diapositivo 1 - física e química aquecimento_1.pdf · 2015-04-25 · qualquer superfície coberta...
TRANSCRIPT
10-04-2015
1
Sumário
Do Sol ao “Aquecimento” – Unidade temática 1
Energia – do Sol para a Terra
• A energia que vem do Sol.
• Balanço energético da Terra.
• Emissão e absorção de energia.
Aplicações – Energia que vem do Sol.
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia do Sol para a Terra
Energia – do Sol para a Terra
O Sol é a principal fonte de energia do sistema solar, liberta grandes quantidades de
radiação eletromagnética para o espaço.
08/04/2015
10-04-2015
2
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia do Sol para a Terra
Energia – do Sol para a Terra
Se a Terra absorvesse toda a radiação solar que nela incide, ficaria cada vez mais quente e
a sua temperatura média atingiria valores elevadíssimos. O nosso planeta seria vaporizado!
Mas, isto não sucede porque a Terra também reemite energia para o espaço.
08/04/2015
10-04-2015
3
Do Sol ao aquecimento
Balanço energético da Terra
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
10-04-2015
4
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
A potência absorvida pela atmosfera corresponde a cerca de 356 W m-2:
1370 = 0,26 ou seja cerca de 26%
356
1370 = 0,70 ou seja cerca de 70%
959
O aumento da energia interna da Terra por unidade de área e de tempo é cerca de 959 W m-2 corresponde a 70%:
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Radiação eletromagnética
Energia – do Sol para a Terra
Vimos que o principal fornecedor de energia da Terra é o
Sol. Mas existindo tantas formas de energia, que tipo de
energia recebemos do Sol?
O Sol transfere energia através da luz que nos envia, ou
seja, por radiação.
Características da radiação eletromagnética:
08/04/2015
10-04-2015
5
Do Sol ao aquecimento
Espectro eletromagnético
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Absorção, reflexão e transmissão de radiação
Energia – do Sol para a Terra
A matéria pode emitir e absorver energia
na forma de radiação eletromagnética.
A absorção, a reflexão e a transmissão de
radiação depende da superfície em que a
radiação incide.
Ou seja, depende da forma e da natureza
da superfície, há superfícies que são
melhores emissoras/absorsoras de
radiação do que outras.
08/04/2015
10-04-2015
6
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Absorção, reflexão e transmissão de radiação
Energia – do Sol para a Terra
Energia transportada pela radiação incidente (E)
= energia da radiação absorvida (Ea) +
energia da radiação refletida (Er) +
energia da radiação transmitida (Et)
1 = + +
As frações correspondentes à energia absorvida, à refletida e à transmitida designam-
se por absorvidade ou poder de absorção, , refletividade ou poder de reflexão, , e
transmissividade ou poder de transmissão, , que são traduzidas pelas seguintes
relações:
E = Ea + Er + Et
De acordo com a lei da conservação da energia vem:
08/04/2015
10-04-2015
7
Do Sol ao aquecimento
Emissão e absorção de energia
Energia – do Sol para a Terra
1 = + +
As frações de energia incidente que são absorvida, refletida e transmitida dependem:
- das propriedades do corpo sobre a qual a radiação incide; (material de que é feito, espessura, acabamento da superfície)
a) Um corpo opaco a uma certa radiação não a transmite ( = 0), apenas a absorve ou reflete (1 = + ).
b) Um corpo opaco ( = 0) e não refletor ( = 0) de uma dada radiação apenas a absorve (1 = ).
Ex: um pedaço de madeira pintado de negro é opaco à radiação visível, reflete-a muito pouco e absorve-a muito ( 1).
- da frequência da radiação.
(um corpo pode absorver mais radiação de uma certa frequência e absorver pouco de outras)
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Poder de emissão ou emissividade, e
Energia – do Sol para a Terra
Poder de emissão ou emissividade, (e)
é um fator numérico que depende da natureza da
superfície dum corpo emissor.
A emissividade é a razão entre a radiação emitida
pela superfície dum corpo e a emitida por um
corpo negro à mesma temperatura.
O valor da emissividade está compreendido entre 0
e 1.
