1) O documento discute a transferência de energia solar da radiação para a Terra e a atmosfera, incluindo os mecanismos de absorção, reflexão e emissão de radiação. 2) Aborda os conceitos de temperatura, capacidade térmica, condução e convecção como mecanismos de transferência de calor. 3) Explica as leis da termodinâmica, incluindo a conservação de energia, degradação da energia e entropia.

1. ENERGIA – do
SOL para a
TERRA

2. A energia solar chega à Terra sob a forma de radiação
electromagnética, a qual se propaga no vazio com a velocidade de
3,00x108m/s.
A luz visível é uma pequena parte do espectro electromagnético,
que inclui desde ondas de rádio até raios gama.
A radiação electromagnética comporta-se como uma onda
electromagnética; é caracterizada pelo comprimento de onda (λ) e pela
frequência (f).
Todos os corpos irradiam energia.
A potência que um corpo irradia está relacionado com a sua
temperatura: P=eσAT4

3. O comprimento de onda da radiação mais abundante no espectro de
emissão de um corpo está também relacionado com a sua temperatura:
λpico=0,00290/T
Os corpos que melhor emitem são os que melhor absorvem.

4. A radiação solar que atinge a Terra é reflectida, difundida e
absorvida pela atmosfera. Parte desta energia atinge o solo.

5. A atmosfera terrestre difunde melhor a radiação visível com menor
comprimento de onda (a azul).
A absorção da radiação solar pela atmosfera depende das
substâncias que a constituem. O metano e o dióxido de carbono
absorvem a radiação.

6. A camada de ozono existente na estratosfera protege os seres
vivos.
O ozono que se encontra junto ao solo está associada a uma
poluição atmosférica intensa.
Um corpo está em equilíbrio térmico radiativo se absorve tanta
radiação como aquela que emite.

7. O efeito de estufa é responsável pelo facto de a temperatura à superfície
da Terra ser bastante superior à temperatura calculada, considerando o
equilíbrio térmico radiativo.

8. A presença de CO2, de CH4 e de H2O na atmosfera dos planetas provoca
aumento de temperatura, por efeito de estufa. O aumento da concentração
destas substâncias na atmosfera tem consequências no aquecimento global do
nosso planeta.
Os painéis solares permitem produzir energia eléctrica, a partir da
radiação solar que neles incide. Se cobríssemos todos os telhados
portugueses com painéis solares seria possível produzir a energia
eléctrica de que o país necessita.

9. Energia Solar
transfere-se por
pode ser aproveitada
por
Radiação Solar
para
Colectores Painéis
Terra + atmosfera Solares fotovoltaícos
a qual constituí na qual ocorre a
Sistema
Termodinâmico Absorção de Emissão de
radiação radiação
em responsáveis pela
Equilíbrio térmico
com a sua Balanço
Temperatura calculada
vizinhança energético
média da Terra por

10. Variação de temperatura porque há
Sistema termodinâmico
é
Receptor de energia é TERRA é Fonte de energia
está em
Equilíbrio Térmico
Temperatura média Lei Zero da
E fornecida = E emitida
constante Termodinâmica

11. TERRA é Receptor de energia
porque
Recebe energia do Sol
que é
Reflectida Absorvida
Dispersada
Aquecimento da
Terra Luminosidade
por
Camada alta da atmosfera
Visualização da
Radiação do albedo
Terra
Solo

12. TERRA é Fonte de energia
porque
Emite Energia
associada a
Potência total irradiada
relacionada com
determinada pela
Espectro
Electromagnético
Lei de Stefan-Boltzman
Deslocamento de Wien
λxT=constante P=eσAT4

13. ENERGIA – no
aquecimento e
arrefecimento de
sistemas

14. Mecanismos de transferência de Energia
O calor transfere-se entre sistemas que se encontram a temperaturas
diferentes.
Os mecanismos de transferência de energia como calor são a
condução e a convecção.
A condução
Ocorre sem transporte de matéria
Verifica-se nos corpos sólidos
É devido à colisão de electrões livres com iões
(positivos), originando um aumento da energia cinética interna
que é transmitida aos corpúsculos vizinhos.

15. A convecção
Ocorre com transporte de matéria
Verifica-se nos fluídos (corpos líquidos e gasosos)
É devido ao aumento da energia cinética interna, o que origina uma
expansão e diminuição da densidade.
O fluído menos denso (quente) sobre, obrigando o mais denso (frio) a
descer.

16. Temperatura
Escala Celsius (ºC)
Escala termodinâmica ou escala absoluta
No SI a temperatura mede-se em Kelvin (K)
θ=T-273,15
Δθ=ΔT

17. Capacidade térmica mássica
Q = c x m x Δθ
A variação de temperatura, experimentada pelo corpo, depende da
natureza e da massa da substância que o constitui e da quantidade de
calor, que lhe é fornecida.
c = Q/(mx Δθ)
A capacidade térmica mássica de uma substância é numericamente igual à
quantidade de energia que é necessário transferir para a massa de 1kg dessa
substância, para que esta experimente a variação de temperatura de 1k (ou de 1ºC).
A unidade no SI é J/(Kg.K)

18. Materiais condutores e isolantes de calor
Nem todos os materiais têm a mesma facilidade de transmitir a energia
como calor, por unidade de tempo. Por essa razão, os materiais classificam-
se em:
BONS CONDUTORES
Condutividade térmica elevada
Elevada taxa temporal de transmissão da energia como calor
MAUS CONDUTORES
Baixa condutividade térmica
Baixa taxa temporal de transmissão de energia como calor

