DO SOL AO AQUECIMENTO

A energia no aquecimento/ arrefecimento de sistemas

A ENERGIA NO AQUECIMENTO/ ARREFECIMENTO DE SISTEMASMecanismos de transferência de energia entre sistemas a diferentes temperaturas

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Energia térmica é a fracção da energia interna de um corpo que pode ser transferida devido a uma

diferença de temperaturas

Energia Térmica – Vulgo “Calor”

Faz-se por mecanismos de CONDUÇÃO e CONVECÇÃO

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Condução é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material sem que ocorra 

transporte de matéria.

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CONDUÇÃO TÉRMICA

CONDUÇÃO TÉRMICA

• Pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases, mas é preferencialmente, um mecanismo característico dos materiais sólidos.

• Nos líquidos e gases deve‐se às colisões entre as suas moléculas constituintes, durante o seu movimento aleatório.

• Nos sólidos deve‐se às vibrações das partículas da rede.

• Nos metais deve‐se à combinação entre as vibrações entre as partículas da rede metálica a o transporte de energia pelos electrões livres.

Não confundir condução térmica com condução eléctrica que está relacionada com um movimento ordenado dos electrões livres entre dois pontos que se encontram a

potenciais eléctricos diferentes.

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Convecção é um mecanismo de transferência de energia sob a forma de calor num meio material mediante 

transporte de matéria.Ocorre em fluidos (líquidos ou gases) através de correntes 

de convecção.

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CONVECÇÃO TÉRMICA

Convecção Natural

• Movimento de massas de fluido, que provoca a transferência de energia sob a forma de calor de uma zona para outra.

• É causado pelas diferenças de densidade devidas à expansão térmica

Convecção Forçada

• Utilizam-se dispositivos mecânicos, como ventoinhas ou bombas, cuja função é forçar a saída das porções mais quentes do fluido, que se encontram junto aos componentes quentes da máquina , maximizando a convecção.

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Taxa temporal de transferência de energia sob forma de calor através de uma parede de espessura L, área A e com uma diferença de temperatura T2 – T1 entre as suas duas faces.

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Factores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

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Fatores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

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Fatores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

Corrente Térmica

A energia transferida como calor por unidade de tempo

Unidade SIJs-1

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Fatores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

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Fatores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

Unidade SI -

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Fatores que influenciam o mecanismo de condução nos diferentes materiais

O que significa dizer que o ferro tem uma capacidade térmica de 80 Js-1m-1 K-1

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Evitar as perdas de energia sob a forma de calor numa casa de habitação pode representar cerca de 22% de redução no consumo energético global

Estima-se que cerca de 60 % da energia usada para aquecimento durante o Inverno se escapa através das paredes, do tecto e do

soalho.

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A condutividade térmica em casas de habitação

A condutividade térmica em casas de habitação

Uma casa devidamente isolada é aquela onde as trocas de energia com o exterior são minimizadas, através da utilização das técnicas de construção adequadas e do

recurso a materiais que possuam uma baixa condutividade térmica

É necessário considerar também os seguintes parâmetros para a construçãode uma casa: localização; orientação; área exposta; cor das paredes; sombreamento.

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Colectores Solares

A radiação solar e o seu aproveitamento na Terra

Painéis Fotovoltaicos

Converte energia solar em energia elétrica

Converte energia solar em energia térmica

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• reservatório de água fria-função de alimentar com água fria o reservatório térmico;

• reservatório térmico ou "boiler, função de armazenar e conservar a água quente para consumo (pelo que deve ser devidamente isolado, do ponto de vista térmico)

• colector solar (plano), que absorve a energia solar, transmitindo-a para a água que circula no seu interior

Colectores Solares

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• Caixa hermeticamente fechada com uma cobertura de vidro ou outo material transparente.

• Cobertura tem como principal finalidade provocar o efeito de estufa.

• O interior do colector é feito de alumínio pintado de preto para que a absorção de energia radiante seja máxima.

• Fixada à chapa de alumínio, encontra-se a tubulação em cobre (condutibilidade térmica elevada) onde circula água, que também é pintada de preto.

• Pelo mecanismo de condução, a energia transferida para a chapa e para os tubos é absorvida pela água sob a forma de calor aumentando a sua temperatura.

Colectores Solares

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• Uma vez aquecida, fica menos densa, gera correntes de convecção e sobe, indo para o reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce para a parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para consumo, é retirada da parte superior do reservatório, e uma nova quantidade de água é introduzida na parle inferior, prosseguindo o processo.

• A cobertura de vidro permite minimizar as “perdas de calor” por convecção do ar que se encontra aprisionado dentro do colector solar, além de impedir que entrem dentro do colector as águas da chuva, materiais sólidos, poeiras, etc.

• Apesar de a cobertura de vidro ser indispensável, sempre ocorrem nela “perdas de calor” por reflexão da radiação solar incidente, o que deverá ser minimizado

• Para evitar “as perdas de calor” por condução no colector, a chapa de alumínio é isolada da parede exterior do colector com um material isolador térmico, geralmente poliuretano expandido ou lã de vidro.

Colectores Solares

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Painéis Fotovoltaicos

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Painéis Fotovoltaicos

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Insolação

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• Para os Gregos o calor era uma substância que entrava e saía dos objectos.

• Até meados do século XIX o calor era encarado como um fluido : o fluido calórico (Lavoisier).