Se um corpo tiver um baixo poder de absorção irá
ter, também um baixo poder de emissão (ou
emissividade). O inverso também é verdadeiro.
08/04/2015
10-04-2015
8
Do Sol ao aquecimento
Poder de emissão de um corpo ou emissividade, e
Energia – do Sol para a Terra
Vejamos o que acontece quando a mesma radiação incide
sobre duas superfícies diferentes, por exemplo, uma
branca e uma preta.
A emissividade é a tendência que um corpo tem para emitir radiação. Depende da
natureza das superfícies e toma valores entre 0 e 1.
Por convenção, os corpos que não emitem nenhuma radiação têm emissividade zero,
enquanto os corpos que emitem toda a radiação que absorveram têm emissividade um.
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
08/04/2015
10-04-2015
9
Do Sol ao aquecimento
Poder de emissão dum corpo
Energia – do Sol para a Terra
O Cubo de Leslie é um cubo com 4 faces
diferentes: preta, branca, polida e baça.
Estas faces permitem comparar o poder
de absorção das diferentes superfícies,
em função do tempo, quando sobre elas
incide radiação visível.
Exemplo:
Se enchermos uma lata, em forma de cubo, com água a 100⁰C, sendo uma das faces
clara e brilhante e uma outra baça e negra, a quantidade de energia emitida pela face
negra é superior à que é emitida pela face clara, embora estejam à mesma temperatura.
08/04/2015
Do Sol ao aquecimento
O corpo negro
Energia – do Sol para a Terra
Nenhum corpo real absorve toda a radiação que incide sobre ele.
Existe, no entanto, um corpo hipotético – o corpo negro – que absorve toda a radiação
que sobre ele incide, não reflete nem transmite ( = 1, = 0, = 0).
Dado que e = , um corpo negro emite, a qualquer temperatura, a quantidade máxima
possível de radiação, em todos os comprimentos de onda: tem emissividade 1, sendo
considerado um emissor perfeito.
Para uma dada temperatura, a maior potência irradiada, por unidade de área, é a do
corpo negro.
Qualquer superfície coberta de negro é um exemplo aproximado
de um corpo negro – a fuligem, é o exemplo que melhor se lhe
aproxima, tem uma emissividade de 97%.
08/04/2015
10-04-2015
10
Sumário
Do Sol ao “Aquecimento” – Unidade temática 1
Energia – do Sol para a Terra
Continuação da lição anterior.
• Lei de Stefan-Boltzmann.
• Deslocamento de Wien.
Resolução de exercícios: APSA 1.1.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Lei de Stefan-Boltzmann
Energia – do Sol para a Terra
Quando se faz incidir radiação sobre um
corpo a sua temperatura aumenta.
A essa subida de temperatura
corresponde um aumento da potência
irradiada.
Em 1879, Josef Stefan descobriu,
experimentalmente, que todos os
corpos emitem energia com uma dada
potência.
Mais tarde, em 1884, Ludwig Boltzmann
demonstrou teoricamente esta relação.
10/04/2015
10-04-2015
11
Do Sol ao aquecimento
Lei de Stefan-Boltzmann
Energia – do Sol para a Terra
Definição:
A potência total irradiada por uma superfície é diretamente proporcional à
sua área e à quarta potência da sua temperatura absoluta.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Lei de Stefan-Boltzmann
Energia – do Sol para a Terra
A expressão matemática que traduz a lei é:
Onde : Unidade SI
P – potência irradiada ( W )
– constante de Boltzmann (= 5,67 x 10-8) ( W m-2 K-4 )
e – emissividade adimensional
A – Área da superfície ( m2 )
T – Temperatura absoluta ( K )
P = e A T4
10/04/2015
10-04-2015
12
Do Sol ao aquecimento
Intensidade da radiação
Energia – do Sol para a Terra
A intensidade da radiação, define-se com sendo a potência por unidade de área.
I = P/A = E/t A = e T4
= 5,67 x 10-8 W m-2 K-4
Unidade SI de intensidade da radiação: W m-2
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Intensidade da radiação
Energia – do Sol para a Terra
O gráfico ao lado permite conhecer a radiação
emitida num dado comprimento de onda.
