1. energia do sol para a terrasica...a atmosfera sem nuvens é atingida pela radiação solar...
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Anjo Albuquerque
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1. Energia – do Sol para a Terra
Energia emitida pela Terra
e enviada para o Espaço.
Energia Solar
recebida pela Terra.
Radiação Solar
Anjo Albuquerque
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A temperatura média ao nível da superficie terrestre é de 15 ºC,
isto é, 288 K;
Este valor mantém-se inalterável desde os tempos mais remotos;
É determinado, em grande parte, pela radiação que a terra recebe
do Sol.
Parte da energia que a Terra recebe do Sol é reenviada para o
espaço o que faz com que a sua temperatura média se mantenha
constante.
A quantidade de energia solar recebida pela Terra é,
aproximadamente, igual à energia reenviada para o espaço.
Temperatura da Terra
Anjo Albuquerque
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Papel da atmosfera no balanço energético da Terra?
A atmosfera consegue controlar:A quantidade de radiação solar que atinge a superfície do nosso
planeta.
A quantidade de radiação reeenviada da Terra para o Espaço.
A quantidade de
radiação reflectida
depende da atmosfera
que rodeia a Terra.
Anjo Albuquerque
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O que acontece à radiação que vem do Sol para a Terra?
Reflecte-se nas nuvens(atmosfera com nuvens).
É absorvida pelo ozono, pelo oxigénio, pelo dióxido de carbono
entre outros.
É difundida por moléculas e aerossóis (atmosfera sem nuvens).
Radiação que consegue atingir a superfície terrestre?
Radiação reflectida?
Radiação absorvida pelo solo.
Radiação reflectida pelo solo.
Designa-se por albedo a razão entre a quantidade de radiação
que se reflecte, quer na atmosfera quer no solo, e a quantidade de
radiação incidente.
Anjo Albuquerque
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O que acontece à radiação que vem do Sol para a Terra?
zénite - ponto exatamente
acima de um lugar
específico; a partir de um
ponto numa superfície
horizontal traça-se uma reta
imaginária perpendicular ao
plano, o ponto onde esta se
encontra com a esfera
celeste é o zénite.
Anjo Albuquerque
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A radiação reflectida pelo sistema “Terra + atmosfera” faz com
que a terra seja visível do espaço.
O sistema “Terra + atmosfera” desempenha, simultaneamente, o
papéis de receptor e de fonte de energia.
Balanço energético da Terra:
Sol fonte de energia;
Terra receptor de energia;
Balanço energético da Terra:
Considera-se 100 unidades a
quantidade de radiação
solar que atinge o sistema
“Terra + atmosfera”;
Balanço energético do sistema “Terra + atmosfera”
Anjo Albuquerque
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Balanço energético do sistema “Terra + atmosfera”
A atmosfera sem nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 52 unidades;
Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 7 unidades e a Terra absorve 23 unidades.
A atmosfera sem nuvens absorve 22 unidades.
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Balanço energético do sistema “Terra + atmosfera”
A atmosfera sem nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 52 unidades;
Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 7 unidades e a Terra absorve 23 unidades.
A atmosfera sem nuvens absorve 22 unidades (52-7-23 = 22).
A atmosfera com nuvens é atingida pela radiação solar correspondente a 43 unidades;
Dessa quantidade de radiação reflectem-se para o espaço 17unidades e a Terra absorve 22 unidades.
A atmosfera com nuvens absorve 4 unidades (43-17-22 = 4).Anjo Albuquerque
A quantidade de radiação
enviada pelo Sol para a
superfície terrestre é de 5
unidades;
O solo da Terra absorve 44
unidades (5+23 +22-6 =44).
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Anjo Albuquerque
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44 unidades são absorvidas pelo solo
Balanço energético do sistema “Terra + atmosfera”
30 unidades são reflectidas para o espaço
7 unidades na atmosfera s/ nuvens;
17 na atmosfera c/ nuvens;
6 unidades no solo.
26 unidades são absorvidas pela atmosfera
22 unidades na atmosfera s/ nuvens;
4 na atmosfera c/ nuvens;
Anjo Albuquerque
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Os valores dependem
um pouco da fonte
que se consulta.
