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1. ENERGIA – DO SOL PARA A TERRA

Escola Secundária Maria Lamas – Torres NovasFísica e Química A – 10º AnoNelson Alves Correia

FÍSICA – UNIDADE 1 – DO SOL AO AQUECIMENTO

OBJECTIVOS

Explicar o fenómeno de manutenção da temperatura médiada Terra.

Indicar que todos os corpos irradiam energia.

Reconhecer e interpretar a Lei de Stefan-Boltzmann.

Identificar e explicar o deslocamento de Wien.

Relacionar as zonas do espectro em que é máxima a potência irradiada pelo Sol e pela Terra com as respectivas temperaturas.

Identificar um sistema termodinâmico.

Identificar e caracterizar situações de equilíbrio térmico.

Explicitar o significado da Lei Zero da Termodinâmica.

Determinar a temperatura média de equilíbrio radiativo da Terra como um todo e interpretar o valor real da sua temperatura média.

Interpretar o papel fundamental da utilização da energia solar na sociedade actual.

OBJECTIVOS

CONTEÚDOS

Balanço Energético da Terra

Emissão e Absorção de Energia

Corpo Negro

Lei de Stefan-Boltzmann

Deslocamento de Wien

Sistema Termodinâmico

Lei Zero da Termodinâmica

Temperatura Média de Equilíbrio Radiativo da Terra

Energia Solar: Colector Solar e Painel Fotovoltaico


O Sol é a principal fonte de energia da Terra.

Esta energia (na forma de radiação electromagnética)é necessária para a vida e o aquecimento da Terra.

Se a Terra absorvesse toda a radiação solar, a sua temperatura aumentava muito e não era possível existir vida.

A temperatura média à superfície da Terra é de 15 ºC (288 K)e este valor tem estado constante (não aumentou).

Isto acontece porque a Terra absorve energia do Sol,mas também emite energia.

Quando a radiação solar chega à Terra:

30% é reflectida para o espaço, pela atmosfera (24%)e pela superfície (6%);

26% é absorvida pelos gases da atmosfera;

44% é absorvida pela superfície (solo e água).

A reflexão é maior e a absorção é menor quando a atmosfera tem nuvens.


A radiação solar que atinge a superfície da Terra aumenta a sua energia interna e a sua temperatura.

A superfície da Terra emite radiação infravermelha.

A maior parte da radiação emitida pela superfície é absorvida pelos gases da atmosfera (principalmente o vapor de água e o CO2, que estão na troposfera e que são gases de estufa).

Estes gases emitem a radiação absorvida para a superfície da Terra e para o espaço.

A restante radiação emitida pela superfície perde-se no espaço.


A quantidade de energia que é emitida para o espaço pela atmosfera e pela superfície é cerca de 70% da energia da radiação solar que chega à Terra.

Juntando estes 70% aos 30% que são reflectidos para o espaço, pela atmosfera e pela superfície, verifica-se que:a quantidade de energia solar que a Terra recebe é igual à quantidade de energia reflectida e emitida para o espaço.



Assim, a Terra está em equilíbrio térmico com o espaço, e por isso a sua temperatura média é constante (15 ºC).

Absorção e Emissão de Energia

A absorção, reflexão e emissão de radiação dependem da superfície (forma e tipo de material).

Poder de absorção - Capacidade que um corpo tem para absorver radiação.

Poder de emissão ou emissividade (e) - Capacidade que um corpo tem para emitir radiação. Pode ter valores entre 0 e 1.


Os corpos que não emitem radiação têm emissividade zero.

Os corpos que emitem o máximo de radiação a uma dada temperatura têm emissividade um.

Quando um corpo absorve e emite radiação no mesmo comprimento de onda:Um baixo poder de absorção → Um baixo poder de emissãoUm alto poder de absorção → Um alto poder de emissão

Cubo de Leslie - Cubo com 4 superfícies diferentes (preta, branca, polida e baça) e um termómetro, que mede o aumento da temperatura do cubo ao longo do tempo, quando uma das superfícies absorve radiação visível.


O aumento da temperatura do cubo é maior quando as superfícies preta e baça são iluminadas.

Quanto maior for o aumento da temperatura num corpo, devido a uma radiação, maior é o seu poder de absorçãoe o seu poder de emissão para essa radiação.


A superfície preta absorve muita radiação visível, aquece maise emite radiação infravermelha. É um bom absorsor de radiação visível e um bom emissor de radiação infravermelha.

A superfície branca absorve pouca radiação visível (reflecte a maior parte e aquece menos) e emite radiação infravermelha.


Corpo Negro

Os corpos não absorvem toda a radiação que incide sobre eles.

Corpo negro – Corpo teórico que absorve e emite toda a radiação incidente. Tem emissividade 1 e é um emissor perfeito (emite a máxima radiação possível à temperatura a que se encontra).

