Energia fenmenos trmicos e radiao FSICA 10 TEMPERATURA

Energia, fenómenos térmicos e radiação

FÍSICA 10 TEMPERATURA E EQUÍLIBRIO TÉRMICO Canal Youtube: A História da Energia

FÍSICA 10 SISTEMA, FRONTEIRA E VIZINHANÇA Todas as regiões e corpos do Universo que não pertencem ao sistema. SISTEMA Corpo, região ou conjunto de partículas que são o objeto de estudo. Sistema FRONTEIRA O limite, real ou virtual, que separa sistema e vizinhança. 3

FÍSICA 10 TRANSFERÊNCIAS E TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA Energia Elétrica Transformação Energia Térmica Transferência Energia Térmica

FÍSICA 10 SISTEMA ABERTO Permite troca de matéria e de energia com a vizinhança. SISTEMA FECHADO Permite troca de energia mas não de matéria com a vizinhança. SISTEMA ISOLADO Não permite troca de energia nem de matéria com a vizinhança. SISTEMA ABERTO SISTEMA FECHADO SISTEMA ISOLADO

FÍSICA 10 ENERGIA INTERNA Define-se como sendo a soma da energia cinética das partículas constituintes do sistema com a energia potencial resultante das suas interações. SISTEMA TERMODIN MICO Sistema em que se tem em conta a energia interna pois a sua variação é apreciável. Exemplo de um sistema termodinâmico.

FÍSICA 10 EQUÍLIBRIO TÉRMICO Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contacto há troca de energia do corpo a temperatura superior para o corpo a temperatura inferior até atingirem uma situação de equilíbrio térmico, que corresponde à igualdade de temperaturas. 7

FÍSICA 10 Dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, estarão em equilíbrio térmico entre si. Se o corpo C for um termómetro, verifica-se que estará a indicar a mesma temperatura, o que permite concluir que a propriedade que determina se um corpo está, ou não, em equilíbrio térmico com outros corpos é a temperatura. Isto é, dois corpos à mesma temperatura estão em equilíbrio térmico.

FÍSICA 10 O aumento de temperatura de um sistema implica, em geral, um aumento da energia cinética das suas partículas. Sistemas com diferentes temperaturas, TA < TB. Maior temperatura Maior agitação das partículas Maior energia cinética média interna das partículas

FÍSICA 10 ESCALAS DE TEMPERATURA As situações de equilíbrio térmico permitem estabelecer escalas de temperaturas. 10

FÍSICA 10 ESCALAS DE TEMPERATURA As situações de equilíbrio térmico permitem estabelecer escalas de temperaturas. “Termómetro” 11

FÍSICA 10 TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA COMO CALOR Energia transferida entre sistemas vizinhos que se encontram a diferentes temperaturas. • O calor flui sempre de uma região a temperatura mais elevada para outra a menor temperatura. • A quantidade de calor recebida por um dos corpos é simétrica da quantidade de calor cedida pelo outro se o conjunto for um sistema isolado. • Por convenção, o calor é negativo se é transferido do sistema para o exterior e é positivo se é transferido do exterior para o sistema.

FÍSICA 10 O conceito de calor, tal como o conceito de trabalho, estão associados a um processo: é a energia transferida espontaneamente entre sistemas a diferentes temperaturas. Foi Thompson, conde de Rumford, no final do séc. XVIII, quem primeiro estabeleceu uma relação entre calor e trabalho. Conde de Rumford constatou a relação entre trabalho e calor ao supervisionar o funcionamento de canhões.

FÍSICA 10 Em meados do séc. XIX, Joule realizou várias experiências para demonstrar a equivalência entre calor e trabalho. A experiência de Joule demonstrou que, em alguns casos, o trabalho de forças externas resulta numa variação de temperatura, tal como quando se transfere energia para o sistema sob a forma de calor. Experiência de Joule para determinação do “equivalente mecânico de calor”. 1 cal = 4, 186 J

FÍSICA 10 A transferência de energia como calor pode ocorrer por radiação, através da propagação da luz sem existir contacto entre sistemas, ou por condução e convecção que implicam contacto entre sistemas. Convecção Condução Radiação Processos de transferência de energia por calor.

FÍSICA 10 A temperatura pode ser medida em grau Celsius (ºC) ou em kelvin (K) Unidade mais usada no dia a dia Escala de temperatura absoluta, correspondendo o zero da escala à temperatura mais baixa que se pode atingir em teoria. Apesar da temperatura ser diferente em grau Celsius e kelvin, uma variação de temperatura de 1 ºC é exatamente igual a uma variação de temperatura de 1 K.