A intensidade total da radiação emitida por
um corpo, a uma certa temperatura, é a soma
das intensidades emitidas em cada
comprimento de onda, que é representada
pela área total abaixo da curva.
Como já foi dito anteriormente, a Lei de Stefan-Boltzmann estabelece uma relação
entre a potência total da radiação emitida por um corpo, a temperatura a que se
encontra, a área da sua superfície e a sua emissividade.
P = e A T4
10/04/2015
10-04-2015
13
Do Sol ao aquecimento
Deslocamento de Wien
Energia – do Sol para a Terra
Todos os corpos emitem radiação qualquer que seja a temperatura a que se encontrem.
Contudo, há zonas do espectro eletromagnético em que emitem com uma intensidade
máxima.
Essas zonas não são sempre as mesmas, deslocam-se para os menores comprimentos
de onda à medida que a temperatura aumenta.
A este fenómeno de deslocamento chama-se deslocamento de Wien e representa-se
pela relação:
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Deslocamento de Wien
Energia – do Sol para a Terra
Quanto maior for a temperatura de um corpo, maior
será a intensidade total da radiação emitida, pelo
que o espectro de emissão térmica se modifica.
Da análise da figura podemos ver que:
• o valor máximo da intensidade da radiação (o
máximo da curva) é tanto maior quanto maior for
a temperatura;
• há um deslocamento do máximo da intensidade
da radiação para os menores comprimentos de
onda quando a temperatura aumenta, que se
designa por deslocamento de Wien.
10/04/2015
10-04-2015
14
Do Sol ao aquecimento
Deslocamento de Wien
Energia – do Sol para a Terra
Então, de acordo com o deslocamento de
Wien há uma proporcionalidade inversa
entre o comprimento de onda máximo e a
temperatura do corpo, tal que os corpos
quentes irradiam mais energia do que os
frios, mas fazem-no em zonas de menores
comprimentos de onda.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
10/04/2015
10-04-2015
15
Do Sol ao aquecimento
O espectro eletromagnético e a potência máxima irradiada pelos corpos
Energia – do Sol para a Terra
Como nem todos os corpos emitem energia na mesma gama de frequências.
O deslocamento de Wien relaciona o comprimento de onda para uma dada potência
emitida com a temperatura a que o corpo se encontra. É através deste comprimento de
onda que podemos identificar o tipo de radiação emitida.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
10/04/2015
10-04-2015
16
Do Sol ao aquecimento
O Sol
Energia – do Sol para a Terra
O Sol apresenta uma temperatura efetiva 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
eletromagnético.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Energia – do Sol para a Terra
10/04/2015
10-04-2015
17
Do Sol ao aquecimento
A Terra
Energia – do Sol para a Terra
A Terra apresenta uma temperatura
efetiva de cerca de 288 K, ou seja, 15 ⁰C.
Pelo deslocamento de Wien:
Este comprimento de onda corresponde
à potência máxima emitida pela Terra e
localiza-se na zona de infravermelhos do
espectro eletromagnético.
10/04/2015
Do Sol ao aquecimento
Exercício
Energia – do Sol para a Terra
A figura mostra o espectro de quatro corpos negros
às temperaturas 3000 K, 4000 K, 5000 K e 6000 K.
1. Associe a cada uma das curvas (A, B, C, D) as
temperaturas dadas.
2. Em que corpo é maior a intensidade da radiação
emitida? Justifique.
3. Calcule a intensidade total da radiação emitida
pelo corpo B.
Respostas:
1. A - 6000 K, B - 5000 K, C - 4000 K, D - 3000 K.
2. Para o corpo à temperatura de 6000 K, porque a área por baixo da curva é maior para este caso.
3. I = T4 = 3,54 x 107 Wm-2.
4. máx = 724,5 nm (vermelho, ligeiramente alaranjado).
4. Determine em nanómetros o comprimento de onda para o qual é máxima a
intensidade da radiação emitida pelo corpo C.
10/04/2015
10-04-2015
18
TPC
• Exercícios que ficarem por fazer da APSA 1.1 e Aplicações até ao deslocamento de
Wien inclusive.
10/04/2015