SITUAÇÃO ENERGÉTICA MUNDIAL E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA 2 . CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

1. SITUAÇÃO ENERGÉTICA MUNDIAL E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA

2. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

Escola Secundária Maria Lamas – Torres NovasFísica e Química A – 10º AnoNelson Alves Correia

FÍSICA – MÓDULO INICIAL - DAS FONTES DE ENERGIA AO UTILIZADOR

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 EnergiaSituação Energética MundialTransformações de EnergiaDegradação de EnergiaRendimentoUso Racional de EnergiaSistemasEnergia dos SistemasTransferências de Energia: CalorTransferências de Energia: TrabalhoTransferências de energia: PotênciaTransferências de Energia: RadiaçãoConservação 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.


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 pelaletra 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

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.

Sistema fechadoSistema aberto

Aquário dentro de uma caixa térmica(feita de um material isolador do calor)

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).


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


A energia interna depende da massa (quantidade de matériaou 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 aenergia interna.


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).

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 oequilíbrio térmico: os sistemas ficam com a mesma temperatura (mas podem não ficar com a mesma energia interna).


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 recebermais calor, para provocar a mesma variação de temperatura(a sua capacidade térmica mássica é maior).

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: 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 precisade um meio material), através de ondas electromagnéticas (oscilações dos campos eléctrico e magnético) e de fotões.


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 oscilaçãoh = constante de Planck = 6,626 x 10-34 J sc = 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.


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


Os valores destas energias podem ser calculados através deum 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.


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