Físico-Química 10º Ano (5º Teste)

Físico-‐Química A 10º Ano

Física

Tópicos abordados:-‐ Das fontes de Energia ao U@lizador

-‐ Situação energé@ca mundial e degradação da energia-‐ Fontes de energia-‐ Noções de sistema, vizinhança e fronteira-‐ Conceito de rendimento e cálculo

-‐ Conservação da energia-‐ Lei da conservação da energia-‐ Tipos fundamentais de energia-‐ Transferências e transformação de energia

-‐ Calor-‐ Radiação-‐ Trabalho

-‐ Conceito de potência-‐ Potência fornecida, ú@l e dissipada

-‐ Sol e aquecimento-‐ Energia -‐ Do sol para a Terra

-‐ A radiação: uma segunda abordagem-‐ Noções de comprimento de onda, período, amplitude e frequência

-‐ Análise da radiação emi@da pelos corpos e formas de calculá-‐la

-‐ Noção de corpo negro-‐ Termodinâmica e sistemas termodinâmicos

-‐ Lei Zero da Termodinâmica-‐ Alcance do equilíbrio térmico

-‐ Energia no aquecimento/arrefecimento de sistemas-‐ Formas de transferir energia: condução e convexão-‐ Condu@vidade térmica dos materiais-‐ Aproveitamento da energia solar

-‐ Colectores solares-‐ Painéis fotovoltaícos

-‐ Primeira Lei da Termodinâmica-‐ Radiação, Trabalho e Calor

0. Das fontes de energia ao u@lizador

Actualmente no mundo podemos constatar que os seres humanos re@ram energia de várias fontes naturais, que podemos dividir em dois grupos principais:

-‐Não renováveis -‐ infelizmente as mais u@lizadas, estas fontes não se renovam à escala humana (exemplos: carvão, petróleo e biomassa);-‐ Renováveis -‐ fontes que se renovam à escala humana (exemplos: energia eólica, energia das marés e energia geotérmica).

As fontes não renováveis apresentam mais problemas para além do facto de não se renovarem à escala humana, estas também poluem o ambiente e são perigosas para a saúde humana. Um exemplo de uma fonte deste @po é a energia nuclear. A produção de energia nuclear vem da cisão ou fissão de núcleos de átomos de massa elevada, como por exemplo, o urânio que se extrai das minas e á radioac@vo. A poluição da atmosfera causa o que se chama o efeito de estufa. O efeito de estufa consiste na retenção de radiação a nível da atmosfera, o que resulta num aquecimento geral. Mas o efeito de estufa é mau? Não, na verdade, sem o efeito de estufa a temperatura média da Terra seria de cerca de -‐15º C! No entanto, o aumento do efeito de estufa está a fazer com que a temperatura da Terra suba muito.

Transferências de energia

Existem três @pos de sistemas:-‐ Isolados -‐ não se dão trocas nem de matéria nem de energia com o exterior;

-‐ Fechados -‐ dão-‐se apenas trocas de energia com o exterior;-‐ Abertos -‐ dão-‐se tanto trocas de energia como trocas de matéria com o exterior;

Quando falamos em sistema, temos ainda que abordar algumas noções sobre um sistema, como por exemplo as noções de fronteira e de vizinhança. A fronteira do sistema delimita o sistema e a sua vizinhança é o espaço exterior à sua fronteira. Quando falamos de um sistema aberto ou fechado, podemos dizer que o sistema está em constante troca de energia com a sua vizinhança. Assim, por exemplo, da energia que recebe (energia fornecida) uma parte é aproveitada (energia ú@l) e a outra é u@lizada para outra coisa (energia dissipada). Por exemplo: Uma lâmpada serve para iluminar (ú@l) , mas ela não liberta calor também (dissipação)? Então nem toda a energia é aproveitada para o fim esperado. Se isso acontecesse teríamos um rendimento de 100%. O rendimento é uma forma de verificar se se aproveita muita ou pouca energia fornecida. A fórmula do rendimento é a seguinte:

Para colocar o rendimento em percentagem basta mul@plicar por 100. Como nenhum sistema u@liza toda a energia fornecida para o seu fim, nenhum sistema tem um rendimento igual a 100%.