FÍSICA 10 RADIAÇÃO E IRRADI NCIA RADIAÇÃO Energia transferida por ondas eletromagnéticas. Um corpo, desde que esteja a uma temperatura superior ao zero absoluto (0 K), emite energia na forma de radiação. Todos os corpos emitem radiação e, à temperatura ambiente, emitem predominantemente no infravermelho. Imagens resultantes da emissão de radiação infravermelha de um gato e de pessoas sentadas numa mesa detetadas por um sensor de infravermelhos.

FÍSICA 10 Para comparar a energia emitida por dois corpos distintos deve ser considerada a potência da radiação emitida, designada potência irradiada pelo corpo. IRRADI NCIA Energia da radiação emitida por um corpo por unidade de tempo e por unidade de área.

FÍSICA 10 Quando a radiação incide na superfície de um corpo, pode ser absorvida, refletida ou transmitida através do corpo.

FÍSICA 10 Quando a luz branca, resultante da combinação de todas as radiações da zona do visível, incide sobre um corpo, este absorve parte dessas radiações, chegando apenas aos olhos do observador as outras cores, as que foram refletidas pelo corpo. As superfícies brancas reemitem a radiação visível (A), enquanto as superfícies pretas são absorsoras de radiação visível (B). Os corpos pretos absorvem toda a radiação visível que sobre eles incide.

FÍSICA 10 Quando a luz branca, resultante da combinação de todas as radiações da zona do visível, incide sobre um corpo, este absorve parte dessas radiações, chegando apenas aos olhos do observador as outras cores, as que foram refletidas pelo corpo. As superfícies brancas reemitem a radiação visível (A), enquanto as superfícies pretas são absorsoras de radiação visível (B). Qualquer corpo absorve radiação. A intensidade da radiação absorvida depende das propriedades do corpo e do comprimento de onda da radiação incidente.

FÍSICA 10 A RADIAÇÃO SOLAR NA PRODUÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA – PAINEL FOTOVOLTAICO CÉLULA FOTOVOLTAICA Dispositivo que converte a energia transferida sob a forma de radiação em energia elétrica, através da produção de uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais. 22

FÍSICA 10 A RADIAÇÃO SOLAR NA PRODUÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA – PAINEL FOTOVOLTAICO CÉLULA FOTOVOLTAICA Dispositivo que converte a energia transferida sob a forma de radiação em energia elétrica, através da produção de uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais. Canal Youtube: Célula fotovoltaica De forma a maximizar o rendimento de um sistema fotovoltaico é necessário dimensionar a área atendendo à irradiância solar média no local da instalação, ao número médio de horas de luz solar por dia e à potência a debitar. 23

FÍSICA 10 CONDUÇÃO E CONVECÇÃO CONDUÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre devido à transferência de energia das partículas mais agitadas (a maior temperatura) para as mais lentas (a menor temperatura). As partículas mais agitadas propagam a agitação às partículas vizinhas havendo assim transferência de energia sem transporte de matéria. A B Condução de calor: entre a resistência elétrica de um jarro elétrico e a água (A) e ao longo de uma colher metálica mergulhada numa sopa quente (B). 24

FÍSICA 10 CONDUÇÃO E CONVECÇÃO: Mecanismo de transferência de energia como calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) acompanhado de movimentos do próprio fluido que são designados de correntes de convecção. Nos sólidos só é possível transferir energia sob a forma de calor por condução; nos fluidos pode transferir-se energia sob a forma de calor por condução e/ou convecção, sendo o segundo mais eficaz. Correntes de convecção 25

FÍSICA 10 Conceitos como: - Convecção Permitem explicar fenómenos como: A “brisa” marítima de dia A “brisa” terrestre à noite 26

FÍSICA 10 CONDUTIVIDADE TÉRMICA Se um cilindro de área de base A e comprimento L, estiver em contacto, através das suas extremidades, com uma fonte “quente” à temperatura TQ e com uma fonte “fria” à temperatura TF, a taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução será dada por: 27

FÍSICA 10 A taxa temporal de transferência de energia, sob a forma de calor, por condução através de um material é inversamente proporcional à sua espessura e diretamente proporcional à área transversal e à diferença de temperatura nas suas extremidades. Paralelepípedos sujeitos a uma diferença de temperatura entre as faces esquerda e direita (A) e nas faces superior e inferior (B). Se a diferença de temperatura aplicada nas extremidades do paralelepípedo for igual nas duas situações, a taxa temporal de transferência de energia será maior no segundo caso (B), pois apresenta uma maior área e uma menor espessura. 28

FÍSICA 10 CONDUTIVIDADE TÉRMICA: Grandeza física que mede a capacidade de uma substância conduzir o calor. Pode ser definida como a energia transferida sob a forma de calor por unidade de tempo através de uma superfície com 1 m 2 de área e 1 m de espessura quando a diferença de temperatura entre as duas faces dessa superfície é 1 K. TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS 29

