1.3. Energia, fenómenos térmicos e radiação

• Termodinâmica


  A parte da Física que estuda os fenómenos térmicos, em que é necessário ter em conta a temperatura dos sistemas
• Sistema termodinâmico


  Um sistema em que importa considerar a energia interna e a sua variação
• Sistema isolado


  Não troca energia com a sua vizinhança
• Energia interna de um sistema, U

  Resulta da energia cinética e da energia potencial das partículas que constituem o sistema. Em grosso modo, depende da temperatura do sistema e do número de partículas que o constitui, aumentado com ambos
• Temperatura


  Está relacionada com a agitação térmica das partículas que formam o sistema e o aumento de temperatura de um sistema indica, de um modo geral, um aumento da sua energia interna
• Equilíbrio térmico


  Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão à mesma temperatura
• Escalas de temperatura


  Escala Celsius (Θ ou t) e escala Kelvin (T): T = Θ + 273,15 (K), mas ΔT (K) = ΔΘ (ºC)
• Mecanismos de transferência de energia por calor

  • Radiação
  • Condução térmica
  • Convecção térmica
• Radiação


  A energia transferida através da propagação de luz e, por isso, não necessita de um meio material para se propagar nem necessita de contacto entre os sistemas
• Todos os corpos emitem radiação: O tipo de radiação emitida por um corpo depende da sua temperatura. À temperatura ambiente os corpos emitem predominantemente no infravermelho
• Todos os corpos absorvem radiação: os corpos pretos absorvem praticamente toda a radiação visível e os corpos brancos refletem-na
• Os corpos bons absorsores são também bons emissores de radiação
• Irradiância, Er


  Energia emitida por unidade de tempo e por unidade de área; exprime-se em W m-2 no SI
• Painéis fotovoltaicos


  Utilizados para produzir energia elétrica e são constituídos por células fotovoltaicas que aproveitam a energia da luz solar para criar uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais, produzindo uma corrente elétrica contínua

  
• Dimensionamento de um painel fotovoltaico

  1. Contabilizar a potência elétrica de que se necessita

  2. Conhecer a irradiância média do local e o rendimento do processo fotovoltaico

  3. Determinar a potência elétrica disponível por unidade de área do painel ou equivalente

  
• Condução térmica


  É um mecanismo de transferência de energia por calor característico dos sólidos, em que a energia é transferida por interações, a nível microscópico, das partículas constituintes do corpo
• A condução térmica depende da natureza dos materiais e da sua geometria. Há materiais em que o processo de transferência por condução térmica ocorre lentamente, enquanto noutras ocorre rapidamente
• Condutividade térmica, k


  A grandeza física que mede "a maior ou menor facilidade que determinados materiais têm para se deixarem atravessar pelo calor". Um valor elevado de condutividade significa que o material é um bom condutor térmico; um valor baixo significa que é um mau condutor térmico (habitualmente conhecido por bom isolador térmico)
• Convecção térmica


  É um processo de transferência de energia como calor característico dos fluidos (líquidos e gases), em que a energia é transferida entre regiões do próprio fluido por movimentos de porções do fluido, a diferentes temperaturas, que se misturam, havendo consequente transporte de matéria
• Funcionamento de um coletor solar

  Verificam-se os três mecanismos de transferência de energia como calor: radiação, condução e convecção

  
• Constituição de um coletor plano

  • Cobertura transparente
  • Absorsor
  • Isolamento térmico
  • Caixa

  
• Aquecimento ou arrefecimento de um sistema

  1. Energia recebida no aquecimento (ou cedida no arrefecimento), sem mudança de estado físico: E=m c∆T

  2. Se ΔT > 0, a temperatura aumenta e o sistema ganha energia (E > 0)

  3. Se ΔT < 0, a temperatura diminui e o sistema perde energia (E > 0)
• Capacidade térmica mássica, c

  É característica de uma substância e quando expressa em J kg−1 K−1 é a energia necessária para elevar de 1 K (ou 1ºC) a temperatura de 1 kg de material
• Quanto maior for a capacidade térmica mássica de um material, menor será a variação da temperatura do sistema para a mesma energia recebida ou cedida
• Energia associada a uma mudança de estado físico

  1. Efusão=m ∆ H fusão

  2. Evaporização=m ∆H vaporização

  3. ΔHfusão (ou a ΔHvaporização) é característica de uma substância e quando expressa em J kg-1 indica a energia necessária para fundir (vaporizar) 1 kg da substância, à temperatura de fusão (ebulição)

  4. Durante a mudança de estado a temperatura não varia, uma vez que a energia recebida pelo sistema no aquecimento é usada para quebrar ligações entre os seus corpúsculos e não para aumentar a agitação corpuscular
• Primeira Lei da Termodinâmica

  • ΔU = Q + W (sistemas não isolados)
  • Por convenção, considera-se que a energia que entra no sistema é positiva e a que sai é negativa
  • Se ΔU > 0, a energia interna aumenta
  • Se ΔU < 0, a energia interna diminui
  • Em sistemas isolados, ΔU = 0 ( U é constante)
  • Quando se comprime um gás, é realizado trabalho sobre o sistema, logo W > 0
  • Quando ocorre a expansão de um gás, o sistema realiza trabalho sobre a vizinhança, logo W < 0
• Segunda Lei da Termodinâmica

  • Efornecida = Eútil + Edissipada
  • η = Eútil/Efornecida x 100
  • Nos processos espontâneos verifica-se uma diminuição da energia útil
  • A energia transfere-se espontaneamente, por condução ou convecção, do corpo quente para o corpo frio
  • Os processos em que há transferência de energia do corpo frio para o corpo quente não são espontâneos, requerendo a ação de uma máquina