1. ENERGIA – DO SOL PARA A TERRA

1. ENERGIA – DO SOL PARA A TERRA
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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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 máx diminui → A temperatura aumenta Se máx aumenta → A temperatura diminui

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 (máx menor) e tem uma temperatura maior.

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

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).

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.

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.

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