• As experiências de Benjamin Thompson, conde de Rumford (1797) mostraram que havia uma equivalência entre calor e trabalho e evidenciaram a existência de uma quantidade que se conservava, assumindo embora formas diferentes e podendo estar em locais diferentes. Este é o ponto de partida para a formulação de uma lei geral de conservação da energia

• O calor e o trabalho são dois processos de transferência de energia: o primeiro, devido ao facto de estarem em contacto dois corpos a temperaturas diferentes, é uma transferência desordenada; o segundo, resultando de trabalho macroscópico, é uma transferência ordenada.

Conceito de Calor

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Mayer foi um dos cientistas que formulou esta lei, em 1842,

partindo principalmente da reflexão teórica e analisando experiências

realizadas por outros.

As experiências de Joule evidenciaram a equivalência entre calor e trabalho comoprocessos de transferências de energia

e permitiram calcular o chamado "equivalente mecânico do calor".

Mostraram que a energia tem a propriedade de se transferir e de se transformar, conservando-se sempre

1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia

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1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia

O enunciado mais geral da lei é o seguinte:

Num sistema não isolado a variação da energia é igual à soma das energias transferidas de (ou para) as suas vizinhanças, sob a forma

de calor e (ou) sob a forma de trabalho mecânico.

• Isto é, se somarmos a energia do sistema com a das suas vizinhanças, essa soma é constante, embora, ao longo do tempo, ela possa assumir formas diferentes ou transitar de um local para outro.

…há uma certa quantidade, a que chamamos energia, que não varia durante asdiversas mudanças que a natureza sofre. Esta é uma ideia muito abstracta porque éum princípio matemático. Não é a descrição de um mecanismo, nem algo deconcreto: é justamente um facto estranho que possamos calcular um dado número eque, quando observamos a natureza, depois de levar a cabo as suas habilidades, ecalculemos o número de novo, ele é o mesmo.

Richard Feynman

1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia

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total p macroscópica c macroscópica

Se se considerar todas as contribuições energéticas, macroscópicase microscópicas,

Sistema isolado

1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia

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Num Sistema não isolado que interage com as suas

vizinhanças, quer do ponto de vista mecânico quer do ponto

de vista termodinâmico

No caso particular dos sistemas termodinâmicos

1ª Lei da Termodinâmica

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A variação de energia interna sofrida por um sistema termodinâmico não isolado é igual à soma algébrica da quantidade de energia transferida entre ele e as vizinhanças, por processos de calor,

trabalho e radiação.

Convenção de Sinais• Tudo o que “entra” no sistema é

positivo, provoca aumento de energia interna – ΔU >0

• Tudo o que “sai” do sistema é negativo, provoca diminuição de energia interna – ΔU<0

1ª Lei da Termodinâmica: Caracterização dos Processos

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Os processos termodinâmicos podem ser caracterizados pelofacto de alguma propriedade do sistema - temperatura, pressão

e volume - se manter constante durante o processo

Deriva do grego

adiábatos, significa

intransponível

1ª Lei da Termodinâmica

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Descreve e gere todos os balanços energéticos que ocorrem num sistema termodinâmico, durante os processos termodinâmicos de

interacção com as suas vizinhanças

Gere uma quantidade total de energia tendo em conta a sua conservação

Aplicações?

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações.

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1- Transferências de energia por absorção/emissão de radiação

• Sistema - Isolado

• Processo - Adiabático – Q=0

• Não é realizado trabalho sobre/pelo sistema – W=0

As MO, ao serem absorvidas pelas moléculas de água dos alimentos, provocam o aumento da energia cinética vibracional e rotacional destas moléculas,

aumentando a sua energia interna (o que resulta no aumento da temperatura dos alimentos).

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações.

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2- Transferências de energia por realização de trabalho

• Sistema - Fechado

• Processo - Adiabático –> Q=0

• É realizado trabalho sobre o sistema–> W>0

Empurrar o êmboloCompressão do gás

No caso inverso, puxar o êmbolo – expansão do gás, o sistema realiza trabalho sobre as suas vizinhanças, a sua energia interna sofreria uma diminuição igual a -W, isto é:

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações

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3- Transferências de energia sob a forma de calor

Êmbolo fixo • as paredes do cilindro e o próprio êmbolo são fronteiras diatérmicas - permitem trocas de calor com o exterior;

• não há absorção nem emissão de radiação.

Fonte quente

Por condução ocorre transferência de energia através das fronteiras do

sistema.

Por convecção, todo o gás atinge a temperatura destas fronteiras

• Sistema - Fechado

• Processo - Isocórico –> W=0

O aumento da energia interna do gás deve-se somente à energia que lhe foi transferida

sob a forma de calor

1ª Lei da Termodinâmica: Aplicações

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De 2 e 3 vimos que:

Em processos adiabáticos, a variação de energiainterna do sistema é igual ao trabalho mecânicorealizado pelo ou sobre o sistema.

Em processos isocóricos, a variação da energiainterna é igual ao calor transferido de ou para osistema

Transferências de energia sob a forma de calor: Consequências?

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Transferência de energia sob forma de calor pode ser detectada macroscopicamente de duas formas

Variação de Temperatura Mudança de estado Físico

Capacidade térmica mássica(Jkg-1K-1)

U= m c ΔT

Calor transformação mássico

Calor Latente de …

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Temperatura em função do tempo de aquecimento e da energia fornecida