do sol ao aquecimento -...
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DO SOL AO
AQUECIMENTO
A energia no aquecimento/ arrefecimento de
sistemas
A ENERGIA NO
AQUECIMENTO/
ARREFECIMENTO DE
SISTEMAS Mecanismos de transferência de energia entre
sistemas a diferentes temperaturas
18-04-2013 Dulce Campos 2
Energia térmica é a fracção da energia interna de
um corpo que pode ser transferida devido a uma
diferença de temperaturas
∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄
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
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 construção
de uma casa: localização; orientação; área exposta; cor das paredes;
sombreamento.
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Colectores Solares
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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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• 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 como
processos 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 as
diversas mudanças que a natureza sofre. Esta é uma ideia muito abstracta porque é
um princípio matemático. Não é a descrição de um mecanismo, nem algo de
concreto: é justamente um facto estranho que possamos calcular um dado número e
que, quando observamos a natureza, depois de levar a cabo as suas habilidades, e
calculemos o número de novo, ele é o mesmo.
Richard Feynman
1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia
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∆ 𝑼 = ∆𝑬𝒔𝒆𝒏 + ∆𝑬𝒍𝒂𝒕 + ∆𝑬𝒒𝒖𝒊 + ∆𝑬𝒏𝒖𝒄
Etotal = Ep macroscópica + Ec macroscópica + U
∆𝑬𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟎
Se se considerar todas as contribuições energéticas, macroscópicas
e microscópicas,
∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝟎
Sistema isolado
1ª Lei da Termodinâmica/Lei Conservação Energia
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∆𝑬𝑷 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑬𝑪 𝒎𝒂𝒄𝒓𝒐𝒔 + ∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹
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
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹
∆𝑼𝒔𝒊𝒕𝒆𝒎𝒂 𝒊𝒔𝒐𝒍𝒂𝒅𝒐 = 𝟎
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 pelo
facto 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
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹
∆𝑈 = 0 + 0 + 𝑅 ⟺ ∆𝑼 = 𝑹
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 êmbolo
Compressão do gás
∆𝑼 = 𝑸 + 𝑾 + 𝑹
∆𝑈 = 0 + 𝑊 + 0 ⟺ ∆𝑼 = 𝑾
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:
∆𝑼 = −𝑾
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
∆𝑼 = 𝑸 + 𝟎 + 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 energia
interna do sistema é igual ao trabalho mecânico
realizado pelo ou sobre o sistema.
Em processos isocóricos, a variação da energia
interna é igual ao calor transferido de ou para o
sistema
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
𝑄 = 𝑚 𝑐 △ 𝑇 Capacidade térmica
mássica
(Jkg-1K-1)
𝛥U= m c ΔT
𝑄 = 𝑚 𝐿
Δ𝑈 = 𝑚𝐿
Calor
transformação
mássico
Calor Latente
de …
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18-04-2013 Dulce Campos 29
18-04-2013 Dulce Campos 30
Temperatura em função do tempo de aquecimento e da energia fornecida
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