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1. Física e QuímicaPreparação para o 1º teste intermédio de física e químicaFísica ano 1Módulo Inicial – das fontes de energia ao utilizadorTema A- Situação…
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  • 1. Física e QuímicaPreparação para o 1º teste intermédio de física e químicaFísica ano 1Módulo Inicial – das fontes de energia ao utilizadorTema A- Situação energética mundial. Degradação e conservação de energia. 1. Situação energética Mundial e degradação da energia 1.1 Fontes de energia As fontes de energia não renováveis são: • Combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural; • Nucleares: urânio Os combustíveis fósseis ao emitirem gases de estufa para a atmosfera, principalmente,CO2, contribuem de um modo eficaz para a degradação ambiental. Quanto as fontes nucleares,a sua utilização acarreta problemas de armazenamento dos resíduos radioactivos, e em casode acidente, graves problemas ambientais.As energias renováveis e as respectivas fontes são: • Energia solar : Sol; • Energia maremotriz: ondas e marés; • Energia eólica: Vento; • Energia hidráulica: água; • Energia de biomassa: lenha, resíduos industriais, gases resultantes da fermentação de resíduos animais e vegetais (principalmente metano); • Energia geotérmica: fumarolas e géiseres Os impactos ambientais resultantes da utilização de fontes renováveis são, de um modogeral, pouco significativos. Contudo, os rendimentos energéticos são baixos, ao invés das nãorenováveis, uma vez que a sua produção é variável e que o armazenamento de excedentes éextremamente difícil. 1
  • 2. Física e Química 1.2 Transferências e transformações de energia. Rendimento A fim de satisfazer as necessidades energéticas mundiais, diariamente são consumidas, nascentrais produtoras de energia eléctrica, quantidades extraordinárias de carvão, petróleo, gásnatural, água turbinada e combustível nuclear. A energia eléctrica produzida nas centrais – fontes de energia eléctrica – é, a partir da redeeléctrica, transferida para os diversos locais de utilização. Nestes verificam-se quertransferências de energia, quer transformações de energia. Em suma, a energia é transferida das fontes para os receptores onde é transformada emenergia útil.Mas nestes processos uma parte da energia é degradada, isto é, não se transforma na formapretendida, dissipando-se geralmente, como calor Energia útil Receptor Transferência Fonte E. Dissipada Energia disponível (transformação) Assim, para avaliar a eficácia de um processo recorre-se ao conceito de rendimento, η.Ou seja, determina-se a relação entre a energia útil produzida e a energia disponivel ( energiafornecida). O rendimento é sempre inferior a 100%. Eutil η= ×100 Edisponivel Edisponivel = Eutil + Edissipada 2
  • 3. Física e Química 2. Conservação da Energia 2.1 Lei da conservação da energiaNo estudo de um processo físico é importante começar por identificar:- Sistema: corpo ou parte do Universo que é o objecto de estudo, perfeitamente limitado poruma fronteira;- Fronteira: superfície real ou imaginária, bem definida, que separa o sistema das duasvizinhanças;-Vizinhança : corpos ou parte do Universo que envolve o sistema e com o qual pode interagir;Os sistemas físicos classificam-se em:- Abertos: há troca ou permuta de matéria e energia com a vizinhança;-Fechados: não há permuta de matéria, mas há troca de energia com as vizinhanças;-Isolados: não há troca de matéria nem de energia com o exterior A energia manifesta-se através de transferências e de transformações e, em qualquerprocesso, a sua quantidade não se altera, apesar de uma parte se degradar.Lei da conservação da energiaNum sistema isolado, qualquer que seja o processo, a energia total permanece constante. 3
