Das Fontes de Energia ao Utilizador                                         O que é a energia?     É de difícil definição....
Primeira Lei da Termodinâmica ou Lei da Conservação da Energia:Num sistema isolado a energia total mantém-se constante.Est...
As transferências de energia podem ocorrer sob a forma de calor, trabalho ou radiação.Transferência como:a)Calor (Q): Ocor...
Os conceitos de energia útil e de rendimento também se aplicam à potência.Num circuito eléctrico a potência dissipada por ...
A ENERGIA transportada por uma onda depende da AMPLITUDE e FREQUÊNCIA da mesma.Ondas com a mesma amplitude – tem maior ene...
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Radiação emitida pelos corposTodos os corpos emitem radiação como consequência da agitação térmica das partículas que osco...
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ENERGIA RECEBIDA PELA TERRAApenas 70% da energia do Sol que atinge a Terra é absorvida o que corresponde a1,23x10^17W. A á...
Condutividade térmica:Corrente térmica corresponde à energia transferida, sob a forma de calor, por unidade detempo:
Lei de Fourrier:                 Aproveitamento da energia do sol através de:                               •Fornos solare...
Capacidade térmica mássica (c) Depende dos materiais e define a quantidade de energia que é necessário adicionar para queo...
Fórmulas:                                            Em = Ec + Ep          Epg = m.g.h P(W)=E(J)/∆t(s)  λ (comprimento de ...
Como se pode aplicar a Lei da Conservação da energia?• Através da noção de sistema, fronteira, vizinhança, transferência e...
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  1. 1. Das Fontes de Energia ao Utilizador O que é a energia? É de difícil definição. Não tem massa ou caracteres, só podendo ser medida quando se transforma ou ao ser libertada ou absorvida. Pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho. A principal fonte de energia é o Sol. Fontes de energia primárias: 1.Renováveis – Os recursos que constituem estas fontes de energia não se esgotarão, pelo menos num longo prazo (energia eólica, geotérmica, solar, ondas, marés, biomassa). 2.Não renováveis – Os recursos que proporcionam estas fontes energéticas são passíveis de esgotamento no curto/médio prazo (carvão, petróleo, combustíveis nucleares(urânio e plutónio), gás natural).As energias não renováveis têm ainda como aspecto negativo, a produção de resíduos poluentes que contribui, entre outros, para o aumento do efeito de estufa e para a prevalência na atmosfera de substâncias nocivas. Degradação de energia e rendimento:Em processos de transferência de energia nem toda a energia disponível à partida é aproveitada no processo. À razão entre a energia aproveitada efectivamente e a que é fornecida à partida chama-se rendimento (Fig. 1). O rendimento será sempre inferior a 100%. Unidade S.I. Energia -> Joule-J Unidade S.I. Rendimento-> Percentagem-%
  2. 2. Primeira Lei da Termodinâmica ou Lei da Conservação da Energia:Num sistema isolado a energia total mantém-se constante.Esta lei da termodinâmica está relacionada com as transferências de energia e com os balançosenergéticos associados (saídas de energia de um sistema = energia fornecida a outro sistema).Energia Cinética (Ec) - associada ao movimento dos corpos - qualquer corpo com velocidadediferente de 0 tem energia cinética. É igual à metade do produto da massa do corpo(m) peloquadrado da sua velocidade(v)Energia Potencial (Ep)- associada à posição e à potencialidade de um corpo para mudar o seuestado de repouso. É sempre consequência de interacções entre sistemas ou corpos de ummesmo sistema. Pode ser de vários tipos:-gravítica, deve-se à interação gravítica entre dois corpos(ex. nós e a Terra), Epg = m.g.h;-elástica, deve-se à interação elástica entre dois corpos(ex. fisga e pedra).Energia mecânica é igual à soma da energia cinética com a energia de potencial, Em = Ec + Ep.Diferença entre transferência de energia e transformação de energia:• Transferência de energia ocorre entre dois sistemas;• Transformação de energia ocorre dentro de um mesmo sistema.A termodinâmica trata um sistema de partículas como se de apenas uma partícula se tratasse.A energia interna (Eint) de um sistema está associada a:a)Energia cinética de todas as partículas que constituem o sistema;b)Energia potencial da partículas associada às interações entre as partículas.A energia interna depende de diversos fatores (nº de partículas, agitação das partículas).A temperatura de um sistema relaciona-se com a sua energia interna, ET = Eint + Emec ou ET = Eint+ Ep + Ec