Balanço energético do sistema “Terra + atmosfera”
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Exercício
Aberto
receptor fonte
igual
radiação
absorvida
aumentar
Lua
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Emissão e absorção de radiação
Anjo Albuquerque
O Sol altera a temperatura da Terra porque esta absorve parte da
radiação que ele emite;
A radiação que incide num corpo pode ser absorvida, reflectida
ou transmitida, verificando-se a lei da conservação da energia;
1 = + +
- factor de absorção
- factor de reflexão
- factor de transmissão
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Emissão e absorção de radiação
Não é fácil de detectar a energia irradiada pela Terra;
A radiação solar que incide na superfície terrestre é,
principalmente, absorvida pelos materiais sólidos e pela água;
Anjo Albuquerque
Durante a emissão e absorção de radiação pelos corpos há
transferência de energia radiante;
A soma das fracções da radiação incidente que é absorvida ( ) com
a que é reflectida ()e com a que é transmitida () tem que ser igual à
unidade (energia incidente).
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Radiação Térmica
Todos os corpos irradiam energia. Um corpo cuja temperatura seja superior
ao zero absoluto emite radiação electromagnética – radiação térmica.Anjo Albuquerque
O zero absoluto, ou zero kelvin (0 K), corresponde à temperatura
de -273,15 °C ou -459.67 °F
Os corpos emitem
radiação (ondas
electromagnéticas)
em consequência da
agitação térmica dos
seus átomos,
moléculas ou iões. A
frequência e
amplitude da
radiação emitida
depende da
amplitude e
frequência das
vibrações das
partículas que os
constituem.
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Absorsores e emissores de radiação
Um corpo com boas características emissoras, num dado comprimento
de onda, é também um bom absorsor ou absorvedor no mesmo
comprimento de onda;
Maus emissores, num dado comprimento de onda, são também maus
absorsores no mesmo comprimento de onda;
As superfície brancas e as brilhantes (ou prateadas) são más absorsoras
da radiação na zona do vísivel mas são boas absorsoras na zona do
infravermelho. São as superfícies que reflectem mais essa radiação.
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•As casas alentejanas e algarvias
são tradicionalmente caiadas de
branco.
•As roupas no deserto são claras.
•O Hubble é prateado.
Absorsores e Emissores de
radiação/cor dos corpos
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Poder de absorção de diferentes superfícies
Faz incidir a luz emitida por uma lâmpada de incandescência sobre
uma das faces do cubo de Leslie. Mede a temperatura do ar no
interior do cubo à medida que o tempo decorre.
A elevação de temperatura é
maior na face preta que na
face branca.A elevação de temperatura é
maior na baça que na face
polida.
A face preta tem maior poder de
absorção da radiação vísivel que
a face branca.
A face baça tem maior poder de
absorção da radiação vísivel que
a face polida.
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Poder de absorção de diferentes superfícies
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Relação entre a temperatura do corpo e a sua cor
Dados experimentais
À temperatura ambiente os corpos emitem radiação electromagnética
denominada – radiação térmica.
O comprimento de onda da radiação emitida diminui à medida que a
temperatura aumenta.
A radiação emitida pode situar-se em diferentes zonas do espectro
electromagnético dependendo da temperatura do corpo.
A cor pode variar de amarelo a laranja ou azul dependendo da temperatura
do corpo.
Quanto mais elevada for a temperatura de um corpo mais o espectro da
radiação por ele emitida é rico em frequências mais elevadas.
O espectro da radiação emitida pelo corpo humano (37º C), situa-se
maioritariamente na zona do IV.
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Temperatura/cor/comprimento de onda
Amararelo Laranja Azul
Comprimento de onda diminui
800 ºC 4 000 ºC 10 000 ºC
Frequência aumenta
IV Visível UV
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Lei de Stefan-Boltzmann
1844-1906
Físico Austriaco que formulou a segunda lei da termodinâmica.
A lei de Stefan-Boltzmann tinha sido descoberta experimentalmente
pelo seu mestre, Josef Stefan (1835-1893).