  • 4. Física e Química 2.2 Energia mecânica, energia interna e temperaturaA nível macroscópico, a energia de um sistema designa-se por energia mecânica, Em , que éuma soma da sua energia cinética, Ec, associada ao seu movimento de translação, e da suaenergia potencial, Ep , associada a interacção com os outros sistemas. Em = Ec + EpA energia cinética de translação de um corpo, de massa m e velocidade de módulo v, é igual ametade do produto da sua massa pelo quadrado do modulo da sua velocidade. 1 2 Ec = mv 2 -1m vem expressa em kg e v em ms , unidades SI de massa e de velocidade, respectivamente.A energia potencial, energia armazenada no sistema e potencialmente disponível a serutilizada, manifesta-se de diferentes modos, resultantes de diferentes interacções.A energia potencial gravítica de um corpo, sistema corpo- Terra, aumenta com a distância queo separa do solo. Epg = mghA nível microscópico a energia de um sistema designa-se por energia interna.A energia interna é a soma da energia potencial, resultante das interacções entre partículasconstituintes do sistema (átomos, moléculas e iões), e da energia cinética, associada aopermanente movimento das partículas.A energia interna de um sistema depende da sua massa (quanto maior a massa mais energia) eestá também relacionada com a temperatura. 4
  • 5. Física e Química A temperatura de um sistema (de um corpo) é proporcional a energia cinética média detranslação das suas partículas.Escalas de temperaturaA unidade SI de temperatura é o Kelvin (K), que pertence a escala de Kelvin ou escala absoluta,não qual são impossíveis valores negativos.A expressão que relaciona a escala de celsius (θ) com a absoluta (T) é (T / K ) = (θ /º C ) + 273,15E a expressão que relaciona a escala de Fahrenheit (θ) com a de celsius (θ) é: 9 (θ /º F ) = (θ /º C ) + 32 5 2.3 Transferências de energia e de potênciaA energia transferida entre sistemas pode ocorrer de diferentes modos: trabalho, calor eradiação. 5
  • 6. Física e QuímicaTrabalho(W)Transferência de energia organizada, que ocorre sempre que uma força actua num sistema eeste se desloca devido á sua acção.- No caso da força (F) ter a mesma linha de acção do deslocamento (d) do corpo, o trabalhopode calcular-se tendo em consideração que: W = FdCalor (Q) Transferência de energia desorganizada, que ocorre entre sistemas a temperaturasdiferentes, prolongando-se, espontaneamente, através de um meio material, do sistema atemperatura mais elevada para o sistema a temperatura mais baixa.- A quantidade de energia transferida sob a forma de calor pode ser quantificada, desde que seconheça a massa do sistema (m) que cede ou recebe a energia, a sua capacidade térmicamássica (c) e a variação da temperatura que ocorreu (ΔT): Q = mc∆TRadiação (R)È definida como a energia que é irradiada é um fenómeno natural e, independentemente dasua forma, a radiação ocorre sempre por ondas electromagnéticas. c=λfC= velocidade da radiação num determinado meio 6
  • 7. Física e QuímicaF= frequência da radiaçãoλ = Comprimento de ondaA energia associada a radiação é directamente proporcional a sua frequência: E = hvE= energia de radiaçãoH- constante de planck (6.626 x 10-34 Js)Trabalho, calor e radiação são tudo formas de transferência de energia e como tal sãoexpressas em joules (J), no SI. É através destas transferências que a energia interna de umsistema pode variar, ΔU ( se não isolado), podendo este trocar energia sob apenas uma destasformas ou das 3, rápida ou lentamente. ∆U = Q + W + RPotênciaÈ a quantidade de energia transferida para um sistema por unidade de tempo. ∆E P= ∆tA unidade SI da potencia é o joule por segundo que se designa por watt (W). 7
  • 8. Física e QuímicaUnidade 1 - A energia do Sol para a TerraTema A: Absorção e emissão de radiação1 Absorção e emissão de radiação1.1 Espectro electromagnético. Intensidade da radiação • A emissão de radiação electromagnética dá-se quando cargas eléctricas (por exemplo, electrões) transitem de um nível de energia para outro de energia inferior. Um electrão ao transitar do nível de energia E2 para o nível E1 emite um fotão, ao qual, pela lei da conservação de energia está associada uma energia E2-E1. • A absorção de radiação electromagnética por cargas eléctricas pode originar transições para níveis de energia mais elevados. Um electrão ao