FÍSICA 10 A condutividade térmica do cobre é 401 W m-1 K-1. Isto significa que entre os extremos de uma barra de cobre com 1 m de comprimento e 1 m 2 de secção, transferem-se 401 J de energia, em cada segundo, quando a diferença de temperatura entre os extremos da barra for de 1 K (ou 1 ºC). TABELA I – VALORES DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DE ALGUNS MATERIAIS 30

FÍSICA 10 Um bom condutor térmico apresenta uma condutividade térmica elevada enquanto um isolador térmico apresenta uma condutividade térmica baixa. A B A prata é um bom condutor térmico (A) e a madeira um bom isolador térmico (B). De uma maneira geral, nos líquidos, a condutividade térmica é inferior à dos sólidos metálicos. E nos gases a condutividade térmica é ainda menor, uma vez que as partículas dos gases estão muito afastadas umas das outras, comparativamente com as dos líquidos e as dos sólidos. 31

FÍSICA 10 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA Quanto maior for a variação de temperatura que se quer provocar, maior será a quantidade de energia que terá de ser fornecida a esse sistema. DT = 30 ºC DT = 15 ºC 32

FÍSICA 10 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA Quanto maior for a massa de substância que se quer aquecer, maior será a quantidade de energia que terá de ser fornecida a esse sistema. DT = 30 ºC 33

FÍSICA 10 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA Ao fornecer a mesma quantidade de energia a dois sistemas com a mesma massa, se estes forem constituídos por substâncias diferentes, as temperaturas finais serão diferentes. 34

FÍSICA 10 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA A energia a transferir sob a forma de calor é diretamente proporcional à variação de temperatura que se quer provocar e à massa de substância e dependente do material que a constitui. 35

FÍSICA 10 CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA A energia a transferir sob a forma de calor é diretamente proporcional à variação de temperatura que se quer provocar e à massa de substância e dependente do material que a constitui. NOTA O gráfico de E = f (DT) apresenta uma linha reta que passa na origem, o que traduz a proporcionalidade direta destas grandezas, sendo o declive igual a m x c. Para duas amostras com a mesma massa, quanto maior for a capacidade térmica mássica, maior será o declive. O valor da variação de temperatura de uma amostra é inversamente proporcional à sua massa. 36

FÍSICA 10 A capacidade térmica mássica ou calor específico, c, corresponde à variação de energia por unidade de massa e de variação de temperatura da substância, sendo medido no SI em J kg-1 K-1. TABELA II – VALORES DE CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA DE ALGUNS MATERIAIS A 25 ºC E A PRESSÃO ATMOSFÉRICA NORMAL 37

FÍSICA 10 VARIAÇÃO DE ENTALPIA DE FUSÃO E DE VAPORIZAÇÃO Enquanto ocorre a mudança do estado líquido para o estado gasoso, a temperatura permanece constante. A temperatura sobe uniformemente com o tempo até atingir 0 ºC. Quando todo o gelo tiver passado ao estado líquido é que a temperatura do sistema volta a aumentar desde os 0 ºC até aos 100 ºC Durante a mudança de estado físico a temperatura mantém-se constante. Representação da variação de temperatura em função do tempo T = f(t) para a água, desde que foi retirada do congelador (estado sólido) até à ebulição. 38

FÍSICA 10 NOTA Quando uma substância muda de estado físico, a energia sob a forma de calor que é necessário fornecer à substância é tanto maior quanto maior a sua massa e quanto maior a variação de entalpia. O gráfico de E = f(m) apresenta uma linha reta que passa na origem, o que traduz a proporcionalidade direta destas grandezas, sendo o declive igual a DH. 39

FÍSICA 10 VARIAÇÃO DE ENTALPIA A variação de entalpia (DH) é a constante de proporcionalidade da expressão e indica a energia que é necessário fornecer à unidade de massa de uma substância para mudar de estado físico, apresentando valores característicos para cada substância e para cada mudança de estado físico. TABELA III – VALORES DE VARIAÇÃO DE ENTALPIA DA ÁGUA PARA AS VÁRIAS MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO 40

FÍSICA 10 VARIAÇÃO DE ENTALPIA O valor 3, 33 105 J kg 1 para a variação de entalpia de fusão da água significa que é necessário fornecer 3, 33 105 J de energia a cada quilograma de água no estado sólido (gelo), à temperatura de fusão, para que esta passe ao estado líquido TABELA III – VALORES DE VARIAÇÃO DE ENTALPIA DA ÁGUA PARA AS VÁRIAS MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO 41

