Escola Secundária de Rio TintoEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de SistemasSOL E AQUECIMENTO                           ...
CONDUÇÃO E CONVECÇÃOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas                          2
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO                                                               Os corpúsculos (átomos, moléculas      ...
CONDUÇÃO E CONVECÇÃOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   4
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO                                           Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem    ...
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO                                          Os corpúsculos movem-se originando o deslocamento do        ...
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO         Alguns exemplos do quotidiano:Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   7
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO         As correntes de convecção na AtmosferaEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   8
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAISEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   9
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS         A condução térmica dos          materiais não depende só da          natureza...
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COLETOR SOLAR   • Caixa com isolamento que evita transferências de energia por calor; dá rigidez ao   coletor e protege-o ...
COLETOR SOLAREnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   21
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PAINEL FOTOVOLTAICOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas   24
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas        27
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA         Num sistema isolado, Q=0, W=0, R=0 e, portanto,                                    ...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA         Se o sistema estiver isolado termicamente, não há fluxo de          calor (Q=0) e, ...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA    O volume que o gás ocupa diminui.    Por ação da força exercida sobre a tampa é transferi...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA    EFEITO DE JOULE:    Dentro de um vaso calorimétrico (um recipiente    cujas paredes são i...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA         Se um sistema tiver volume for constante (W=0) e não houver          emissão ou abs...
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA         Se um sistema tiver volume for constante (W=0), for isolado          termicamente (...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA    Toda a luz é absorvida pelas moléculas do gás que ficam com    maior energia cinética, o ...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       EXEMPLO 1:      No primeir...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       EXEMPLO 2:       Suponhamo...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA       EXEMPLO 3:      Suponhamos...
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA         ALGUMAS SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À          CUSTA DE C...
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E                                              VARIAÇÃO DE ENTALPIAEnergia no Aquecimento/Arref...
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E     VARIAÇÃO DE ENTALPIA         Cada material comporta-se de modo diferente quando sujeito ...
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E     VARIAÇÃO DE ENTALPIA         Quando se fornece energia a uma substância, mantendo-se a p...
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E     VARIAÇÃO DE ENTALPIA         Durante o processo de mudança de fase,          como o que ...
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E     VARIAÇÃO DE ENTALPIA         Essa energia por unidade de massa (por quilograma de substâ...
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas        46
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Energia no aqueciemnto de sistemas

  1. 1. Escola Secundária de Rio TintoEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de SistemasSOL E AQUECIMENTO Departamento de Matemática e Ciências Experimentais
  2. 2. CONDUÇÃO E CONVECÇÃOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 2
  3. 3. CONDUÇÃO E CONVECÇÃO Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem energia aumentam a sua vibração transmitindo-a aos corpúsculos vizinhos e assim sucessivamente. Condução Este processo de transferência de energia ocorre nos SÓLIDOS. Transferência de Energia Os corpúsculos movem-se originando o deslocamento do fluído. A corrente de fluído quente sobe e a de fluído frio desce criando assim as conhecidas correntes de convecção. Convecção Este processo de transferência de energia ocorre nos FLUÍDOS, ou seja, LÍQUIDOS e GASES.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 3
  4. 4. CONDUÇÃO E CONVECÇÃOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 4
  5. 5. CONDUÇÃO E CONVECÇÃO Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem energia aumentam a sua vibração transmitindo-a aos corpúsculos vizinhos e assim sucessivamente. Condução Este processo de transferência de energia ocorre nos SÓLIDOS.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 5