absorver um fotão, pode transitar do nível E1 para o nível E2. • Qualquer radiação electromagnética se propaga no vazio a mesma velocidade c = 3,0 x 108 ms-1, a velocidade da luz. Contudo, nos meios materiais a velocidade de propagação da radiação é inferior à velocidade da luz. • A radiação electromagnética pode ser decomposta em componentes com uma frequência, v, e um comprimento de onda λ0 , reportado ao vazio, bem definidos. Estas grandezas físicas estão relacionadas pela velocidade da luz: c = vλ 0 • O espectro electromagnético é constituído pelos diferentes tipos de radiação electromagnética - ondas rádio, microondas. Radiação infravermelha, radiação visível (luz), radiação ultravioleta, raios X e raios γ – que diferem apenas no valor de algumas grandezas, como o comprimento de onda e a frequência. 8
  • 9. Física e Química• A frequência pemite caracterizar uma radiação no espectro electromagnético, pois é independente do meio de propagação.• O comprimento de onda de uma radiação de frequência v depende do meio de propagação ( v= λv)• Os diferentes tipos de radiação, desde as ondas rádio a raios γ, correspondem a diferentes gamas de frequência ou de comprimento de onda, reportadas ao vazio.• A radiação visível, radiação electromagnética a que o olho humano é sensível, corresponde a uma gama muito estreita de comprimento de onda ( de 400nm a 780 nm) e portanto de frequências de 4 x1014 Hz a 8 x1014 Hz 9
  • 10. Física e Química • A energia total de uma radiação é igual a soma das energias associadas a cada frequência ou a cada comprimento de onda, reportado ao vazio. • A intensidade da radiação incidente numa superfície é a potência incidente por unidade de área. Quanto maior for a área de exposição, A, maior será a energia incidente, logo, a potência total deve ser proporcional a esta área, desde que a intensidade da radiação, I, não varie de ponto para ponto. Isto é : P = IA1.2 Interacção da radiação com a matéria1.2.1 Radiação térmica. Lei de Stefan - Boltzmann e deslocamento de WienA radiação térmica é a radiação emitida por um corpo e depende da sua temperatura.Qualquer corpo troca constantemente com o exterior este tipo de radiação.Apesar do espectro da radiação térmica variar ligeiramente com a composição do corpo, háuma classe de corpos, designados por corpos negros que, a mesma temperatura, emitemradiação térmica que apresenta o mesmo espectro.As propriedades da radiação térmica emitida por um corpo são: • O espectro da intensidade da radiação emitida é continuo dependendo da temperatura, T, e do comprimento de onda, λ, da radiação emitida. • O espectro apresenta um máximo em λ=λmáx que depende apenas da temperatura • O comprimento de onda a que corresponde a intensidade máxima da radiação, λ máx, é inversamente proporcional à temperatura – lei de Wien b = T λ máx Em que b= 2,9 x10-3 mK • A potencia total irradiada pela superfície A de um corpo, isto é, somada sobre todas as gamas de comprimento de onda, é directamente proporcional a quarta potência da temperatura absoluta em kelvins - lei de Stefan – Boltzamann Prad = eσ AT 4 10
  • 11. Física e Química σ – Constante de Stefan – Boltzamann e vale 5,67 x 10-8 Wm-2K4 e- emissividade do corpo, varia entre 0 e 1, para zero o corpo so reflecte e para 1 o corpo só emite e só absorve1.2.2 Equilíbrio térmicoSe a intensidade da radiação absorvida por um corpo é superior à emitida, a sua energia bemcomo a sua temperatura aumentam. Mas, se emitir mais do que absorve, a sua energia e a suatemperatura diminuem.Em equilíbrio térmico, a temperatura do corpo é constante, logo, as taxas de absorção e deemissão de radiação são iguais. Isto é, a energia emitida é igual a absorvida e,consequentemente , a potencia da radicação absorvida tem a mesma expressão da emitida : Pabsorvida = eσ AT 4Em suma:Se dois sistemas estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro sistema eles estão emequilíbrio térmico entre si - lei zero da termodinâmica 11