FÍSICA 10 A capacidade térmica mássica da água é 4186 J kg 1 ºC 1. Isso significa que é necessário fornecer (ou remover) 4186 J de energia a cada quilograma de água para que a sua temperatura aumente (ou diminua) 1 K. TABELA II – VALORES DE CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA DE ALGUNS MATERIAIS A 25 ºC E A PRESSÃO ATMOSFÉRICA NORMAL 42

FÍSICA 10 PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Dois sistemas a temperaturas diferentes, isolados em relação ao meio exterior, colocados em contacto entre si, trocam energia sob a forma de calor até atingirem o equilíbrio térmico, ou seja, até ficarem à mesma temperatura. A energia cedida pelo corpo a temperatura superior é igual, em módulo, à energia recebida pelo corpo a temperatura inferior. 43

FÍSICA 10 PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Dois sistemas a temperaturas diferentes, isolados em relação ao meio exterior, colocados em contacto entre si, trocam energia sob a forma de calor até atingirem o equilíbrio térmico, ou seja, até ficarem à mesma temperatura. A energia cedida pelo corpo a temperatura superior é igual, em módulo, à energia recebida pelo corpo a temperatura inferior. 44

FÍSICA 10 PRIMEIRA LEI DA TERMODIN MICA Numa transformação entre dois estados, a variação de energia interna de um sistema é igual à soma do trabalho realizado sobre o sistema (ou que o sistema faz sobre o exterior) com o calor transferido para o mesmo (ou cedido por ele). 45

FÍSICA 10 Nesta “contabilidade” de energia que “entra” ou “sai” do sistema, considera-se: • positivos, o trabalho e o calor fornecidos ao sistema pelo exterior; • negativos, o trabalho e o calor cedidos pelo sistema ao exterior. Variação da energia interna e balanços energéticos em sistemas termodinâmicos. 46

FÍSICA 10 Os processos termodinâmicos podem ser classificados de acordo com as variáveis que se mantêm constantes. Processo termodinâmico Processo Adiabático Processo Isocórico Descrição Processo em que não existe transferência de calor (entrada ou saída) para o exterior. A energia interna do sistema aumenta se for realizado trabalho sobre o sistema ou diminui se o sistema realizar trabalho sobre o exterior. Processo em que o volume se mantém constante. No caso de um sistema formado por um gás isso significa que não é possível realizar trabalho sobre o sistema. Relação entre grandezas Q=0 DU = W V = constante logo, W = 0 DU = Q 47

FÍSICA 10 Processo termodinâmico Descrição Relação entre grandezas Processo em que a temperatura se Processo mantém constante. Estes processos Processo em que a temperatura se T = constante Isotérmico realizam-se normalmente de forma Processo mantém constante. Estes processos logo, DU = 0 Isotérmico realizam-se normalmente de forma lenta. Q=–W lenta. p = constante Processo Isobárico Processo em que a pressão é constante. O sistema pode trocar energia sob a forma de calor ou de trabalho. =Q+W Processo em que a DU pressão é constante. O sistema onde, pode trocar W = – p DV energia sob a forma de calor ou de trabalho. Relação entre grandezas T = constante logo, DU = 0 Q = –W p = constante DU = Q + W onde, W = – p DV 48

FÍSICA 10 SEGUNDA LEI DA TERMODIN MICA As máquinas térmicas permitem obter trabalho útil a partir de um fluxo de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes, uma fonte “quente” e uma fonte “fria”. A primeira máquina térmica, construída por Heron de Alexandria, era constituída por uma esfera de cobre com duas aberturas por onde se expelia o vapor de água formado a partir do aquecimento de água num reservatório. 49

FÍSICA 10 ENUNCIADO DE PLANCK DO POSTULADO DE KELVIN Corresponde a um dos enunciados da 2. ª Lei da Termodinâmica que diz que é impossível construir uma máquina térmica que, operando ciclicamente, não produza nenhum outro efeito para além do de extrair energia por calor de uma fonte “quente” e realizar uma quantidade equivalente de trabalho. Esquema de uma máquina térmica real (A) e de uma situação impossível (B). 50

FÍSICA 10 Um exemplo de uma máquina térmica é o motor de combustão interna de um automóvel. Diferentes fases de funcionamento de um motor de combustão interna. Nenhuma máquina térmica poderá apresentar um rendimento de 100%. 51

FÍSICA 10 O rendimento ou eficiência de uma máquina térmica corresponde à razão entre o trabalho realizado sobre o exterior e a energia recebida sob a forma de calor da fonte “quente”. Como, segundo a conservação da energia, Qq = W + Qf , o rendimento pode também ser expresso por: 52

FÍSICA 10 SEGUNDA LEI DA TERMODIN MICA “Os processos que ocorrem espontaneamente na natureza levam a uma diminuição da energia útil do universo”. Esquema de um processo espontâneo (A) e de um processo que é impossível ocorrer espontaneamente (B) de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica. 53