Potência irradiada – Energia emitida por um corpo em cada unidade de tempo.

Para uma dada temperatura, a maior potência irradiada, por unidade de área, é a do corpo negro.


Lei de Stefan-Boltzmann – A potência total irradiada por uma superfície é directamente proporcional à área da sua superfície e à quarta potência da sua temperatura absoluta:

Quando um corpo absorve energia de uma radiação, a sua temperatura e a sua potência irradiada aumentam.


Os corpos emitem radiação a qualquer temperatura,mas para cada temperatura há um comprimento de ondaem que emissão de radiação é máxima.

Deslocamento de Wien – O comprimento de onda (máx) do máximo de radiação emitida pelo corpo desloca-se para valores menores quando a temperatura (T) aumenta:

Se máx diminui → A temperatura aumentaSe máx aumenta → A temperatura diminui

Um corpo quente emite radiação com uma potência maiordo que um corpo frio, mas o comprimento de onda da radiação máxima emitida é menor.

Se a radiação emitida for visível, a sua cor corresponde à da radiação máxima (máx).

A cor da radiação emitida varia com a temperatura do corpo.

Quando um corpo aquece e emite luz visível, a temperatura aumenta e máx diminui. A cor da radiação emitida muda de vermelho, para amarelo e depois para azul esbranquiçado.


O deslocamento de Wien permite relacionar as zonas do espectro, em que é máxima a potência irradiada pelo Sol e pela Terra (máx), com as suas temperaturas.

O Sol apresenta uma temperatura de cerca de 5780 K.Pelo deslocamento de Wien:

Este comprimento de onda corresponde à potência máxima emitida pelo Sol e localiza-se na zona da luz visível do espectro electromagnético.


A Terra apresenta uma temperatura de cerca de 288 K (15 ºC).

Pelo deslocamento de Wien:

Este comprimento de onda corresponde à potência máxima emitida pela Terra e localiza-se na zona do infravermelho do espectro electromagnético.


O deslocamento de Wien permite relacionar a cor (máx)de uma estrela com a sua temperatura à superfície:

Uma estrela vermelha emite mais radiação vermelha(máx maior) e tem uma temperatura menor;

Uma estrela amarela emite a mesma energia em todo o espectro visível;

Uma estrela azul emite mais radiação azul (máx menor) e tem uma temperatura maior.


Sistema termodinâmico – É um sistema em que ocorrem transferências de energia entre outros sistemas e em que se verifica a variação da energia interna do sistema. Obedece às leis da termodinâmica.

Tipos de sistemas termodinâmicos:

Sistema Termodinâmico


Lei Zero da Termodinâmica - Dois sistemas em equilíbrio térmico (com a mesma temperatura), em contacto com um terceiro sistema, estão também em equilibrio térmico entre si.

Ocorre uma transferência de energia entre os corpos, do mais quente para o mais frio, até que todos os corpos apresentam a mesma temperatura (até que se atinja o equilíbrio térmico).

Quando os corpos estão em equilibrio térmico,a energia que eles absorvem é igual àenergia que emitem.

Os corpos colocados no mesmo local têmtodos a mesma temperatura, que é igual à temperatura do meio que os rodeia.

Temperatura Média de Equilíbrio Radiativoda Terra

A Terra absorve e emite energia e encontra-se em equilíbrio térmico (equilíbrio radiativo) com a sua vizinhança.

A sua temperatura média à superfície é constante (15 ºC), porque a potência da radiação do Sol que a Terra absorve é igual à potência da radiação emitida pela Terra (a taxa de absorção de radiação é igual à taxa de emissão de radiação).


O Sol é uma fonte de energia gratuita, limpa (não polui) e renovável (não se esgota).

A energia do Sol deve ser aproveitada de modo a diminuir alguns dos problemas de poluição e de diminuição de reservas dos combustíveis fósseis.

Pode ser aproveitada para o aquecimento de fluidos(painel solar térmico ou colector solar) e a produção deenergia eléctrica (painel fotovoltaico).

Os colectores solares são muito utilizados em edifícios e piscinas para aquecer água.

Possuem tubos em contacto com uma superfície receptora negra, coberta por uma ou mais placas de vidro, que actuam como estufas.

A radiação solar é absorvida pela superfície negra, que aquece e transfere a energia na forma de calor para o tubo com o fluido.

A energia interna do fluido aumenta, o que provoca o aumento da sua temperatura.


Os painéis fotovoltaicos são constituídos por células fotovoltaicas que produzem energia eléctrica a partir da radiação solar, devido ao efeito fotovoltaico.

Estas células são formadas por materiais semicondutores(silício ou o germânio).

São utilizados como fontes de energia eléctrica para aparelhos eléctricos e electrónicos.

Os colectores solares e os painéis fotovoltaicos têm a desvantagem de não funcionarem nos dias de mau tempoe à noite.


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