  • 12. Física e Química2. A radiação solar e o sistema Terra - atmosfera2.1 Balanço energético da Terra A potência da radiação solar que, à distância média entre o sol e a Terra, incide numa superfície de área unitária orientada perpendicularmente ao feixe solar designa-se constante solar, So, cujo valor, estabelecido por medição directa fora da atmosfera a partir de satélites, é igual a 1367 Wm-2. Da radiação incidente no topo da atmosfera, cerca de 30% é reflectida pelo sistema Terra- Atmosfera, isto é, a reflectividade média global planetária, ou albedo, a, é igual a 0.3. Por outro lado, como a Terra intercepta a radiação solar que atravessa um disco de 2 área π R T , onde Rt é o raio da Terra, a potencia recebida por unidade de área, Iatm, é, no topo da atmosfera: 2 2 I atm × 4π R T = S0 × π R T S0 I atm = 4 Supondo que a atmosfera é completamente transparente, a intensidade da radiação que atinge a superfície terrestre, Is, é: I s = I atm (1 − a ) S0 I s = (1 − a ) 4 Se agora supuser que a Terra emite como um corpo negro e que se encontra em equilíbrio térmico recorrendo à lei de Stefan – Boltzamann, obtém – se : S0 4 (1 − a) = σ T s 4 1 S 4 Ts =  0 (1 − a )   4σ  12
  • 13. Física e QuímicaEsta expressão permite estimar a temperatura média global à superfície terrestre, cujovalor é de 255K (-18ºC). Mas esta temperatura é significamente inferior à temperaturamedia global da superfície da Terra, que é de 288K (15ºC). 13
  • 14. Física e Química 2.2 Efeito de estufa Numa atmosfera limpa uma elevada quantidade de energia solar é transmitida e absorvidapela superfície terrestre. Mas a energia emitida pela superfície da Terra é amplamenteabsorvida, na atmosfera, pelo dióxido de carbono, pelo vapor de água e pelo ozono. Estaabsorção da radiação térmica infravermelha pelos gases atmosféricos, que se designa efeitoatmosférico ou efeito de estufa, é a responsável pelo valor médio da temperatura dasuperfície terrestre ser de 288k e não de 255K. Na verdade, o sistema Terra-atmosfera emite (no topo da atmosfera) 240 Wm -2 ,equivalente a um corpo negro a temperatura de 255K, e á superfície terrestre emite 390 Wm -2, a que corresponde um corpo negro à temperatura de 288K. Esta diferença de 33K entre astemperaturas da superfície da Terra e do sistema Terra-atmosfera, que traduz o efeito estufa,é imputada aos gases atmosféricos que, ao absorverem radiação infravermelha, são sóresponsáveis por este efeito e que, por esta razão, se designam por gases de estufa. 3. A radiação solar na produção de energia eléctrica Um painel fotovoltaico é constituído por uma associação de células de silício, umsemicondutor, que ser designam por células fotovoltaicas. Uma célula fotovoltaica não é mais do que um gerador que converte uma parte daenergia solar que recebe em energia eléctrica. De facto, uma célula fotovoltaica é sensível àradiação de comprimento de onda entre os 300nm e os 600nm. O rendimento do processo de conversão da radiação solar em energia eléctrica é baixo,cerca de 12% Para dimensionar um painel fotovoltaico, é necessário: • Determinar a potência eléctrica que se necessita; • Conhecer a potência solar média por unidade de área; • Conhecer o rendimento do processo fotovoltaico 14
  • 15. Física e QuímicaTema B – A energia no aquecimento/ arrefecimento de sistemas 1. Transferência de energia como calor. Bons e maus condutores 1.1 Mecanismos de transferência de energia como calor 1.1.1 Condução do calorNo processo de condução a energia é transferida por interacções, a nível microscópico, daspartículas constituintes da matéria (gasosa, liquida ou sólida), sem que haja qualquertransporte material.Há condução de calor quando há transferência de energia através de um meio material ondeexistem zonas a diferentes temperaturas. Por exemplo: através do vidro de uma janela,através de uma barra metálica com extremidades diferentes temperaturas. QA quantidade de energia transferida como calor por unidade de tempo P = , num c ∆tprocesso de condução, é directamente proporcional à área da superfície, A, e a diferença detemperaturas Tq – Tf , inversamente proporcional a espessura, L, e depende dos materiais.Estas grandezas estão relacionadas com a expressão: Tq − T f Pc = kA Lque traduz a lei de condução do calor ou Lei de Fourier e onde k é a condutividade térmica,propriedade que caracteriza a condução de calor em materiais, cuja unidade SI é o joule porsegundo por metro por Kelvin (J s-1 m-1 K-1) ou o watt por metro por Kelvin (W m-1 k-1). 15