  3. 3. As transferências de energia podem ocorrer sob a forma de calor, trabalho ou radiação.Transferência como:a)Calor (Q): Ocorre quando dois sistemas a diferentes temperaturas são colocados em contacto.Termina quando ambos os sistemas estão à mesma temperatura. Ocorre do sistema com maiortemperatura para o com menor. A quantidade de energia trasferida pode ser quantificada pelamassa do sistema (m) que cede ou recebe energia, a sua capacidade térmica mássica (c) e avariação de temperatura que ocorreu (∆t):Q=mc∆t Unidade S.I.-Jb)Trabalho (W): A energia é transferida por meio de forças exercidas pela vizinhança sobre osistema. No caso da força (F) ter a mesma linha de ação do deslocamento (d) o corpo, o trabalhopode-se calcular:W=F.d Unidade S.I.-Jc)Radiação (R): É energia é transmitida sob a forma de luz; esta não necessita de um meiomaterial para se propagar.Ondas magnéticas são caracterizadas por uma frequência (f), que não varia de meio para meio,viajando a radiação a uma certa velocidade, determinada por:c= velocidade da radiação num determinado meio.f=frequência da radiação (nº de vezes que a onda se repete por segundo)Energia Radiação: E=h.fh=Constante de Planck (6,626x10^-34J.s)Variação da energia interna de um sistema: ∆U= Q+W+RPotência:Energia transferida por unidade de tempo, J/s=w:P=E/∆t↔E=P.∆t
  4. 4. Os conceitos de energia útil e de rendimento também se aplicam à potência.Num circuito eléctrico a potência dissipada por efeito de Joule (calor) é dada por: P=U.IComo, pela lei de Ohm: R=U/I
U=I.RI=U/RVemP=RI^2Do Sol ao aquecimentoA velocidade de propagação de ondas de radiação electromagnética é de 300 000 km.s^-1.Radiação = ondas electromagnéticas; não necessitam de um meio físico para a sua propagação.As ondas electromagnéticas caracterizam-se por:1. Amplitude (espaço)2. Comprimento de onda (espaço)3. Período/frequência (tempo).Frequência:f=1/T (T = período -> tempo decorrido entre dois pontos equivalentes sucessivos deuma onda)Velocidade:V=λ/T (λ = comprimento de onda -> distância entre dois pontos equivalentes esucessivos d uma mesma onda)Velocidade da luz no vazio/relação entre frequência e comprimento de onda:c= λ.f
  5. 5. A ENERGIA transportada por uma onda depende da AMPLITUDE e FREQUÊNCIA da mesma.Ondas com a mesma amplitude – tem maior energia a que tiver maior frequência (ou menorcomprimento de onda).Ondas com a mesma frequência (ou comprimento de onda) – Tem maior energia a que tiveruma maior amplitude.Radiação visível tem um λ entre 400 e 700 nm (1 nm = 10^-9 m)
  6. 6. A radiação que atinge o nosso planeta pode ser:1. Reflectida;2. Absorvida pelas partículas/corpúsculos existentes na atmosfera;3. Transmitida (penetram a atmosfera até à superfície do planeta).Constante solar: Quantidade de radiação, em todos os comprimentos de onda, que incideperpendicularmente no topo da atmosfera terrestre = 1370 J/s.m^2 = 1370 W/m^2Cerca de 30% da radiação é reflectida – albedo do planeta.
  7. 7. Radiação emitida pelos corposTodos os corpos emitem radiação como consequência da agitação térmica das partículas que osconstituem. O resultado é um espectro contínuo denominado espectro de radiação térmica.Esta emissão e radiação pode ser representada num gráfico Intensidade da radiação emitida emfunção do comprimento de onda.Um corpo negro é um corpo ideal no que se refere à emissão/absorção de radiação: É umemissor e um absorsor perfeito de radiação.Lei de Stefan-Boltzamann:A intensidade da radiação emitida por um corpo varia com a quarta potência da suatemperatura absoluta:σ = 5,67x10^-8 W/m^2K4
  8. 8. As estrelas são uma boa aproximação do comportamento de um corpo negro. No entanto aocorpos não se comportam na sua maioria como tal, pelo que é necessário a introdução de umfactor de correcção, a emissividade, e.e = 0 para um reflector perfeito (não absorve qualquer radiação)e = 0 para um absorsor perfeito (absorve toda a radiação).Lei do deslocamento de Wien: O comprimento de onda corresponde ao máximo da intensidadeda radiação emitida varia inversamente com a temperatura absoluta: λmax=B/TB – Constante de dispersão de Wien (2,898x10^-3 m.K)T – Temperatura absolutaA cor da radiação emitida por um corpo é o resultado da “mistura” das radiações emitidaspróximo do máximo de intensidade de emissão do espectro respectivo.
  9. 9. Equilíbrio térmico:Dois corpos encontram-se em equilíbrio térmico quando a sua temperatura é igual. Quando doiscorpos a diferentes temperaturas são colocados em contacto ocorre transferência de energiasob a forma de calor do corpo mais quente para o corpo mais frio 8pelo menos em termos doresultado “líquido”, pois a transferência contrária também ocorre só que a uma velocidademenor).Lei zero da termodinâmica – Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro ficarãoigualmente em equilíbrio térmico um com o outro quando colocados em contacto.Absorção e emissão de radiação em situação de equilíbrio térmico – Balanço energético daTerra:Quando o sistema e a sua vizinhança estão em equilíbrio térmico (T = T’) a intensidade daradiação emitida é igual à intensidade da radiação absorvida. I’ = Intensidade da radiação absorvida pelo corpo. T’ = Temperatura da vizinhança.
