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Cristina Vieira da Silva Resumo 9F ÍSICA E Q UÍMICA A - 10 º ANO
Resumo
Unidade 1 de Física: desde Mecanismos de transferência de energia até ao final
Mecanismos de transferência de energia como calor
Há transferência de energia sob a forma de calor quando existe interacção entre dois sistemas a temperaturas diferentes. Esta transferência de energia pode dar-se sob dois mecanismos diferentes: condução e convecção.
Na condução, as partículas que constituem o sistema recebem energia e agitam-se mais, propagando-se essa agitação às outras partículas. Neste processo, que ocorre essencialmente nos sólidos, não há deslocamento das partículas que constituem o sistema.
No entanto, nem todos os materiais sólidos conduzem a energia sob a forma de calor do mesmo modo. Há materiais que transferem a energia rapidamente (bons condutores térmicos) e outros lentamente (maus condutores térmicos).
Se tivermos uma barra feita de um determinado material, cujas extremidades estejam a temperaturas diferentes, verifica-se que a taxa temporal com que a energia é transferida ( é dada pela expressão:
em que
A – área da secção recta da barra l – comprimento da barra
T – diferença de temperatura entre as extremidades da barra
k – condutividade térmica, propriedade característica de cada material, cuja unidade SI é o W m-1 K-1 Dependendo do valor da condutividade térmica, os materiais podem ser considerados:
bons condutores de calor (condutividade térmica elevada)
maus condutores de calor (condutividade térmica baixa)
Outra forma de transferência de energia como calor, além da condução, é a convecção. Neste processo, que ocorre fundamentalmente em fluidos (líquidos e gases), há deslocamento da matéria devido à acção da gravidade.
Para qualquer fluido, quando há um aumento da temperatura, há uma diminuição da densidade ou massa volúmica. Assim, o fluido a maior temperatura (menos denso) sobe e o fluido a menor temperatura (mais denso) desce. É a este deslocamento de matéria que se chama de correntes de convecção.
Capacidade térmica mássica e variação de entalpia
Quando há transferências de energia sob a forma de calor, a pressão constante e sem mudança de fase, a energia transferida (cedida ou transferida) é dada pela expressão:
em que c é a capacidade térmica mássica da substância, cuja unidade SI é o J kg-1 K-1.
A capacidade térmica mássica está relacionada com a maior ou menor facilidade que a substância tem para ceder ou receber energia sob a forma de calor.
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Cristina Vieira da Silva Resumo 9 No entanto, quando um sistema, a pressão constante, está a sofrer uma mudança de fase, não sofre variação de temperatura, apesar de estar a receber ou ceder energia sob a forma de calor.A energia que é cedida ao sistema serve para quebrar as ligações entre as moléculas que constituem o sistema e não para aumentar a sua agitação (a sua energia cinética interna) isto é, a sua temperatura, daí ela se manter constante.
A energia recebida ou cedida por um sistema, quando se está a dar uma mudança de fase, a pressão constante, é dada pela expressão:
em que H é a variação de entalpia de transformação, característica de cada substância, para uma dada mudança de estado físico. A unidade SI é J kg-1.
Para cada substância, a uma determinada pressão, estão tabelados os respectivos valores da variação de entalpia de fusão (Hf) e a variação de entalpia de vaporização (Hv).
1ª Lei da Termodinâmica. Balanços energéticos
A 1ª Lei da Termodinâmica, também conhecida como a Lei da Conservação da Energia, pode ser traduzida pela expressão:
em que
U = variação da energia interna do sistema W = energia transferida sob a forma de trabalho Q = energia transferida sob a forma de calor R = energia transferida sob a forma de radiação
Exemplificando, pode-se transferir energia para uma determinada massa de água:
sob a forma de trabalho, usando uma batedeira;
sob a forma de calor, colocando-a na placa eléctrica do fogão;
sob a forma de radiação colocando-a num forno de microondas.
Por convenção:
se o sistema recebe energia, esta tem o sinal positivo, pois há um aumento da energia interna do sistema (U>0);
se o sistema cede energia, esta tem o sinal negativo, pois há uma diminuição da energia interna do sistema (U>0).
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Cristina Vieira da Silva Resumo 92ª Lei da Termodinâmica
De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, só são possíveis as transformações que ocorram com conservação de energia. Mas, nem todas as transformações que satisfazem esta lei podem ocorrer na Natureza.
Temos dois tipos de processos:
irreversíveis: depois de concluídos, não se consegue voltar ao estado inicial (um prato que se parte, não volta, espontaneamente, ao estado inicial);
reversíveis: depois de concluídos, o sistema regressa ao estado inicial, sem alteração quer no sistema quer nas vizinhanças.
Então, numa transformação reversível, não pode haver energia dissipada, isto se se quiser que não haja alterações nas vizinhanças. No entanto, já sabemos que qualquer transferência de energia é sempre acompanhada de perda de energia útil, isto é, há sempre degradação de energia, razão pela qual o rendimento é sempre inferior a 100%. Repare-se que isto não contradiz a 1ª Lei da Termodinâmica, pois continua a haver conservação da energia.
A 2ª Lei da Termodinâmica prevê esta degradação de energia: os processos que ocorrem espontaneamente na Natureza dão-se sempre com diminuição da energia útil.
Associada a esta lei surge uma nova grandeza física, a entropia, que mede o grau de desorganização interna de um sistema – quanto maior a entropia do sistema maior a sua desordem. Em termos energéticos, quanto maior a entropia do sistema menor é a qualidade da energia.
Então, podemos enunciar a 2ª Lei da Termodinâmica em termos de entropia: as transformações espontâneas (processos irreversíveis) ocorrem, espontaneamente, no sentido do aumento da entropia do Universo.
Colectores solares
Aproveita-se a energia da radiação solar para aquecer fluidos utilizando colectores solares. Os mais usados são os colectores solares planos, cuja constituição é a seguinte:
uma placa ou cobertura transparente à radiação (vidro ou acrílico), com tratamento anti-reflexo no exterior (para minimizar a reflexão da radiação). Esta cobertura é transparente À radiação visível mas não deixa sair para o exterior a radiação infravermelha, que vai provocar um efeito de estufa;
uma placa colectora, de cor negra. A esta placa estão soldados tubos de cobre (boa condutividade térmica) pintados de negro, que vão aquecer por condução. No interior destes tubos encontra-se o fluido, que vai aquecer por condução (pois está em contacto com o tubo de cobre), criando-se correntes de convecção.
uma caixa isoladora, para evitar perdas de energia na forma de calor para o exterior e para dar maior rigidez ao sistema.
Os colectores solares devem ser colocados nos telhados e orientados de forma a que a radiação incidente seja máxima.