Conservação da energia

Segundo a Lei da conservação da energia, um sistema isolado mantém a sua energia constante, ou seja, não há perdas nem ganhos de energia (com o exterior), a sua energia não varia. Mas quais são os @pos de energia que existem? Bem, fundamentalmente existem apenas dois @po:

-‐ Energia ciné@ca (Ec) -‐ associada ao movimento -‐ -‐ Energia potencial (Ep) -‐ associada a interacções entre partes do sistema -‐ não calculável.

Para podermos calcular a energia ciné@ca (associar ao movimento) temos antes que simplificar o sistema a um ponto, o seu centro de massa. Este ponto é onde se reúne toda a massa do sistema e é a par@r daqui que se estudam alguns dos seus movimentos. Assim somando a energia ciné@ca com a energia potencial obtemos a energia mecânica de um sistema, ou seja, a energia desse sistema que tanto pode estar na forma de energia ciné@ca como na forma de energia potencial. Por exemplo, quando se manda uma bola ao ar, ao iniciar o movimento de subida a bola está com a energia ciné@ca igual à potencial, mas quando sobe a sua energia ciné@ca é menor do que a potencial. Quando a@nge o pico e começa a descer a sua energia ciné@ca está ao mínimo e a potencial ao máximo. No movimento descendente a sua energia ciné@ca volta a aumentar e a potencial a diminuir até se igualarem (aproximadamente). A estas alterações do @po de energia (ciné@ca para potencial e vice-‐versa) damos o nome de transformações de energia, porque ocorrem dentro do mesmo sistema. Se ocorrerem entre sistemas damos o nome de transferências. Mas os sistemas não possuem só a dita energia mecânica (resultante da energia ciné@ca + potencial), também possuem energia interna. Esta resulta da some da energia dos movimentos das pargculas (ciné@ca microscópica) com a energia potencial entre elas (potencial microscópica).

Assim a energia total de um sistema é igual a:

Etotal = Einterna + Epotencial + Eciné0ca

Exemplo: Vamos considerar um sistema que possui 40J de Einterna (esta não pode ser calculada facilmente). Se a sua massa é igual a 200g, a velocidade das suas parDculas é igual a 10m/s e está a uma altura de 20m, qual a sua energia total?

Começamos por escrever a fórmula essencial da Etotal modificada às necessidades do problema. Sabemos que vamos ter de calcular a Epotencial e a Eciné0ca. Ora sabemos que a Epotencial é dada pela fórmula da gravidade

(mgh) e que a Eciné0ca é dada por , por isso subs@tuímos na expressão.

Etotal = 40 + mgh +

Etotal = 40 + 200*9,8*20 +

Etotal = 40 + 39200 + 10000Etotal = 49240 J

E o problema está resolvido!

A energia interna de um sistema depende da sua temperatura, que mede o estado de agitação das pargculas: pargculas agitadas -‐ temperatura elevada; pargculas pouco agitadas -‐ temperatura baixa. Assim, podemos considerar que o sistema anterior estava a uma temperatura rela@vamente baixa, devido aos valores pequenos de energia interna que encontramos. No entanto a energia interna também depende do número de pargculas de um sistema, enquanto que a temperatura não.

Por exemplo: se @vermos um balde de água a 20ºC e o dividirmos em duas partes iguais, a sua temperatura vai passar para 10ºC? Não, mas a sua energia interna vai diminuir devido ao nº de pargculas (menos energia potencial microscópica). Formas de transferência de energia

Existem três formas de transferência de energia:-‐ Calor -‐ energia calorífica, devido à aproximação de dois copos (J);-‐ Trabalho -‐ energia mecânica, devido à aplicação de uma força (J);-‐ Radiação -‐ energia radiante, devido à exposição a fotões (J);

A primeira forma de transferência, o calor pode ser descrito da seguinte forma: “Energia transferida entre dois corpos a temperaturas diferentes.” Assim, o calor pode ser calculado pela expressão

Em que consideramos:-‐ Q -‐ calor-‐m -‐ massa-‐ c -‐ capacidade térmica mássica (depende de cada material)

-‐ -‐ intervalo de Temperaturas (Tfinal -‐ Tinicial)

Na segunda forma de transferência, o trabalho, deve ser aplicada uma força que deve movimentar-‐se do ponto de aplicação, ou seja, o local inicial não deve ser o final. Na terceira forma de transferência de energia, a radiação, a energia é transferida através das pargculas da luz, ou seja, os fotões.