A potencia total irradiada (P) por uma superfície é
directamente proporcional á sua área e à quarta
potência da sua temperatura absoluta.
P = σeAT4
Ludwig BoltzmannP – potencia total emitida em todas as frequências;
A – área da superfície irradiadora;
T – temperatura absoluta a que o corpo se encontra;
– constante universal, constante de Stefan- Boltzmann;
e – emissividade do material.
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Lei de Stefan-Boltzmann
A intensidade total da radiação emitida por um corpo negro
varia com a quarta potência da sua temperatura absoluta.
P = σeAT4
= 5,67 x 10-8 W/(m2K4)
A ”área” por baixo da curva
dá a intensidade total da
radiação emitida
I = σT4
Anjo Albuquerque
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Corpo negro
Não existe na natureza um emissor perfeito.
Os físicos usam um modelo para caracterizar um radiador
ideal – o corpo negro.
Um corpo negro absorve toda a radiação que nele incide,
não reflecte nem transmite (= 1, = 0, = 0). Dado que e =
, um corpo negro emite, a qualquer temperatura, a
quantidade máxima possível de radiação, em todos os λ.
Qualquer superfície coberta de negro é um exemplo
aproximado de corpo negro.
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Emissividade
Em física, emissividade é a relação entre o poder emissivo de um
corpo qualquer e a de um corpo negro.
É conhecida como emissividade ε ou e, e pode ter um máximo igual a
1, que é correspondente à emissividade de um corpo negro, e um mínimo
igual a zero (um espelho).
A emissividade representa a maior ou menor tendência que um
determinado corpo tem em emitir radiação relativamente a um emissor
perfeito.
O poder de emissividade está associado à natureza do corpo, à área
exposta e à temperatura absoluta a que se encontra.
Anjo Albuquerque
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Tabelas de emissividades de diferentes materiais
Anjo Albuquerque
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Falso ou verdadeiro?
V
V
F
F
F
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
Há uma proporcionalidade inversa entre o comprimento de
onda correspondente ao máximo (λmax) da radiação emitida
e a temperatura do corpo negro (T).
λmax x T = constante constante = 2,898 x 10-3 m K
À medida que a temperatura diminui,
o pico da curva da radiação de um
corpo negro desloca-se para menores
intensidades e comprimentos de onda
maiores. O gráfico de emissão de
radiação de um corpo negro também é
comparado com o modelo clássico de
Rayleigh e Jeans.
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
Permite concluir:
Qualquer que seja temperatura a que se encontrem, os corpos
emitem radiação em todas as frequências, no entanto existe uma
zona em que emitem com intensidade máxima.
Esta zona não é sempre a mesma desloca-se para menores
comprimentos de onda (λ) à medida que a temperatura do corpo
aumenta.
Os corpos a temperatura mais elevada irradiam mais energia do
que os que se encontram a temperatura mais baixa e têm o seu
máximo de emissão a menores comprimentos de onda.
A este fenómeno foi dado o nome de deslocamento de Wien.
Anjo Albuquerque
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Em que zona do espectro é máxima a potência
irradiada pelo Sol (considerado um corpo negro)?
Deslocamento de Wien
A temperatura da fotosfera do Sol é, aproximadamente, 6000 K.
De acordo com o deslocamento de Wien o comprimento de onda
máximo é:
A radiação com este comprimento de onda localiza-se na zona do
vísivel do espectro electromagnético, nomeadamente no verde. É
nesta nesta zona que é máxima a potência irradiada pelo Sol.
λmax = 5 x 10-7 m
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
O Sol emite energia radiante
predominantemente na zona
do vísivel - por isso o vemos
Anjo Albuquerque
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Deslocamento de Wien
Em que zona do espectro é máxima a potência irradiada
pelo Terra (considerada um corpo negro)?
λmax = 1 x 10-5 m
A temperatura à superfície da Terra é cerca de 288 K.
De acordo com o deslocamento de Wien o comprimento de onda máximo
da radiação emitida pela Terra é:
A radiação com este comprimento de onda localiza-se na zona
infravermelha do espectro electromagnético. É a zona onde é
máxima a potência irradiada pela Terra.