  6. 6. CONDUÇÃO E CONVECÇÃO Os corpúsculos movem-se originando o deslocamento do fluído. A corrente de fluído quente sobe e a de fluído frio desce criando assim as conhecidas correntes de convecção. Convecção Este processo de transferência de energia ocorre nos FLUÍDOS, ou seja, LÍQUIDOS e GASES.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 6
  7. 7. CONDUÇÃO E CONVECÇÃO  Alguns exemplos do quotidiano:Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 7
  8. 8. CONDUÇÃO E CONVECÇÃO  As correntes de convecção na AtmosferaEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 8
  9. 9. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAISEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 9
  10. 10. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS  A condução térmica dos materiais não depende só da natureza do material mas também da sua forma.  Materiais diferentes mas com a mesma forma conduzem de modo diferentes, o que significa que têm uma condutividade térmica diferente.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 10
  11. 11. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS Exemplo experimental:• Um barra metálica de comprimento ℓe área da secção transversal A.• As paredes da barra estão isoladas termicamente e as suas extremidades estão a temperaturas.• Estas temperaturas são mantidas constantes apesar de haver transferência de energia de um sistema para outro por Barra metálica de comprimento ℓ e seção A com as duas extremidades a condução térmica através temperaturas diferentes. da barra.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 11
  12. 12. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS A quantidade de energia transferida por unidade de tempo designa-se por Corrente Térmica (Φ). onde: Q é a energia transferida sob a forma de calor; ∆t é o intervalo de tempo que demorou transferência de energia. A unidade SI é J. s-1.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 12
  13. 13. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS A experiência mostra que a corrente térmica: • é diretamente proporcional à diferença de temperatura ∆T entre as extremidades da barra. Quanto maior for a diferença de temperatura, mais rápida será a transmissão de energia por calor; • é diretamente proporcional à área da secção reta da barra, A. Quanto mais grossa for a barra, mais depressa se dará a transmissão de energia por calor; • é inversamente proporcional ao comprimento da barra, ℓ. Quanto mais longa for a barra, mais lenta será a transmissão de energia por calor; • depende de uma constante, k, chamada condutividade térmica, que é uma caraterística do material.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 13
  14. 14. CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS Resumidamente: Escrevemos a Lei de Fourier: onde: • k é a condutividade térmica; (Unidade SI é J s-1 m-1 K-1) • A área da seção transversal da barra; (Unidade SI é m2) • ℓ é o comprimento da barra; (Unidade SI é m) • ∆T é a diferença de temperatura das extremidades da barra. (Unidade SI é K ou oC)Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 14
  15. 15. A RADIAÇÃO SOLAR E O SEU APROVEITAMENTO NA TERRAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 15
  16. 16. A RADIAÇÃO SOLAR E O SEU APROVEITAMENTO NA TERRA Orientação da para Sul Sistemas de aquecimento Isolamento e térmico arrefecimento Cuidados a ter a construção de uma casa Envidraçados Muitas nas zonas janelas para frias para entrar muita criar efeito de luz natural estufaEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 16
  17. 17. COLETOR SOLAR  Os coletores solares aproveitam a radiação solar para aquecer fluidos, que são normalmente água ou ar. Aplicações dos coletores solares: Aquecimento de águas; Aquecimento e arrefecimento do ambiente; Aquecimento de gases ou águas para uso industrial; Aquecimento de dessalinizadores.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 17
  18. 18. COLETOR SOLAR Um coletor solar plano tem três componentes: • Cobertura transparente à radiação, o que provoca efeito de estufa (deixa entrar a radiação, deixando depois apenas sair a radiação com pequenos comprimentos de onda e retendo a radiação com comprimentos de onda maiores); normalmente é de vidro ou acrílico e tem tratamento anti-reflexo na parte exterior para minimizar a reflexão da radiação;Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 18
  19. 19. COLETOR SOLAR • Placa coletora, que absorve a radiação; normalmente é de metal e de cor negra (emissividade superior a 0,9). A esta placa estão soldados tubos condutores em serpentina, que aquecem por condução, e por onde circula o fluido que se pretende aquecer, gerando correntes de convecção;Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 19
  20. 20. COLETOR SOLAR • Caixa com isolamento que evita transferências de energia por calor; dá rigidez ao coletor e protege-o dos agentes atmosféricos.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 20
  21. 21. COLETOR SOLAREnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 21
