FÍSICA – MÓDULO INICIAL - DAS FONTES DE ENERGIA AO UTILIZADOR
1. SITUAÇÃO ENERGÉTICA MUNDIAL
E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA
2. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA
Escola Secundária Maria Lamas – Torres Novas
Física e Química A – 10º Ano
Nelson Alves Correia
Objectivos
Analisar e comparar dados relativos a estimativas de consumo
energético nas principais actividades humanas e reconhecer a
necessidade de utilização de energias renováveis.
Indicar vantagens e inconvenientes da utilização de energias
renováveis e não renováveis.
Associar a qualquer processo de transferência ou de
transformação de energia um rendimento sempre inferior a
100% (degradação de energia).
Identificar factores que contribuem para o uso racional das
fontes de energia.
Objectivos
Identificar, em processos de transferências e transformações de
energia, o sistema, as fronteiras e a vizinhança.
Caracterizar um sistema.
Identificar a energia cinética como a energia associada ao
movimento e a energia potencial como a energia resultante de
interacções.
Identificar a energia mecânica de um sistema como a soma das
respectivas energias cinética e potencial.
Caracterizar a energia interna como propriedade de um sistema.
Objectivos
Identificar trabalho e calor como quantidades de energia
transferidas entre sistemas.
Distinguir calor, trabalho e potência e explicitar os valores destas
grandezas nas respectivas unidades SI.
Identificar transferências de energia como trabalho, calor e
radiação.
Caracterizar a radiação electromagnética.
Interpretar o significado físico da Lei da Conservação da Energia
e aplicá-la a situações do dia-a-dia, efectuando balanços
energéticos.
Conteúdos
Fontes de Energia
Situação Energética Mundial
Transformações de Energia
Degradação de Energia
Rendimento
Uso Racional de Energia
Sistemas
Energia dos Sistemas
Transferências de Energia: Calor
Transferências de Energia: Trabalho
Transferências de energia: Potência
Transferências de Energia: Radiação
Conservação da Energia
Fontes de Energia
Todas as actividades dos seres vivos precisam de energia.
A energia é responsável pelo desenvolvimento científico,
tecnológico e social, permitindo o funcionamento de aparelhos
e a criação de novos materiais.
Fontes de energia – Materiais que fornecem energia.
Podem ser fontes de energia renováveis ou não renováveis.
Receptores de energia – Materiais que recebem energia.
Fontes de Energia
Fontes de energia renováveis – Não se esgotam (são ilimitadas),
porque estão sempre a ser produzidas pela natureza: Sol, vento,
água, marés, ondas do mar, biomassa, biogás e calor do interior
da Terra. O Sol é a principal fonte de energia da Terra (as estrelas
são a fonte de energia do Universo).
Fontes de energia não renováveis – Esgotam-se (são limitadas),
porque a natureza demora milhões de anos para as produzir:
combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural),
e materiais radioactivos (urânio e tório).
Situação Energética Mundial
Cerca de 95% da energia utilizada pelo Homem vem das fontes
de energia não renováveis.
O rápido aumento populacional e o desenvolvimento científico,
tecnológico e social, desde a Revolução Industrial, provocou um
consumo excessivo de energia e dos combustíveis fósseis.
Os combustíveis fósseis são muito poluentes: quando são
queimados libertam óxidos de enxofre e de azoto, que formam
as chuvas ácidas, e dióxido de carbono, que provoca o
aquecimento global. O gás natural é o menos poluente.
Situação Energética Mundial
Situação Energética Mundial
Estamos perante um problema energético mundial (crise
energética) porque as fontes de energia não renováveis são
muito poluentes, estão a alterar o clima, estão a esgotar-se e o
seu preço está a aumentar.
É necessário utilizar as fontes de energia renováveis para
diminuir a poluição e as emissões de dióxido de carbono (CO2).
Transformações de Energia
A energia pode ser armazenada, transferida (da fonte para o
receptor) e transformada noutra forma de energia.
Os aparelhos eléctricos transformam a energia eléctrica em
energia radiante (luz), energia interna (calor), energia mecânica
(movimento), energia sonora (som) e energia química
(substâncias químicas das pilhas e baterias).
Transformações de Energia
Degradação de Energia
Degradação de energia / Energia dissipada (degradada) –
Energia que se perde (dissipa ou degrada) para o meio
ambiente, durante as transferências e transformações de
energia, normalmente na forma de calor, e que não é utilizada.
