FÍSICA – UNIDADE 1 – DO SOL AO AQUECIMENTO
1. ENERGIA – DO SOL PARA A TERRA
Escola Secundária Maria Lamas – Torres Novas
Física e Química A – 10º Ano
Nelson Alves Correia
OBJECTIVOS
Explicar o fenómeno de manutenção da temperatura média
da 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.
OBJECTIVOS
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.
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
Balanço Energético da Terra
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.
Balanço Energético da Terra
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.
Balanço Energético da Terra
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.
Balanço Energético da Terra
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.
Balanço Energético da Terra
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.
Absorção e Emissão de Energia
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 emissão
Um alto poder de absorção → Um alto poder de emissão
Absorção e Emissão de Energia
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.
Absorção e Emissão de Energia
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 absorção
e o seu poder de emissão para essa radiação.
Absorção e Emissão de Energia
A superfície preta absorve muita radiação visível, aquece mais
e 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
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.
Lei de Stefan-Boltzmann
Deslocamento de Wien
Os corpos emitem radiação a qualquer temperatura,
mas para cada temperatura há um comprimento de onda
em 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
Se
diminui → A temperatura aumenta
máx aumenta → A temperatura diminui
máx
Deslocamento de Wien
Um corpo quente emite radiação com uma potência maior
do 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.
Deslocamento de Wien
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.
Deslocamento de Wien
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.
Deslocamento de Wien
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 (
uma temperatura maior.
máx menor)
e tem
Deslocamento de Wien
Deslocamento de Wien
Sistema Termodinâmico
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:
Lei Zero da Termodinâmica
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 à
energia que emitem.
Os corpos colocados no mesmo local têm
todos a mesma temperatura, que é igual à
temperatura do meio que os rodeia.
Lei Zero da Termodinâmica
Lei Zero da Termodinâmica
Temperatura Média de Equilíbrio Radiativo
da 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).
Energia Solar: Colector Solar e Painel Fotovoltaico
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 de
energia eléctrica (painel fotovoltaico).
Energia Solar: Colector Solar e 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.
Energia Solar: Colector Solar e Painel Fotovoltaico
Energia Solar: Colector Solar e Painel Fotovoltaico
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 tempo
e à noite.
Energia Solar: Colector Solar e Painel Fotovoltaico