da desordem, ou seja, do aumento da entropia. Num sistema isolado em equilíbrio, a entropia permanece constante. Por isso, podemos enunciar a Segunda Lei da Termodinâmica do seguinte modo: Num sistema isolado a entropia nunca diminui. Para um sistema não isolado, a entropia pode diminuir (ou a energia útil aumentar) desde que a entropia da vizinhança aumente de uma quantidade maior ou igual à diminuição que ocorre no sistema. xercício Numa instalação solar de aquecimento de água para consumo doméstico, os coletores solares ocupam uma área total de 6,0 m 2. A temperatura de 200 kg de água contida num depósito, devidamente isolado, aumentou 25 o C, ao fim de 12 h. Sabendo que o rendimento deste sistema é de 14%, determine a potência da radiação solar absorvida, em média, por unidade de área destes coletores.