Quando se fornece energia (energia fornecida - Ef) a uma
máquina, há uma parte que é utilizada (energia útil - Eu)
e outra parte que não é utilizada (energia dissipada - Ed):
Ef = Eu + Ed
Degradação de Energia
Rendimento
Rendimento – É uma medida da eficiência com que uma
máquina utiliza a energia fornecida. Representa-se pela
letra grega η (eta) e calcula-se em percentagem, dividindo a
energia útil (Eu) pela energia fornecida (Ef):
η = (Eu / Ef) x 100
O rendimento de uma transferência ou transformação de
energia e de uma máquina é sempre inferior a 100%,
porque existe sempre energia dissipada (degradação de energia)
e a Ef > Eu . Se uma máquina transformasse toda a energia
fornecida em energia útil (Ed = 0), o seu rendimento seria 100%.
Rendimento
Rendimento
Rendimento
Uso Racional de Energia
No dia-a-dia, devemos poupar energia:
• Seguir a política dos três R – Reciclar, Reutilizar e Reduzir;
• Aproveitar a luz do dia para trabalhar, em vez de acender
lâmpadas;
• Desligar as luzes e electrodomésticos que não estamos a
utilizar;
• Desligar a televisão e a aparelhagem no botão. Em stand-by,
eles gastam entre 10% a 60% da energia eléctrica que
gastariam se estivessem ligados;
• Não colocar comida quente ou morna no frigorífico;
Uso Racional de Energia
• Utilizar as máquinas de lavar louça e roupa apenas quando
estiverem completamente cheias;
• À noite, no Inverno, fechar as cortinas para minimizar as
trocas de calor do interior para o exterior, através das janelas;
• Descer a temperatura do aquecimento em 1 ºC. Será o
suficiente para reduzir em cerca de 10% as despesas
energéticas em gás ou electricidade.
Sistemas
Sistema – Um corpo, ou um conjunto de corpos, limitado por
uma fronteira real ou imaginária.
Vizinhança – Porção do Universo que rodeia o sistema e com o
qual este pode interagir.
Fronteira – Superfície real ou imaginária que separa o sistema da
sua vizinhança.
O sistema pode trocar matéria e energia com a vizinhança
através da fronteira.
Sistemas
O sistema é classificado de acordo com as trocas de matéria e
energia que ocorrem com a sua vizinhança:
• Aberto – Existem trocas de matéria e energia;
• Fechado – Existem trocas de energia, mas não existem
trocas de matéria;
• Isolado – Não existem trocas de matéria e energia.
Aquário dentro de
uma caixa térmica
(feita de um material
isolador do calor)
Sistema aberto
Sistema fechado
Sistema isolado
Energia dos Sistemas
Energia cinética (Ec) – Energia associada ao movimento dos
corpos. O seu valor aumenta com a massa e a velocidade do
corpo.
Energia potencial (Ep) – Energia associada ao campo de forças
existente no sistema, que está armazenada no corpo e que pode
ser utilizada. A energia potencial pode ser gravítica, magnética,
eléctrica, química, nuclear e elástica.
A unidade SI de energia é o joule (J).
Energia dos Sistemas
Os sistemas possuem energia a nível macroscópico e a nível
microscópico.
Energia mecânica (Em) – Soma da energia cinética macroscópica
do sistema com a sua energia potencial: Em = Ec + Ep
Energia interna (Ei ou U) – Soma das energias cinética e potencial
microscópica de todas as partículas (corpúsculos) do sistema
(átomos, moléculas e iões), que se encontram em constante
movimento: Ei = Ec + Ep
Energia dos Sistemas
A energia interna depende da massa (quantidade de matéria
ou número de partículas com energia), do tipo de matéria
(substância) e da temperatura (agitação ou Ec das partículas).
Quanto maior for a massa e a temperatura, maior será a
energia interna.
Energia dos Sistemas
Energia dos Sistemas
A energia interna pode ser transferida de um sistema para outro,
ou para a sua vizinhança, por três processos:
• Calor (Q) – Energia transferida entre dois sistemas a
temperaturas diferentes, quando estão em contacto, do
corpo mais quente para o mais frio;
• Trabalho (W) – Energia transferida devido à aplicação de uma
força sobre um sistema;
• Radiação – Energia transferida através de radiações (ondas)
electromagnéticas.