Potência

Potência é uma grandeza lsica que permite medir a rapidez com que se dão as trocas de energia. Esta mede a quan@dade de energia (J) que é transferida num determinado intervalo de tempo (s).

Nota: J/s = W (wap)

A potência pode ser assim representada por:

Em que:-‐ P -‐ potência-‐ E -‐ energia (J)

-‐ -‐ intervalo de tempo (s)

A potência, tal como a energia, pode tomar três funções num sistema: fornecida, ú@l ou dissipada. Para obter cada uma delas basta subs@tuir o E na fórmula pelo determinado @po de potência a obter.

Problema resolvido: O sistema 1 u0lizou 200J durante 1h para realizar a função x. Para realizar a mesma função o sistema 2 u0lizou os mesmos 200J, mas durante 70min. Qual dos dois sistemas tem uma potência maior?

Resolução: Sistema 1:

-‐ E = 200J

-‐ = 1h * 60 * 60 s = 3600s Sistema 2:

-‐ E = 200J

-‐ = 70min * 60 s = 4200s

P1 = 0,05W P2 = 0,047W

R: O sistema 1 tem uma potência maior.

1. Sol e Aquecimento

Energia -‐ Do Sol para a Terra

A energia do sol para a Terra dá-‐se apenas por uma das três vias possíveis de transferências de energia: radiação. A radiação tem comportamento ondulatório, ou seja, descola-‐se na forma de ondas que podem ser caracterizadas por vários factores, como demonstrado na figura seguinte.

A amplitude de uma onda é a distância entre o cume (tanto posi@vo como nega@vo)

ao eixo horizontal (tempo normalmente). O comprimento de onda ( )é a distância entre os dois pontos mais próximos. O período (T) é o tempo que demora a ocorrer um ciclo completo numa onda. A frequência (f) é o número de vezes que ocorre um ciclo num determinado intervalo de tempo. Como já percebeste pela descrição acima, o período é o inverso da frequência, por isso podemos expressar a relação período -‐ frequência da seguinte forma:

Também podemos relacionar o período com o comprimento de onda, pela expressão:

Sendo:-‐ c -‐ velocidade da luz (300.000 m/s)

O conjunto de todas as radiações existentes está agrupado no espectro electromagné@co.

As radiações menos energé@cas (maior comprimento de onda, menor frequência) são os Infravermelhos. No centro temos a luz visível e as mais energé@cas são as Ultravioleta. Mas o que acontece á radiação quanto incide um corpo? Da radiação incidente num corpo, parte é absorvida, outra parte é reflec@da e o resto é transmi@do. A radiação absorvida é aquela que aumenta, por exemplo, a temperatura do corpo. A radiação reflec@da é aquela que não é u@lizada pelo corpo, mas é reflec@da com um ângulo igual ou diferente do inicial. A radiação transmi@da é aquela que atravessa o corpo. Um corpo diz-‐se transparente quando deixa-‐se atravessar pela radiação. Caso contrário é opaco. No caso da Terra, a noção mais importante é de Albedo. O albedo da Terra é a percentagem de energia reflec@da pela Terra, tanto à superlcie como na atmosfera.

Termodinâmica e sistemas termodinâmicos

A termodinâmica é um ramo da lsica que estuda a Temperatura e as suas influências nos vários outros ramos. O que diferencia principalmente um sistema mecânico de um sistema termodinâmico é a importância da energia interna para o segundo, enquanto que no primeiro é desprezada.

A temperatura de um corpo pode ser muito ú@l para descobrir, por exemplo, a sua cor. Sabendo a sua temperatura podemos aplicar uma fórmula de Stefan-‐Boltzmann:

Sendo:-‐ I -‐ intensidade da radiação (energia p/unidade de tempo* unidade de área)-‐ e -‐ emissividade do corpo (0 para o emissor perfeito; 1 -‐ para um corpo negro)

-‐ T -‐ temperatura

A par@r da fórmula da lei de Stefan-‐Boltzmann podemos re@rar outras fórmulas, como por exemplo a fórmula da potência:

(P = I.A)