  22. 22. PAINEL FOTOVOLTAICO Painel fotovoltaico São formados por células fotovoltaicas; Transformam a energia solar em energia elétrica. São utilizados em habitações, industrias, satélites. Devem estar colocados de modo que a incidência solar seja máxima. Podem ser colados móveis para acompanharem o movimento do sol do longo do dia. Devem estar orientados para o Sul geográfico e à nossa latitude com um inclinação de 45º com a horizontal.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 22
  23. 23. PAINEL FOTOVOLTAICO Células fotovoltaicas São constituídas por material semicondutor, normalmente Silício. Cada célula tem duas camadas de material distinto (tipo P e tipo N). São sensíveis a radiação com comprimento de onda entre 300 e 600nm. Produz uma tensão de 0,5V e uma intensidade de 3 A, ou seja, uma A radiação ao incidir sobre a célula, faz potência de 1,5W. com que a energia da radiação seja transferida para os eletrões de modo Para se obter maiores tensões formar uma corrente elétrica contínua. ligam-se em série; para maiores Tal corrente mantém-se enquanto houver intensidades ligam-se em paralelo. luz a incidir na célula.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 23
  24. 24. PAINEL FOTOVOLTAICOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 24
  25. 25. PAINEL FOTOVOLTAICOEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 25
  26. 26. PAINEL FOTOVOLTAICO Rede elétrica numa casa alimentada por um painel fotovoltaico: Para além do painel, são necessários dois componentes elétricos: • Uma bateria que armazena energia durante o dia para suprir as necessidades durante a noite e nos dias em que não há sol; normalmente tem associado um controlador que protege de descargas; • Um inversor de corrente, que converte a corrente contínua produzida pelas células em corrente alternada que é a usada na maioria dos eletrodomésticos.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 26
  27. 27. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 27
  28. 28. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  Num sistema isolado, Q=0, W=0, R=0 e, portanto, ∆Ei = 0  A energia interna de um sistema pode variar tanto pela realização de trabalho como pela ocorrência de fluxo de calor, como ainda por efeito da radiação: ∆Ei = W + Q + R onde: ∆Ei é a variação da energia interna W é o trabalho realizado Q é o calor transferido R é a radiaçãoEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 28
  29. 29. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  Se o sistema estiver isolado termicamente, não há fluxo de calor (Q=0) e, não havendo emissão ou absorção de radiação (R=0), toda a variação de energia interna é devida ao trabalho: ∆Ei = W  Exemplo: Suponhamos que um gás contido num recipiente cilíndrico está isolado termicamente e que a tampa do recipiente se pode deslocar para cima e para baixo. O que acontece quando pressionamos o êmbolo?Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 29
  30. 30. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA O volume que o gás ocupa diminui. Por ação da força exercida sobre a tampa é transferida energia para o sistema através de trabalho, W.  Se o volume do sistema diminuir, a energia interna do sistema aumentará.  Se o volume do sistema aumentar, a energia interna do sistema diminuirá.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 30
  31. 31. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA EFEITO DE JOULE: Dentro de um vaso calorimétrico (um recipiente cujas paredes são isoladoras térmicas), contendo água, monta-se um conjunto de pás que podem girar juntamente com um eixo ao qual estão ligadas. O conjunto gira dentro do recipiente quando um corpo cai preso a um fio. À medida que o corpo cai, a água exerce forças sobre as pás que rodam. Enquanto as pás rodam, estas forças realizam trabalho. A água vai aquecendo dentro do vaso calorimétrico conforme se pode ver no termómetro. O aumento de energia interna é igual ao trabalho.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 31
  32. 32. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  Se um sistema tiver volume for constante (W=0) e não houver emissão ou absorção de radiação (R=0), toda a variação de energia interna é devida à energia transferida sob a forma de calor: ∆Ei = Q  Exemplo: Suponhamos que um gás contido num recipiente cilíndrico está isolado termicamente e que a tampa do recipiente se pode deslocar para cima e para baixo. O que acontece quando pressionamos o êmbolo?Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 32
  33. 33. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA A base do recipiente contendo o gás é condutora térmica. A tampa do recipiente está fixa e, portanto, a variação de energia interna do gás é exclusivamente devida ao calor.  Se a fonte estivesse mais fria do que o sistema, o calor fluiria deste para a fonte e a energia interna do sistema diminuiria.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 33
  34. 34. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  Se um sistema tiver volume for constante (W=0), for isolado termicamente (Q=0), e se incidir for sujeito a uma radiação, toda a variação de energia interna é devida a essa radiação: ∆Ei = R  Exemplo: Supomos que a tampa do cilindro está fixa e que o recipiente é feito de um material isolador térmico. A parede lateral é transparente. Faz-se incidir luz, proveniente de uma fonte laser, no sistema.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 34