A unidade SI destes processos é o joule (J).
Energia dos Sistemas
Transferências de Energia: Calor
Quando se transfere energia por calor, o sistema com maior
temperatura arrefece (perde energia interna) e o sistema com
menor temperatura aquece (ganha energia interna).
A transferência de energia termina quando se atinge o
equilíbrio térmico: os sistemas ficam com a mesma temperatura
(mas podem não ficar com a mesma energia interna).
Transferências de Energia: Calor
A energia transferida através de calor calcula-se por:
Q = m x c x T (J)
m — Massa (kg)
c — Capacidade térmica mássica
do material (J kg-1 K-1)
T— Variação da temperatura:
T = Tfinal - Tinicial (K)
Quanto maior for a massa do corpo, maior é a quantidade de
calor que é necessário fornecer para provocar a mesma variação
de temperatura. Há substâncias que precisam de receber
mais calor, para provocar a mesma variação de temperatura
(a sua capacidade térmica mássica é maior).
Transferências de Energia: Calor
Transferências de Energia: Trabalho
O trabalho é realizado por uma força que provoca o deslocamento
de um corpo.
Quando se puxa um caixote, aplica-se uma força sobre ele e
transfere-se energia para o caixote. A pessoa perde energia interna,
mas o caixote ganha energia cinética (fica em movimento).
A energia transferida através de trabalho calcula-se por:
W = F x d (J) *
F – Intensidade da força (N)
d – Deslocamento (m):
posição final - posição inicial
* Esta fórmula é válida num movimento rectilíneo sem inversão de sentido, em que a força e o
deslocamento têm a mesma direcção e sentido.
Transferências de Energia: Trabalho
O trabalho também corresponde à energia útil, pelo que pode
ser calculado a partir do rendimento.
Transferências de Energia: Potência
Potência – Quantidade de energia transferida por segundo
(trabalho realizado por uma força num segundo):
P = E / t ou P = W / t ou P = F x v
E – Variação de energia (energia transferida): Efinal – Einicial (J)
t – Intervalo de tempo (s)
v – Velocidade (v = d / t) (m/s)
A unidade SI é o watt (W). 1 W é a potência de uma máquina
que transfere um joule de energia num segundo. Também se
utiliza o cavalo-vapor (cv) ou cavalo (1 cv = 735 W).
Transferências de Energia: Potência
Transferências de Energia: Potência
Transferências de Energia: Potência
Transferências de Energia: Radiação
O Sol transfere energia para a Terra por radiação.
Quando utilizamos as radiações electromagnéticas,
há transferência de energia por radiação.
A radiação electromagnética propaga-se no vazio (não precisa
de um meio material), através de ondas electromagnéticas
(oscilações dos campos eléctrico e magnético) e de fotões.
Transferências de Energia: Radiação
Transferências de Energia: Radiação
A energia de uma radiação electromagnética calcula-se por:
E = h x f  E = h x (c / ) (J)
f – Frequência (Hz - hertz): número de oscilações por segundo
 – Comprimento de onda (m): distância entre dois pontos
consecutivos da onda que estão no mesmo estado de oscilação
h = constante de Planck = 6,626 x 10-34 J s
c = velocidade da luz no vazio = 3 x 108 m/s
Conservação da Energia
Lei da Conservação da Energia – Num sistema isolado a energia
total é conservada (a energia de um sistema isolado é sempre
constante).
Não se pode criar nem destruir energia. A energia só pode ser
transferida (fornecida) ou transformada.
A energia total existente no Universo é a mesma que existia
quando este se formou porque o Universo é um sistema isolado.
Conservação da Energia
A energia fornecida (Ef) para um sistema será sempre igual à
soma da energia utilizada (energia útil - Eu) com a energia
dissipada (Ed) para a vizinhança:
Ef = Eu + Ed
Conservação da Energia
Conservação da Energia
Conservação da Energia
Os valores destas energias podem ser calculados através de
um balanço energético, que se representa por um diagrama
energético.
Um diagrama energético é formado por:
• Rectângulos – Representam as fontes de energia e as
vizinhanças dos sistemas;
• Círculos – Representam os sistemas;
• Setas – Representam as transferências e as transformações
de energia.
Se o sistema recebe energia, esta apresenta um valor positivo.
Se o sistema perde energia, esta apresenta um valor negativo.
Conservação da Energia
Conservação da Energia
omolete