A terra emite essencialmente
na gama do IV
Anjo Albuquerque
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Exercício
1 . Por que motivo os chocolates estão, geralmente,
revestidos por papel de estanho prateado?
2. Em que zona do espectro é máxima a potência
irradiada por um corpo à temperatura de 2000 K?
O conjunto dos valores de todas as propriedades de um sistema denomina-se estado do
sistema. Dois sistemas estarão no mesmo estado se os valores de todas as suas
propriedades forem iguais. Se o valor de uma das propriedades for diferente, eles não
estarão no mesmo estado. Não é necessário medir os valores de todas as propriedades
para saber o estado do sistema. Basta conhecer os valores de algumas delas. Todas as
outras poderão ser calculadas a partir destas propriedades conhecidas, que, por isto,
passam a serem chamadas variáveis termodinâmicas.
Informação prévia
Anjo Albuquerque
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Sistema Termodinâmico - Exemplos
A termodinâmica estuda, em geral, transferências de energia entre
sistemas, ao nível macroscópico.
São constituídos
por um número
muitíssimo grande
de corpusculos por
isso não se podem
desprezar as
variações de
energia interna que
neles ocorrem.
Anjo Albuquerque
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Sistema Termodinâmico
Estado termodinâmico - é cada uma das situações diferentes em
que um sistema se pode encontrar.
Cada estado caracteriza-se pelas suas variáveis termodinâmicas:
pressão;
temperatura;
volume;
Variáveis termodinâmicas - podem depender:
Unicamente do estado em que se encontra o sistema
Dependem também da história do sistema (transformações que
ocorreram até chegar ao estado actual.
Anjo Albuquerque
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Sistema Termodinâmico
Variáveis de estado ou propriedades do sistema - variáveis
termodinâmicas que só dependem do estado do sistema.
Exemplo: energia interna.
Num balão com gás a pressão e o volume
são variáveis de estado.
Se houver outra variável de estado, como
a temperatura, ela terá que ser
relacionada com a pressão e o volume.
A pressão o volume e a temperatura são as variáveis de estado mais
apropriadas para definir o estado de sistemas gasosos e líquidos.
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio térmico
e lei zero da Termodinâmica
Quando todos os
corpos estão em
equilibrio térmico, as
suas temperaturas
são iguais.
Lei zero da termodinâmica – Se dois
sistemas estiverem em equilíbrio
térmico com um terceiro, também
estão em equilíbrio térmico entre si.
Anjo Albuquerque
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Como se atigem os estados de equilíbrio?
Sistema
Estado 1
Vizinhança
Sistema
Estado 2
Vizinhança
Processo
O estado 1 (estado inicial) é caracaterizado pelo conjunto de variáveis
de estado X que a pós a troca de energia com a sua vizinhança origina
o estado 2 (estado final) Y.
Processo – variação de um estado termodinâmico para outro.
Durante o processo ocorrem transformações no sistema.
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio Termodinâmico?
Quando se atingem,
simultaneamente, todos os equilíbrios
entre o sistema e a sua vizinhança.
Anjo Albuquerque
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Tipos de equilíbrio
Mecânico
Químico
Térmico
Se os
sistemas
estiverem
em
contacto
térmico
Se houver
transferência de
corpúsculos entre
sistemas reagentes
Se os sistemas
interactuarem
mecanicamente,
realizando
trabalho
Anjo Albuquerque
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O equilíbrio térmico
Anjo Albuquerque
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O equilíbrio térmico e a radiação
Colocar as três latas num recipiente
térmicamente isolado.
Ao fim de algum tempo estão todos à
mesma temperatura.
No entanto todos os corpos continuam a
irradiar energia.
Ou seja, a potência irradiada (emissão) por um corpo
é igual à potência que esse corpo absorve (absorção)
da sua vizinhança como radiação.
As respectivas taxas de absorção e
de emissão de radiação são iguais.
Anjo Albuquerque
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Exercício
1 . Um rapaz aqueceu uma barra de ferro
com a massa de 0,5 kg.