  • 16. Física e QuímicaCondutividade térmica de alguns materiais 16
  • 17. Física e Química 1.1.2 Convecção do calorNo processo de convecção a energia é transferida entre regiões de um fluido (gás ou líquido),sujeito à acção da gravidade, por movimentos que misturam partes do fluido a diferentestemperaturas, correntes de convecção.Verifica-se que, para a mesma pressão, a massa volúmica de um fluido diminui com o aumentoda temperatura, logo, a matéria menos densa ( a temperatura superior) sobe, enquanto a maisdensa ( a temperatura inferior), que se encontra na parte superior, desce.A convecção é um processo físico de extrema importância na transferência de energia emfluidos, desempenhando um papel fundamental no sistema climático da Terra. 1.2 A condutividade térmica e os bons e maus condutores de calorHá materiais em que o processo de transmissão de energia como calor ocorre lentamente,enquanto noutros é muito rápido.Esta diferença comportamental da condução do calor deve-se ao facto de os diferentesmateriais apresentarem diferentes condutividades térmicas que podem diferir de váriasordens de grandeza.Assim, com base nos valores de condutividade térmica, os materiais dividem-se em: • Bons condutores de calor, que se caracterizam por valores de condutividade térmica elevados; • Maus condutores de calor, que se caracterizam por valores de condutividade térmica baixos. 17
  • 18. Física e Química 2. Primeira Lei da TermodinâmicaNuma transformação entre os dois estados de equilíbrio, a variação de energia interna de umsistema, ΔU, é igual à quantidade de energia transferida como trabalho, calor e radiação: ∆U = W + Q + RPor convecçao considera-se que: • A energia recebida pelo sistema, quer como trabalho, calor ou radiação, é positiva, pois aumenta a energia interna , ∆U > 0 ; • A energia cedida pelo sistema, como trabalho, calor ou radiação, é negativa, pois a energia interna diminui, ∆U < 0 ; 2.1 Trabalho, calor e radiação: processos equivalentesDa primeira lei da termodinâmica verifica-se que os processos de transferência de energia,W,Q e R, são equivalentes, pois a soma W+Q+R é igual a variação da energia interna, ΔU, eesta depende apenas dos estados inicial e final. 2.2 Capacidade térmica mássica e calor latente 2.2.1 Transferência de energia como calor sem mudança de estadoA quantidade de energia transferida como calor necessária para que a temperatura de umadada substância sofra uma variação de temperatura, é directamente proporcional a sua massa,m, e é dada pela expressão: Q = mc∆TOnde c é a característica térmica da substância que se designa capacidade térmica mássica eque é igual a quantidade de energia que é necessário fornecer a 1Kg dessa substancia para quea sua temperatura aumente 1K. A unidade Si da capacidade térmica mássica é J Kg-1 K-1 2.2.2 Transferência de energia como calor com mudança de estadoA quantidade de energia que é necessário fornecer a uma dada massa, m , de uma substanciapara que experimente uma mudança de estado, a uma dada pressão e temperatura, é: Q = mL 18
  • 19. Física e QuímicaL é uma característica de cada substancia que se designa pró calor de transformação mássico,é a energia que é necessário fornecer à massa de 1 Kg da substancia para que mude deestado.A unidade Si do calor de transformação mássico é J k-1. 3. Degradação de energia. Segunda lei da termodinâmica 3.1 Rendimento em processos termodinâmicosUma máquina térmica converte uma certa quantidade de calor em trabalho. É um sistema querealiza processos termodinâmicos cíclicos durante os quais recebe energia, com
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    Aug 4, 2018
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