energia no aqueciemnto de sistemas

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


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.



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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.



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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.



7

Alguns exemplos do quotidiano:



8

As correntes de convecção na Atmosfera


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 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.



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.



• 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:



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:


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


COLETOR SOLAR

Os coletores solares aproveitam a radiação solar para aquecer

fluidos, que são normalmente água ou ar.


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


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


• 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


• Caixa com isolamento que evita transferências de energia por calor; dá rigidez ao

coletor e protege-o dos agentes atmosféricos.

COLETOR SOLAR


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.


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.


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


PAINEL FOTOVOLTAICO


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:


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



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?



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.



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.



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?



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.



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.



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.



BALANÇOS ENERGÉTICOS E PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA


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.




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.




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.


ALGUMAS SITUAÇÕES EM QUE A VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA SE FAZ À

CUSTA DE CALOR E TRABALHO


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


CAPACIDADE TÉRMICA MÁSSICA E

VARIAÇÃO DE ENTALPIA


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



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.



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.



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.



VARIAÇÃO DE ENTALPIA



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.


Aumento de entropia

Diminuição da energia

útil

Rendimento inferior a

100%

energia no aqueciemnto de sistemas

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