Em seguida, arrefeceu-a, mergulhando-a
num recipiente com 8 kg de água a 30 ºC.
O equilibrio térmico foi atingido a 34º C.
A que temperatura foi aquecida a barra de
ferro?
cferro = 0,46 x 103 J/(kg ºC)
cágua = 4,2 x 103 J/(kg ºC)
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio Terra-Atmosfera
O clima terrestre é controlado:
Radiação solar incidente.
Quantidade de energia absorvida.
A temperatura média da Terra permanece ± constante.
Em equilíbrio térmico quase estável (as alterações das
variáveis de estado são suficientemente pequenas) há um
balanço entre a energia solar absorvida e a energia de
radiação emitida pela superfície da Terra e pela atmosfera,
caso contrário, a temperatura média da Terra variava.
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio radiactivo da Terra
A potência radiante do sol numa superfície perpendicular ao
feixe solar na órbita da Terra é aproximadamente:
P = 1370 W/m2
Constante solar
“Equilíbrio radiactivo“ – “equilíbrio global da
radiação da Terra” corresponde, num modelo simples,
ao balanço da energia correspondente à radiação que
chega à superfície da Terra e à que é emitida por ela.
Anjo Albuquerque
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Equilíbrio radiactivo da Terra
Constante solar efectiva do sistema solar “Terra-
atmosfera” (é ¼ da constante solar); a unidade
de área do sistema “Terra-atmosfera”
absorve, em média este valor.
Em equilibrio térmico cada unidade de área do
sistema reenvia para o espaço o mesmo valor
de potência.
Potência por unidade de área
reflectida pelo planeta (30% da
radiação incidente)
Radiação que a superfície terrestre
reemite na zona IV do espectro.
Anjo Albuquerque
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Balanço energético global da Terra
Anjo Albuquerque
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Balanço energético global da Terra
A potência média, por unidade de área, irradiada para o espaço
pelo sistema “Terra – atmosfera”, na zona infravermelha do
espectro electromagnético, é de . Esta potência
permite determinar a temperatura média do sistema.
P = σeAT4
Considerando que a Terra se comporta
como um corpo negro, isto é e = 1.
Anjo Albuquerque
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Balanço energético global da Terra
T = 255 KTemperatura média de equilíbrio
radiativo do sistema Terra-atmosfera
T = 288 K Valor real
Valor calculado
Anjo Albuquerque
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Balanço energético global da Terra
Interpretação
T = 288 K•O vapor de água e o dióxido de carbono troposférico (principais gases de
estufa) absorvem a radiação infravermelha.
•Os gases de estufa irradiam a energia absorvida, que volta para a Terra
antes de ser novamente reemitida.
•A radiação permanece mais tempo no sistema “Terra” – é daí que resulta
o efeito de estufa, isto é, o diferencial de 33 K correspondente à diferença
entre as temperaturas médias à superfície terrestre e do sisrtema “Terra-
atmosfera”.
•É o efeito de estufa que faz com que a superfície terrestre seja 33 K mais
quente do que seria previsível.
T = 255 K
Anjo Albuquerque
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Balanço energético global da Terra
Interpretação
•O efeito de estufa é essencial para a vida na Terra.
•O efeito de estufa tem vindo a aumentar nas últimas décadas
provocando uma alteração do clima na Terra.
Causas•Aumento muito rápido da concentração de
dióxido de carbono na atmosfera – excessivo
consumo de combustíveis fósseis, incêndios
florestais e destruição contínua das florestas
mundiais.
Soluções•Redução do consumo de combustíveis fósseis;
utilização de fontes de energia renováveis.
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•Os colectores solares térmicos
absorvem a radiação solar
incidente numa superfície
aumentando a sua energia interna.
Colectores solares térmicos
A radiação solar na produção de energia eléctrica
colector solar
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Constituição
Cobertura de vidro; placa de absorção; caixa isoladora para evitar perdas de calor;
serpentina de tubos soldada à placa de absorção.
