Energia solar 4ª Conferência de FMA 1

Energia solar A energia que o sol irradia é a que é libertada durante as reacções de fusão nuclear na sua parte central. Como consequência, produzem-se:  Temperaturas de aproximadamente 10 7 K.  Fluxo de radiação interna duma distribuição espectral irregular. Tal radiação interna é absorvida nas camadas externas, as quais:  Se aquecem até cerca de 5800 K  Tornam-se fontes de radiação com uma distribuição espectral relativamente contínua. Para efeitos de cálculo da potência radiada pelo Sol usa-se o modelo de corpo negro. 2

Radiação do corpo negro: Corpo negro: É um corpo ideal, cuja superfície absorve toda a radiação nele incidente (radiação visível e invisível). O corpo negro emite energia, em todos os comprimentos de onda, com máxima intensidade. Corpos à temperaturas de 100 º C = 373 K ainda não podem emitir na banda de luz visível. A Terra, cuja a temperatura é cerca de 288 K, emite na banda do infravermelho. Hipótese de Planck : A energia do campo electromagnético assume valores que são múltiplos inteiros da energia de um fotão, a qual é dada pela relação: e 3

Radiação do corpo negro (cont.) h é a constante de Planck, f é a frequência da radiação e c é a velocidade da luz no vácuo. A radiação electromagnética consiste de pacotes de energia, fotões. O esboço gráfico mostra a variação da distribuição espectral da intensidade da radiação do corpo negro com λ e T. 4

Distribuição espectral do corpo Negro 5

Lei de deslocamento de Wein e lei de Stefan-Boltzmann O comprimento de onda que corresponde ao máximo de intensidade de radiação do corpo negro é inversamente proporcional à temperatura T do corpo negro. onde é a constante de Wein. A densidade de fluxo de radiação total emitida pelo corpo negro é directamente proporcional à 4ª potência da temperatura absoluta do corpo. onde é a constante de Stefan-Boltzmann. 6

Raios solares e espectro solar Chama-se espectro de radiação solar ao conjunto dos valores dos seus comprimentos de onda (frequência ou energia). Ex: O arco -iris é um espectro de cores; cada cor corresponde a uma determinada frequência ou comprimento de onda (λ). 7

Raios solares e espectro solar (cont.) A radiação solar que chega no topo da atmosfera possui um espectro largo que vai desde a radiação ultravioleta (UV), λ 0,8 μm. Entre estas duas regiões fica a banda de luz visível (0,4 < λ < 0,8 ) μm. UV 0,4 visível 0,8 IV Violeta vermelha λ (μm) 8

Raios solares e espectro solar (cont.) Radiação infravermelha (radiação térmica):  Caracteriza-se pelas suas propriedades térmicas  Qualquer corpo aquecido pode emitir radiação infravermelha. A radiação infravermelha emitida pela Terra, arrasta consigo energia para o espaço. Este facto contribui para o arrefecimento da superfície da Terra. As temperaturas amenas na superfície da Terra são mantidas graças ao efeito estufa. Radiação Ultravioleta:  É a radiação que possui comprimentos de onda mais curtos ;  Revela propriedades químicas evidentes. 9

Raios solares e espectro solar (cont.) As radiações UV contidas no espectro solar são fortemente absorvidas pela atmosfera, razão pela qual :  Nas camadas mais próximas da superfície terrestre a sua quantidade é relativamente reduzida.  Nas montanhas a radiação solar contém mais raios UV.  A radiação UV é bactericida (bom desinfectante).  Quando em doses reduzidas a radiação UV contribui para a saúde do Homem, bronzeando-lhe a pele.  A radiação solar que incide no topo da atmosfera terrestre, atravessou o espaço vazio existente entre a Terra e o Sol sem ser alterada. 10

Raios solares e espectro solar (conT.) Pode-se dizer, então, que o espectro terá uma estrutura que reflecte a composição da atmosfera solar

Raios solares e espectro solar (conT.) Curva 1: Representa o espectro de radiação que chega no topo da atmosfera terrestre. Esta, apresenta picos em comprimentos de ondas específicos, os quais resultam da interacção entre a radiação e os átomos livres na atmosfera solar. Com efeito, os átomos livres absorvem e emitem radiações em comprimentos de onda específicos. Curva 2: Representa o espectro de radiação solar ao nível do mar. No nível do mar, o espectro solar é consequência da interacção da radiação solar e a atmosfera terrestre. 12

Raios solares e espectro solar (conT.) Na atmosfera terrestre, parte da radiação é:  Reflectida para o espaço.  Absorvida e convertida em calor  Refractada (atravessa o meio, alterando a sua direcção). Apenas 47% da radiação solar que entra na atmosfera chega ao nível do mar. A estrutura do espectro ao nível do mar deve-se a absorção pelas moléculas existentes na atmosfera terrestre (H 2 O, CO 2, etc). As moléculas de H 2 O e CO 2 absorvem a radiação na zona do infravermelho (0,8 < λ < 2,5 ) μm. 13

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Efeitos da Interacção: Reflexão: Em média cerca de 30 % da intensidade da radiação solar é reflectida de volta para o espaço: A esta quantidade chama-se albedo e varia de acordo com as condições atmosféricas e ângulo de incidência. A maior parte da reflexão ocorre nas nuvens e uma pequena proporção vem da Terra (através da neve e gelo). A radiação solar de onda curta que continua, nas condições de céu limpo e ao meio-dia tem uma densidade de fluxo de cerca de onde é a constante Solar. E representa a densidade de fluxo no topo da atmosfera. 15

Cont. A densidade de fluxo da radiação que alcança a superfície da Terra pode ser usada termicamente ou em processos fotoquímicos e fotofísicos (fotossíntese e energia fotovoltaica). Fotossíntese: A energia solar é captada pelas plantas através da fotossíntese e armazenada em forma de energia química. 6 CO H 2 O + 4,66 x J C 6 H 12 O O 2 Isto significa que através da fotossíntese, a energia solar é convertida e armazenada em forma de energia química (carbohidratos). 16

Cont. A oxidação dos carbohidratos, obtidos dos alimentos, pelo Oxigénio que inspiramos fornece energia que é necessária para manter os nossos corpos e realizar trabalho externo. C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + 4,66 x J Processos fotofìsicos: A energia solar pode ser usada para o aquecimento (do ar ou água), através de colectores solares, para uso doméstico e para a produção de energia eléctrica através de painéis solares e células fotovoltaicas. Colectores solares: Estes dispositivos absorvem a energia térmica que vem do Sol e convertem-na para aquecer um fluído (água, ou ar) 17

Cont. O qual pode ser canalizado para o banho ou para o aquecimento de residências. O papel da tecnologia é reduzir as perdas de calor e refinar o equipamento. TPC 1.Explique, sob o ponto de vista físico, o efeito estufa. 2.Quais são as semelhanças e diferenças entre o efeito estufa (fenómeno atmosférico) e o funcionamento da estufa para plantas? 18

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