FÍSICA – MÓDULO INICIAL - DAS FONTES DE ENERGIA AO UTILIZADOR 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