  10. 10. ENERGIA RECEBIDA PELA TERRAApenas 70% da energia do Sol que atinge a Terra é absorvida o que corresponde a1,23x10^17W. A área da Terra é de 5,12x10^14m2.I’ = 1,23x10^17/5,12x10^14 = 240 W/m^2Esta energia absorvida é igual à energia emitida: 240 = 5,67x10^-8. T4 ; T = -18ºC.Esta deveria ser a temperatura da Terra se não se verificasse o efeito de estufa atmosférico.Aquecimento/Arrefecimento de sistemasO calor pode ser transferido por:•Condução: Transmissão do calor ao longo do corpo por meio da vibração, mas não dadeslocação, dos corpúsculos constituintes (aplica-se essencialmente a sólidos).•Convecção: Aplica-se a fluidos. O movimentos dos corpúsculos do fluido leva à transferência docalor.As correntes de convecção surgem na sequência da diminuição da densidade do fluido aquecidoque sobe, ao mesmo tempo que o fluido de zonas mais frias desce.Efeitos das correntes de convecção na atmosfera terrestres: Circulação dos gases entre ascamadas inferiores e superiores da atmosfera, o que ajuda à dispersão de poluentes, brisamarítima (dia) e brisa terrestre (noite).
  11. 11. Condutividade térmica:Corrente térmica corresponde à energia transferida, sob a forma de calor, por unidade detempo:
  12. 12. Lei de Fourrier: Aproveitamento da energia do sol através de: •Fornos solares; •Placas colectoras para aquecimento; •Placas fotovoltaicas. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA A energia interna num sistema isolado conserva-se: ∆E = W + Q + R W – energia sob a forma de TRABALHO Q – energia sob a forma de CALOR R – Energia sob a forma de RADIAÇÃO Entrada de energia no sistema – sinal positivo (+) Saída de energia do sistema – sinal negativo (-)Diminuição do volume – energia interna do sistema aumenta (trabalho positivo) Aumento do volume – energia interna do sistema diminui (trabalho negativo).
  13. 13. Capacidade térmica mássica (c) Depende dos materiais e define a quantidade de energia que é necessário adicionar para queocorra um dado aumento de temperatura de uma massa do material. Quanto menor o valor de c, mais rápido é o aquecimento do corpo (menos energia adicionada para que a temperatura aumente um determinado valor). E = m.c.∆T E – Energia M – massa c – capacidade térmica mássica ∆T – Variação de temperatura ocorrida Numa mudança de estado físico não há variação de temperatura pois toda a energia écanalizada para a quebra das ligações entre os corpúsculos. Só quando estas interacções forem anuladas a temperatura volta a aumentar. Fala-se então em calor latente ou entalpia (∆H). E = m.∆H SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA (LEI DA ENTROPIA – S) Qualquer transformação espontânea leva a um aumento de entropia do sistema. A entropia do Universo nunca diminui. Como consequência (ou noutra perspectiva) um corpo mais frio em contacto com um mais quente não pode levar ao aquecimento deste último.
  14. 14. Fórmulas: Em = Ec + Ep Epg = m.g.h P(W)=E(J)/∆t(s) λ (comprimento de onda - m)=c (velocidade da luz no vazio)/f (frequência – Hz)Lei de Stefan-Boltzamann P-Potência (W) e-Emissividade A-Área corpoP=K.(A/L).∆t=U.A.∆T P-Quantidade de calor transmitida por unidade de tempoA-área L-Comprimento k-condutividade térmica ∆T=Tf-Ti=variação detemperatura U=K/L=coeficiente de transmição térmica1ªLei termodinâmica: ∆U=W+Q+R E(nergia) = m(assa).c(apacidade térmica mássica) .∆T(emperatura)
  15. 15. Como se pode aplicar a Lei da Conservação da energia?• Através da noção de sistema, fronteira, vizinhança, transferência e transformação de energia, podemos fazer balanços energéticos e perceber o que acontece à energia de um determinado sistema. Tal pode ser feito através de um diagrama de Sankey, no qual se explicita as entradas e saídas de energia num processo ou atividade.Por que é que a temperatura média não está sempre a aumentar?• nosso planeta recebe radiação solar mas também irradia energia, caso contrário a Terra aumentaria sempre a sua temperatura. Por outro lado, a quantidade de energia recebida pelo nosso planeta é aproximadamente igual à quantidade de energia que emite, no mesmo intervalo de tempo, permanecendo a temperatura média da terra, praticamente, constante.

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