19. Taxa temporal de calor
Ou quantidade de calor por unidade de tempo
Taxa temporal de calor = Q
Δt

20. Condutividade térmica
Os metais conduzem bem o calor. Os gases, a lã, o poliestireno
expandido e o material constituído por fibras de vidro são maus condutores.
Estes últimos exemplos contêm micro bolsas de ar na sua estrutura. A pedra
o betão são condutores intermédios. As pegas de plástico ou de
madeira, nas frigideiras e nas panelas, destinam-se a impedir que o calor
seja conduzido da peça metálica para a nossa mão.
Sob o ponto de vista térmico, os materiais são caracterizados pela
chamada condutividade térmica (K)
Verifica-se que a energia transferida, como calor, por unidade de
tempo, através de uma parede, é directamente proporcional à
área, A, inversamente proporcional à espessura da parede, L, e
directamente proporcional à diferença de temperatura, Δθ, existente entre o

21. Condutividade térmica
Q 
 KA
t L
Q – Energia transferida como calor - J
Δt – intervalo de tempo - s
θ2 θ1
K – condutividade térmica - W/(m.K)
L
A – área – m2
L – espessura – m
Δθ – variação de temperatura – K Δθ=θf-θi

22. Condutividade térmica
Q
 UA
t
U – Coeficiente de condutividade térmica – W/(m2.K)
K
U
L
Se quisermos que a energia não seja conduzida através das
paredes, como por exemplo, nas habitações e nos frigoríficos, temos de
utilizar materiais com baixa condutividade térmica. O poliuterano e o
poliestireno são utilizados com essa finalidade.

23. 1º Lei da Termodinâmica
Através da lei da Conservação de Energia, sabe-se que sempre que
ocorre uma transformação e/ou transferência de energia esta conserva-se,
visto que um sistema cede energia e o outro recebe.
Os sistemas transferem energia entre si, através do calor (Q), trabalho
realizado (W) e emissão ou absorção de radiação (R), podendo só originar a
variação de energia interna.
Para que se continue a verificar a Lei da conservação da Energia:
ΔU=Q+W+R
Esta expressão traduz a 1ª Lei da termodinâmica.

24. 1º Lei da Termodinâmica
A energia transferida entre um sistema não isolado e a
vizinhança, como calor, trabalho ou radiação, é igual à variação de
energia interna do sistema.
Por convenção, considera-se que:
Toda a energia fornecida ao sistema é positiva (Q>0,W>0 e R>0)
Toda a energia cedida pelo sistema à vizinhança é negativa
(Q<0,W<0 e R<0)

25. 1º Lei da Termodinâmica
Transferências de energia que podem apenas traduzir variações
de energia interna dos sistemas.
Calor: se estiver a aquecer um gás num recipiente fechado Q=U
Trabalho: gás a ser comprimido com um êmbolo w=U

26. 1º Lei da Termodinâmica
A variação de energia interna pode ocorrer em situações específicas, onde
não se verifica transferência de energia como radiação, nomeadamente:
Transformação Variável de Verifica-se Variação de
estado constante energia interna
•Transformações em ΔU=W
Calor recipientes Q=0
Adiabática (compressão termodinamicamente R=0
rápida do ar isolados
numa bomba de •Compressão e
bicicleta) expansão de gases
•Compressão e ΔT=0 => ΔU=0
Isotérmica Temperatura expansão lenta de Q= -W
gases R=0

27. 1º Lei da Termodinâmica
Transformação Variável de Verifica-se Variação de
estado constante energia interna
•Aquecimento ou W= P x ΔV
arrefecimento de um ΔU= P x ΔV + Q
Isobárica Pressão líquido em sistema R=0
aberto
•Aquecimento ou ΔV=0 => W=0
Isocórica Volume arrefecimento de um ΔU=Q
líquido em sistema R=0
fechado e com
fronteira rígida
Quando há transferência de energia como radiação, esta pode ocorrer
conjuntamente, ou individualmente, quando o trabalho e o calor forem nulos.
W=0 e Q=0 => ΔU=R

28. 2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Os fenómenos naturais ocorrem espontaneamente num determinado
sentido. Embora a 1ª lei não proíba que o calor possa ser transferido,
espontaneamente de um corpo que está a temperatura mais baixa, para
outro que está a temperatura mais elevada, a verdade é que isso não
ocorre. Também não é possível embora a 1ª lei não o proíba, que um
sistema, cujas partículas estão desordenadas, evolua espontaneamente
para um estado em que elas fiquem ordenadas. A 2ª lei permite clarificar o
sentido em que os processos espontâneos evoluem.

29. 2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Devido à degradação da energia não é possível que um processo
espontâneo seja reversível sem a realização de trabalho da vizinhança
sobre o sistema, o que se traduz pela 2ª lei.
Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se
sempre no sentido da diminuição da energia útil.
Processo espontâneo: ocorre sem que a vizinhança actue sobre o
sistema, realizando trabalho, transferindo calor ou radiação.
Processo reversível: ocorre de modo a que o sistema possa retomar o
estado anterior ao processo, sem alterar a energia do sistema e da
vizinhança.

30. 2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Postulada de Kelvin
Nenhum sistema termodinâmico que funcione de modo cíclico, pode
transferir calor de uma única fonte, transferindo-o integralmente em
trabalho.
Há sempre degradação de energia!

31. 2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Postulada de Clausius
É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a
temperatura mais baixa para outro a temperatura mais alta.
Só ocorre se for PROCESSO
realizado trabalho ESPONTANEO
Ex: frigorífico
Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza dão-se
sempre no sentido da diminuição da energia útil.

32. 2º Lei da Termodinâmica – Degradação da Energia
Entropia
Uma nova variável de estado termodinâmica. Mede a desordem de um
sistema.
Rendimento de uma máquina térmica é igual ao quociente entre o
trabalho realizado pela máquina e a energia que a máquina recebe como
calor, através da fonte quente.
W|
 x100 %
Qq