3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor

Transcrição

1 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Condução Processo de transferência de energia sob a forma de calor que ocorre devido ao choque das partículas e sem transporte de matéria (as partículas não se deslocam). As partículas que estão perto da fonte de calor aquecem (ficam com mais energia cinética), chocam com as partículas mais próximas e transferem parte da sua energia. Este processo repete-se e o calor é conduzido ao logo do material.

2 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Ocorre principalmente nos sólidos, mas também ocorre nos líquidos e nos gases. Os metais são bons condutores de calor porque têm eletrões livres, que podem chocar facilmente e transferir rapidamente a energia através do material. Os materiais pouco densos, como o ar, a lã, a cortiça ou a esferovite são maus condutores de calor, porque têm menos partículas, o que torna mais difícil a condução do calor.

3 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Convecção Processo de transferência de energia sob a forma de calor que ocorre em gases e líquidos devido ao movimento das partículas. O gás ou o líquido aquece, fica menos denso e sobe, transferindo parte da sua energia para outras partículas. Depois, arrefece, fica mais denso e desce até se aproximar da fonte de calor e aquecer novamente.

4 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Este processo repete-se formando correntes de convecção que permitem uma transferência rápida de calor. Para aumentar a eficiência do processo podem usar-se ventoinhas.

5 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Balanço energético É um esquema que permite compreender as transformações e transferências de energia num sistema. O sistema é representado por um círculo. A energia que entra no sistema (energia fornecida) e a energia que sai do sistema (energia útil e energia dissipada) são representadas por setas.

6 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Num balanço energético pode-se efetuar os seguintes cálculos: Energia fornecida = Energia útil + Energia dissipada E f = E u + E d Rendimento = Energia útil / Energia fornecida x 100 η = E u / E f x 100 O rendimento mede-se em percentagem. Não existe nenhum processo com rendimento de 100% (é sempre menor que 100%) porque há sempre energia que se dissipa.

7 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Numa lâmpada incandescente, cerca de 95% da energia elétrica fornecida vai ser transformada em calor (energia dissipada), que se perde para o ambiente. Apenas cerca de 5% da energia elétrica é transformada em energia luminosa (energia útil).

8 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Numa lâmpada incandescente o rendimento é 5%. Isto significa que por cada 100 J de energia elétrica fornecida, 5 J saem na forma de energia luminosa e 95 J são dissipados para o ambiente na forma de calor. h = E u / E f x 100 = 5 / 100 x 100 = 5%

9 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Numa lâmpada fluorescente compacta o rendimento é 20%. Isto significa que por cada 100 J de energia elétrica fornecida, 20 J saem na forma de energia luminosa e 80 J são dissipados para o ambiente na forma de calor.

10 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor Numa central térmica de produção de energia elétrica o rendimento é 40%. Isto significa que 40% da energia fornecida pelo combustível fóssil é transformada em energia elétrica, sendo a restante energia (60%) dissipada na forma de calor.

11 3.1 Mecanismos de transferência de energia sob a forma de calor

12 3.2 Bons e maus condutores de calor Bom condutor do calor (mau isolante térmico) Material que possui uma condutividade térmica elevada. Ex: metais. Mau condutor de calor (bom isolante térmico) Material que possui uma condutividade térmica baixa. Ex: lã, cortiça, esferovite, madeira, borracha, poliestireno ou poliuretano. Estes materiais reduzem as trocas de energia na forma de calor, entre o interior e o exterior das habitações, e baixam os custos de consumo energético dos aparelhos de climatização.

13 3.2 Bons e maus condutores de calor Condutividade térmica (K T ) Quantidade de energia, sob a forma de calor (Q), que atravessa, em cada segundo ( t), a espessura (L) de 1 m do material, compreendida entre duas superfícies paralelas de área (A) igual a 1 m 2, quando a diferença entre as temperaturas (T 2 T 1 ) dessas superfícies é de 1 K (1 C). A unidade SI de condutibilidade térmica é W.m -1.K -1 (W = J.s -1 ) Quantidade de calor que atravessa o material por segundo: T 2 T 1 Q t = KT A T ) T + L L

14 3.2 Bons e maus condutores de calor

15 3.2 Bons e maus condutores de calor Capacidade térmica mássica (c) Quantidade de energia, na forma de calor, que o material absorve ou liberta, por unidade de massa, quando a sua temperatura varia de 1 K (1 C), sem ocorrer mudança de estado físico. c - capacidade térmica mássica do material Q - quantidade de energia transferida como calor m massa do material θ variação da temperatura do material

16 3.2 Bons e maus condutores de calor A capacidade térmica mássica da água é 4186 J.kg -1.K -1 Isto significa que é necessário fornecer 4186 J de energia a 1 kg de água para que a sua temperatura aumente 1 K (1 C). A capacidade térmica mássica do ferro é menor do que a da água (443 J.kg -1.K -1 ), o que significa que a temperatura do ferro aumenta mais facilmente. Quando se fornece igual quantidade de energia, na forma de calor, a dois corpos com igual massa, um constituído por ferro e o outro constituído por água, verifica-se um aumento de temperatura no ferro superior ao aumento de temperatura na água.