Podemos ainda verificar que quanto maior a temperatura, maior a intensidade, logo também a energia vai ser maior. A par@r da temperatura podemos obter a cor de um corpo, ou, se não possuir, descobrir em que zona do espectro electromagné@co se situa a radiação que reflecte (a cor resulta da reflexão e não emissão de fotões), através da fórmula:

Sendo:

-‐ -‐ comprimento de onda máximo emi@do pelo corpo-‐ B -‐ constante (2,898 x 10-‐3 m/K)-‐ T -‐ temperatura

A esta lei, de que o comprimento de onda máximo é igual à constante de Wien a dividir pela temperatura, damos o nome de Lei do deslocamento de Wien.

Equilíbrio térmico e Lei Zero da Termodinâmica

Segundo a Lei Zero da Termodinâmica, dois corpos em contacto com um terceiro a@ngem a mesma temperatura. Mas como calcular essa temperatura? Se es@vermos a falar de dois corpos iguais basta fazer uma média directa entre as duas temperaturas. Caso contrário temos que realizar proporções ou a par@r do calor que cada um emite e absorve.

Energia no aquecimento/arrefecimento de sistemas

Como já vimos existem duas formas principais de transferir energia: convecção e condução. Um exemplo de convecção são as correntes de ar que se formam numa sala com um aquecedor ligado. Um aquecedor emite ar quente para o exterior, ar que é menos denso que o ar frio, logo tem tendência para subir. Ao subir, o ar frio fica sem alterna@va se não descer. Ao subir o ar que era quente arrefece, e o ar frio em baixo aquece, fazendo com que o ciclo se repita. A este fenómeno damos o nome de correntes de convecção. Um exemplo de condução é o aquecimento de uma extremidade de um tubo de metal. Ao fim de algum tempo verificamos que a temperatura já está mais ou menos uniforme em todo o tubo. Como o metal conduz bem o calor, dizemos que este é um bom condutor térmico. Conduc@vidade térmica dos materiais

Um material bom condutor térmico é aquele que se deixa mais facilmente “espalhar” o calor pela sua superlcie, ex.: metais. Podemos definir a energia transferida sob a forma de calor por uma expressão, a expressão da corrente térmica, que diz:

Sendo:

-‐ (Phi) -‐ corrente térmica (J/s)-‐ Q -‐ quan@dade de calor (J)-‐ -‐ intervalo de tempo (s)

Podemos escrever ainda por esta expressão:

Sendo:-‐ A -‐ área (m2)-‐ l -‐ comprimento (m)

A esta lei, damos o nome de Lei de Fourier.

Aproveitamento da energia solar

Algumas formas de aproveitamento da energia solar são, por exemplo, os colectores solares ou os painéis solares.

Os primeiros funcionam de uma forma bastante simples. São resultado da combinação de vários @pos de materiais absorventes, no qual resulta o maior aproveitamento possível da energia solar. Para ajudar ainda mais, o tubo possuí a forma de uma cobra para aumentar a área de contacto. O segundo é mais complexo, mas também é o mais eficaz. Basicamente os painéis solares são cons@tuídos por muitas células fotovolteícas, que estão ligadas em série e que produzem uma série de energia que é armazenada na bateria do sistema. O inversor de corrente é essencial, porque a energia aproveitada neste sistema está sob a forma de corrente congnua (para um lado as cargas posi@vas, para outro as nega@vas) enquanto que as corrente nacional é alternada (vai-‐se alternando a posição das cargas.

Primeira Lei da Termodinâmica

A primeira Lei da Termodinâmica diz que num sistema isolado a variação da sua energia interna é nula, ou seja, a sua energia interna é sempre constante.

Assim, podemos observar:

Sendo:-‐ Q -‐ energia ob@da por calor;-‐ R -‐ energia ob@da por radiação;-‐ W -‐ energia ob@da por trabalho;

Ou seja, a soma da energia transferida por calor, por radiação e por trabalho tem que ser igual a zero, o que não quer dizer que cada uma destas tenha que ser igual a zero, apenas se uma for posi@va tem que haver outra com o mesmo valor nega@va. Quando falamos em energia posi@va, estamos a falar de energia que o sistema ganhou, enquanto que quando falamos em energia nega@va estamos a referir-‐nos à energia que o sistema perdeu.

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