Energia no aqueciemnto de sistemas

Escola Secundária de Rio Tinto

Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas

SOL E AQUECIMENTO

Departamento de Matemática e Ciências Experimentais

CONDUÇÃO E CONVECÇÃO

Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 2

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
energia ocorre nos FLUÍDOS, ou
seja, LÍQUIDOS e GASES.


Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem
energia aumentam a sua vibração transmitindo-a aos
corpúsculos vizinhos e assim sucessivamente.
Condução
energia ocorre nos SÓLIDOS.


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
energia ocorre nos FLUÍDOS, ou
seja, LÍQUIDOS e GASES.


 Alguns exemplos do quotidiano:


 As correntes de convecção na Atmosfera


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.


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.

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.


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.

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)


A RADIAÇÃO SOLAR E O SEU APROVEITAMENTO
NA TERRA


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
estufa


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.


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;


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;


COLETOR SOLAR

• Caixa com isolamento que evita transferências de energia por calor; dá rigidez ao
coletor e protege-o dos agentes atmosféricos.


COLETOR SOLAR


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.


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.


PAINEL FOTOVOLTAICO


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.


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 radiação

 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?


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.

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.


 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?

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.

 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.


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.


 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.

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.


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.

 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 = Q

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 temperatura


 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.


 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.


 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.


SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA


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%


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