17 3.2 Bons e maus condutores de calor A água tem uma capacidade térmica mássica muito elevada. A água necessita de absorver muita energia para aumentar a sua temperatura, e também liberta muita energia quando a sua temperatura baixa.

18 3.2 Bons e maus condutores de calor Isto significa que a água demora mais tempo a aquecer e a arrefecer. Durante o dia, a temperatura atmosférica é menor junto ao mar porque a temperatura do mar não aumenta tanto como a do continente. Durante a noite, temperatura atmosférica é maior junto ao mar porque a temperatura do mar não desce tanto como a do continente.

19 3.2 Bons e maus condutores de calor

20 3.2 Primeira Lei da Termodinâmica A energia fornecida a um sistema termodinâmico resulta da soma de: Q Energia que o sistema recebe sob a forma de calor; W Energia fornecida ao sistema sob a forma de trabalho. Energia fornecida = Q + W

21 3.2 Primeira Lei da Termodinâmica Primeira Lei da Termodinâmica A variação da energia interna ( U ) de um sistema com massa constante só pode ficar a dever-se a trocas de energia entre o sistema e a sua vizinhança, quer na forma de calor, quer na forma de trabalho. Sistema Q W U i U f U = U f - U i U = Q + W

22 3.2 Primeira Lei da Termodinâmica Q e W são positivos quando a energia entra no sistema. Q e W são negativos quando a energia sai do sistema. Primeira Lei da Termodinâmica (Lei da Conservação da Energia) Num sistema isolado, não há trocas de energia com o exterior, pelo que Q = 0, W = 0 e U = Q + W = 0. Neste caso, a energia do sistema fica constante: U = U f - U i = 0 e U f U i = 0 A energia total do Universo não varia porque é um sistema isolado ( U = 0).

23 3.2 Primeira Lei da Termodinâmica A energia libertada pela combustão da gasolina num motor de automóvel nunca é totalmente transferida para o motor na forma de trabalho mecânico (energia útil). A maior parte dessa energia perde-se como calor (energia dissipada), sendo transferida para o motor e para o ambiente durante o movimento do automóvel. Universo Motor

24 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica A entropia (S) é uma grandeza que mede a desordem de um sistema. Quando o gelo funde a entropia aumenta. Quando o gelo funde (recebe energia na forma de calor), a água passa do estado sólido para o estado líquido e a estrutura ordenada das moléculas de água no gelo é destruída. Isto acontece porque a energia cinética média das moléculas é maior no estado líquido do que no estado sólido. Q

25 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica A entropia (desordem) do Universo aumenta em todos os processos naturais. O sentido da transferência espontânea de energia do corpo mais quente para o corpo mais frio obedece à Segunda Lei da Termodinâmica.

26 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica Máquina térmica Transforma calor em trabalho (energia útil). Ex: máquina a vapor, motor de automóvel e reator nuclear.

27 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica A máquina térmica recebe de uma fonte quente (gasolina ou carvão em combustão ) a energia Q 1 na forma de calor, e converte-a parcialmente em trabalho útil (movimento de um êmbolo, rotação de um eixo ), cedendo o restante calor Q 2 a uma fonte fria (atmosfera, água do rio ). O sentido da transferência de calor está de acordo com a 2ª Lei da Termodinâmica.

28 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica Rendimento (h) Quociente entre a energia transferida para o exterior na forma de trabalho (W) e a energia recebida da fonte quente na forma de calor (Q 1 ). O rendimento mede-se em percentagem. h = W / Q 1 x 100 Não existe nenhuma máquina térmica com rendimento de 100% (é sempre menor que 100%) porque a máquina não transforma em trabalho toda a energia que recebe da fonte quente (perde energia na forma de calor para a fonte fria).

29 3.2 Segunda Lei da Termodinâmica

30 Escola Secundária de Maria Lamas Física e Química 12º Ano Profissional Nelson Correia