  35. 35. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Toda a luz é absorvida pelas moléculas do gás que ficam com maior energia cinética, o que se traduz por um aumento da energia interna do sistema. Não houve realização de trabalho nem ocorreram fluxos de calor, pelo que o aumento da energia interna se ficou a dever totalmente à radiação absorvida.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 35
  36. 36. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA EXEMPLO 1: No primeiro caso flui para o sistema uma certa quantidade de calor, por exemplo, 1500 J. Este calor é positivo: Q = 1500 J. Enquanto ocorre este processo, a Como houve aumento de volume logo o tampa do recipiente (êmbolo) vai trabalho é negativo, W= 500 J , subindo e, portanto, o sistema realiza trabalho. Eint = W + Q + R = 500 + 1500 + 0 = 1000 J. Suponhamos que este trabalho é No final do processo, o sistema tem mais 500 J. 1000 J de energia interna do que no início.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 36
  37. 37. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA EXEMPLO 2: Suponhamos agora que o sistema tem a tampa fixa. Não pode, por isso, haver expansões ou contrações e o trabalho é nulo: W = O. Por outro lado, o sistema cede A variação da energia interna é: ao exterior 300 J, pois é posto em contacto com um sistema a uma ∆Ei = 0 300 + 0 = 300 J temperatura mais baixa. ou seja, a energia interna diminui 300 J. Agora Q = 300 J.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 37
  38. 38. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA EXEMPLO 3: Suponhamos que o sistema está termicamente isolado, ou seja Q = 0, mas pode haver variações de volume. O gás é comprimido e o trabalho realizado é de 500 J, por exemplo. Trata-se de trabalho positivo: W = + 500 J, porque o volume do sistema diminuiu. Então: ∆Ei = 500 + 0 + 0 = 500 J e a energia interna aumenta, como resultado do processo de compressão.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 38
  39. 39. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA  ALGUMAS SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À CUSTA DE CALOR E TRABALHO Não há trocas de calor (Q=0) Adiabática ∆Ei=W Compressão: Pressão W >0 constante: Transformações W = - p ∆V Isobárica Expansão: W<0 ∆Ei = W + Q Volume constante: W=0 Isocórica ∆Ei = QEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 39
  40. 40. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 40
  41. 41. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA  Cada material comporta-se de modo diferente quando sujeito a aquecimento devido à sua capacidade térmica mássica.  A energia transferida sob a forma de calor pode ser traduzida por: Q = m.c.∆T ou Q = C.∆T onde: c: é a capacidade térmica mássica C: é a capacidade térmica m: é a massa ∆T: variação de temperaturaEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 41
  42. 42. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA  Quando se fornece energia a uma substância, mantendo-se a pressão constante, nem sempre há aumento de temperatura. É o caso, por exemplo, de uma mudança de estado.  Suponhamos um bloco de gelo, inicialmente à temperatura de 5 oC, que é aquecido. À medida que se fornece energia ao gelo a sua temperatura sobe, aumentando a agitação corpuscular, até que se atinge a temperatura de 0 oC, à qual se dá a fusão (passagem de sólido a líquido).  Mas este processo de fusão não é instantâneo! É necessário continuar a fornecer energia durante algum tempo para que toda a água passe da fase sólida para a fase líquida.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 42
  43. 43. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA  Durante o processo de mudança de fase, como o que se a temperatura não aumenta: a energia fornecida serve apenas para quebrar as ligações entre as moléculas de água e não para aumentar a agitação corpuscular dessas moléculas.  O sistema só volta a aumentar a sua temperatura depois de todas as ligações entre moléculas estarem quebradas. Tem, portanto, de ser fornecida uma certa energia a um sistema para que ele passe da fase sólida à fase líquida.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 43
  44. 44. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIA  Essa energia por unidade de massa (por quilograma de substância) é designada por variação de entalpia e representa-se por ∆H.  Assim, a energia que é necessária para que uma certa massa m de gelo a 0 oC passe a água líquida, ainda a 0oC, é: E = m ∆H  onde ∆Hfusão = 3,34 × 105 J/kg é a variação de entalpia de fusão da água. Para que um quilograma de gelo a 0oC passe a água líquida à mesma temperatura, são necessários 334 kJ.Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 44
  45. 45. CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E VARIAÇÃO DE ENTALPIAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 45
  46. 46. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICAEnergia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 46
  47. 47. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Um corpo quente em contacto com um frio não pode aquecer.  A entropia de um sistema isolado não pode diminuir.  A entropia do Universo nunca diminui. Diminuição Rendimento Aumento de da energia inferior a entropia útil 100%Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 47

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