A radiação solar na produção de energia eléctrica
colector solar
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Funcionamento
A radiação solar incide no vidro da cobertura, depois propaga-se até atingir a placa
absorsora e esta aquece. A placa aquecida emite radiação; parte desta não consegue
atravessar o vidro e fica retida na caixa do colector, aumentando a temperatura do fluído
térmico. O fluído que circula na serpentina é aquecido pela placa de absorção, podendo
atingir facilmente os 60ºC.
Utilização
Aquecer águas sanitárias e piscinas, produção de vapor de água para
produção de energia eléctrica.
A radiação solar na produção de energia eléctrica
colector solar
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
Painéis fotovoltaicos
•Transformam directamente a energia solar em energia eléctrica
num dispositivo denominado célula fotovoltaica.
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
Anjo Albuquerque
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
célula
módulos
painel
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
Efeito fotovoltaico – fenómeno
físico pelo qual a radiação solar
dá origem a uma diferença de
potencial eléctrico.
ocorre nos semicondutores de silício
Constituição de um semicondutores de silício
Anjo Albuquerque
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
•Cada semicondutor de Si é constituído por duas partes; uma n e outra p
unidas por uma junção p-n.
•A parte de Si tipo n chama-se emissor.
•A luz solar penetra no semicondutor atravessando a parte de tipo n; tem
uns contactos metálicos em forma de “pente”; é revestida por material
anti-reflector que máximiza a percentagem de energia solar absorvida.
•O movimento dos electrões através da junção p-n dá origem a uma
diferença de potencial entre os terminais da célula fotovoltaica.
•Esta comporta-se como um gerador de tensão eléctrica.
•Quando a luz incide na célula instalada num circuito eléctrico fechado,
este é atravessado por corrente eléctrica.
Anjo Albuquerque
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
•Os fotões (com energia suficiente) incidem na célula, criam electrões de
condução que são absorvidos pelo semicondutor de silício. Estes
electrões atravessam a junção p-n, ocupando lacunas disponíveis.
•O campo eléctrico criado origina uma diferença de potencial
responsável pelo movimento dos electrões (corrente eléctrica) que
percorre o circuito fechado.
•A corrente eléctrica transporta energia, conseguindo pôr em
funcionamento dispositivos eléctricos.
•Os painéis fotovoltaicos foram inicialmente desenvolvidos para produzir
electricidade nos satélites artifíciais.
•A comercialização da tecnologia fotovoltaica iniciou-se na decada de 70
do séc. XX.
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A radiação solar na produção de energia eléctrica
painel fotovoltaico
A sua montagem é
ainda cara.
O máximo rendimento de um painel fotovoltaico consegue-
se quando este está orientado de forma a receber a máxima
radiação incidente: orientado para Sul (para quem vive no
hemisfério norte) e inclinado segundo um ângulo
aproximadamente igual á latitude do lugar.
Os painéis fotovoltaico são
uma fonte de energia não
poluente.
Estão dependentes
da insolação do
local onde estão
instalados.
A radiação electromagnética
é convertida em energia
eléctrica.
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Potência Máxima num painel fotovoltaico
A resistência exterior
de 16,3889 Ω optimiza
o rendimento do painel
fotovoltaico, que
corresponde a uma
potência máxima de
0,0053100 W.
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Potência Máxima num painel fotovoltaico
Os painéis fotovoltaicos
devem funcionar sempre
no ponto de potência
máxima
Anjo Albuquerque
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Potência Máxima num painel fotovoltaico
Quando a incidência da radiação é perpendicular ao
painel fotovoltaico, a potência máxima é maior.
Quanto maior a inclinação do feixe de luz em relação ao
painel, menor será a potência e menor será a intensidade
da corrente eléctrica produzida pelo painel fotovoltaico.
Quanto menor a intensidade da luz incidente menor a potência
e menor a intensidade da corrente produzida pelo painel
fotovoltaico .
Anjo Albuquerque
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EXERCÍCIO
Anjo Albuquerque
67
EXERCÍCIO
Anjo Albuquerque
68
EXERCÍCIO
Anjo Albuquerque
69
EXERCÍCIO
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70
EXERCÍCIO