energia no aqueciemnto de sistemas
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SOL E AQUECIMENTO
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
Escola Secundária de Rio Tinto
Departamento de Matemática e Ciências Experimentais
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
2 Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
Transferência de Energia
Condução
Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem energia
aumentam a sua vibração transmitindo-a aos corpúsculos
vizinhos e assim sucessivamente.
Este processo de transferência de energia ocorre nos SÓLIDOS.
Convecção
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.
Este processo de transferência de energia ocorre nos FLUÍDOS, ou
seja, LÍQUIDOS e GASES.
3 Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
4 Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
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Condução
Os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) ao receberem energia aumentam a sua vibração transmitindo-a aos
corpúsculos vizinhos e assim sucessivamente.
Este processo de transferência de energia ocorre nos SÓLIDOS.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
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Convecção
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.
Este processo de transferência de
energia ocorre nos FLUÍDOS, ou
seja, LÍQUIDOS e GASES.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
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Alguns exemplos do quotidiano:
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
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As correntes de convecção na Atmosfera
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
9 Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
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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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 11
Barra metálica de comprimento ℓ e seção A com as duas extremidades a
temperaturas diferentes.
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
condução térmica através
da barra.
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 12
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.
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 13
• 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.
A experiência mostra que a corrente térmica:
CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 14
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)
Resumidamente:
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 15
A RADIAÇÃO SOLAR E O SEU APROVEITAMENTO
NA TERRA
A RADIAÇÃO SOLAR E O SEU APROVEITAMENTO
NA TERRA
Cuidados a ter a
construção de uma casa
Orientação da para Sul
Isolamento térmico
Muitas janelas para entrar muita luz natural
Envidraçados nas zonas frias para
criar efeito de estufa
Sistemas de aquecimento
e arrefecimento
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 16
COLETOR SOLAR
Os coletores solares aproveitam a radiação solar para aquecer
fluidos, que são normalmente água ou ar.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 17
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
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 18
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
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• 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
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• Caixa com isolamento que evita transferências de energia por calor; dá rigidez ao
coletor e protege-o dos agentes atmosféricos.
COLETOR SOLAR
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 21
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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 22
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
potência de 1,5W.
Para se obter maiores tensões ligam-se em série; para maiores
intensidades ligam-se em paralelo.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 23
A radiação ao incidir sobre a célula, faz
com que a energia da radiação seja
transferida para os eletrões de modo
formar uma corrente elétrica contínua.
Tal corrente mantém-se enquanto houver
luz a incidir na célula.
PAINEL FOTOVOLTAICO
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 24
PAINEL FOTOVOLTAICO
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PAINEL FOTOVOLTAICO
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 26
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.
Rede elétrica numa casa alimentada por um painel fotovoltaico:
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 27
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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?
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 30
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 31
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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?
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 32
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 33
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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.
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 35
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 36
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
tampa do recipiente (êmbolo) vai
subindo e, portanto, o sistema
realiza trabalho.
Suponhamos que este trabalho é
500 J.
Como houve aumento de volume logo o
trabalho é negativo, W= 500 J ,
Eint = W + Q + R = 500 + 1500 + 0 = 1000
J.
No final do processo, o sistema tem mais
1000 J de energia interna do que no
início.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 37
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
ao exterior 300 J, pois é posto em
contacto com um sistema a uma
temperatura mais baixa.
Agora Q = 300 J.
A variação da energia interna é:
∆Ei = 0 300 + 0 = 300 J
ou seja, a energia interna diminui 300 J.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 38
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.
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
ALGUMAS SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À
CUSTA DE CALOR E TRABALHO
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Transformações
Adiabática
Não há trocas de calor (Q=0)
∆Ei=W
Isobárica
Pressão constante:
W = - p ∆V
Compressão:
W >0
Expansão: W<0
∆Ei = W + Q
Isocórica
Volume constante:
W=0
∆Ei = Q
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CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
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
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 41
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA 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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 42
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA 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.
Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 43
CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA 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.
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CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
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Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas 46
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.
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Aumento de entropia
Diminuição da energia
útil
Rendimento inferior a
100%