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1.1. Das fontes de energia ao utilizador 1.1.1. Fontes de Energia Sol – Principal fonte de Energia (3,9 x 1026J / segundo) Terra – Receptor de energia (recebe 1,7 x 107J / segundo) – armazenada sob forma de carvão, petróleo e gás natural. Carvão – mais abundante e mais poluente (CO2, SO4 e NO4). Petróleo – hidrocarbonetos. Associado ao gás natural. Grande responsável pela poluição atmosférica Gás Natural – Constituído por metano, é o menos poluente. Energias Renováveis . Energia Solar . Energia eólica . Energia Geotérmica . Energias das ondas e marés . Biomassa e Biogás 1.1.2. Transferências e transformações de energia Manifestações de Energia: Energia eléctrica – Interacção de Cargas eléctricas Energia Mecânica – Movimento de Corpos Energia Química – Transformações químicas Energia Radiante – Luz e radiações Energia Nuclear – Núcleo atómico A energia transfere-se para um ou mais receptores. Nestes, é transformada noutro tipo de energia. Destas transformações resulta sempre calor, ou seja, degradação de energia. Rendimento – medida de eficiência de uma máquina. É sempre inferior a 100%
1.1.3. Conservação de Energia Sistema – corpo limitado por uma fronteira. Sistema Fronteira Vizinhança (Exemplo):
Sistema “Terra”
1.1.4. Energia Mecânica Energia Cinética – Está associada ao movimento relativo dos corpos Energia Potencial – está associada ao campo de forças existente no sistema. A soma destas duas formas de energia dá-nos o valor da Energia Mecânica. 1.1.5. Energia Interna. Temperatura A energia Interna de um Sistema é a soma das energias cinéticas e potenciais dos seus corpúsculos. Assim: Em = Ei Quanto maior a sua massa maior a Ei. Quanto maior a temperatura, maior a Ei. Temperatura = Ecinética média dos corpúsculos.
1.1.6. Trabalho, Calor e Potência. Radiação Trabalho – Energia transferida entre sistemas mecânicos Ou Energia transformada de uma forma em outra forma
Trabalho Realizado por uma força
Calor – energia interna em trânsito entre corpos a diferentes temperaturas. As quantidades de calor: . São directamente proporcionais à massa da substância que se aquece. . São directamente proporcionais às variações de temperatura.
Potência
Radiação . Directamente proporcional à frequência dos fotões que a constituem. . O seu comprimento de onda é inversamente proporcional à energia dos fotões. 1.1.7. Lei da Conservação da Energia. Balanços Energéticos Lei da Conservação de Energia – Num sistema isolado a energia total é conservada, mantendo-se sempre constante. Apenas pode transformar-se de uma forma noutra forma. 1.2. Energia – Do Sol para a Terra 1.2.1. Emissão e Absorção de Radiação. Lei de Stefan-Boltzman. Deslocamento de Wien. Todos os corpos irradiam energia, isto é, qualquer corpo cuja temperatura é superior ao zero absoluto transmite radiação. Os corpos que têm boas características emissivas também são bons absorsores de radiação. Assim, a elevação de temperatura é: . Maior na face preta do que incidindo luz numa parte branca. . Maior na face baça do que incidindo luz na face polida. A potência total irradiada por uma superfície é directamente proporcional à sua área e à quarta potência da sua temperatura absoluta. Traduz-se por:
Deslocamento de Wien: “Há uma proporcionalidade inversa entre o comprimento de onda máximo e a temperatura do corpo”
1.2.2. Sistema Termodinâmico Sistema termodinâmico é aquele em que são apreciáveis as variações de energia interna. Volume, pressão e temperatura são as variáveis deste sistema. 1.2.3. Sistema Térmico. Lei zero da Termodinâmica Se dois sistemas estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, também estão em equilíbrio entre si. O equilíbrio pode ser: . Térmico – Contacto térmico . Químico – Transferência de partículas . Mecânico – Se os sistemas realizarem trabalho A potência irradiada por um corpo é igual à potência que ele absorve na forma de radiação dos corpos vizinhos. 1.2.4. Painéis Fotovoltaicos Colectores solares térmicos – absorvem a radiação Painéis Fotovoltaicos – transformam a radiação em electricidade 1.3. A Energia no Aquecimento/ Arrefecimento de Sistemas 1.3.1. Condução e Convecção Condução – processo de transferência de calor nos corpos sólidos. Ocorre sem transporte de matéria. Convecção – processo de transferência de calor nos fluidos. Ocorre com transporte de matéria. 1.3.2. Condutores e isoladores de calor. Condutividade térmica
Condutividade:
1.3.3. 1ª Lei da Termodinâmica
Considera que: A energia que se fornece ao sistema, sob forma de calor ou trabalho, é positiva A energia que o sistema cede às vizinhanças, é negativa. 1.3.4. Aplicações Adiabática – calor constante / E= W Isotérmica – temperatura constante / W= -Q Isobárica – pressão constante / W= - F x Dx E= W Isocórica – volume constante / E= Q 1.3.5. 2ª Lei da Termodinâmica Postulado de Kelvin – É impossível um sistema receber energia como calor e transformá-la em trabalho. Postulado de Clausius – É impossível transferir calor, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais baixa para outro sistema a temperatura mais baixa. Outro modo: “É impossível a ocorrência de um processo, no qual há um decréscimo total da entropia do sistema.” 1.3.6. Rendimento Máquinas Térmicas:
Máquinas Frigoríficas:
1.4. Transferências e Transformações de Energia em sistemas complexos 1.4.1. Sistema Mecânico. Modelo da Partícula Material (Centro de Massa) Sistema mecânico – Possui: . Energia Cinética Macroscópia; . Energia Potencial. Quando o corpo está parado a E. cinética é nula. Sistema Termodinâmico – Com variação de temperatura Quando o corpo trava, perde velocidade, logo, perde energia cinética (força de atrito contrária ao movimento:
Força de atrito – Forças dissipativas, isto é, fazem diminuir a temperatura do corpo. Só há atrito se a superfície for rugosa. Se o atrito se opõe ao movimento, diminui a E. Cinética.
Pela conservação de Energia: . E. Sistema = 0 . E. mecânica + E. interna = 0 . E. mecânica = - E. interna Quando actuam forças de atrito: . E. m < 0 – Diminuiu . E. int. > 0 – Aumenta 1.4.2. Validade da Representação de um sistema pelo C.M. Não se pode representar um sistema por uma só partícula quando este é deformável, isto é, a distância entre dois pontos varia ou quando o sistema é termodinâmico, isto é, há variações de Energia Interna. Características do centro de massa (C.M.): . Deslocação igual, como se possuísse massa igual à do referido sistema; . As forças exercentes no sistema actuam de igual modo no C.M; . C.M. com movimentos de translação pura; . A velocidade do C.M. é igual, em qualquer instante, à de quaisquer partículas existentes no sistema. Sistema Complexo – Pode Representar-se pelo seu C.M. (ponto material) se nele actuarem forças que nele realizem trabalho. 1.4.3. Trabalho de forças constantes que actuam num sistema em qualquer direcção Forças podem ser: . Instantâneas – actuam em intervalos de curto tempo; . Constantes – não variam direcção, sentido ou intensidade . Variáveis – alterações na direcção, no sentido e na intensidade Força Eficaz – Responsável pelo trabalho e pelo movimento
Deslocamento O trabalho realizado pela força constante, quando se desloca no seu ponto de aplicação, é igual ao produto da componente da força na direcção do deslocamento pelo valor do deslocamento do ponto de aplicação da força.
1.4.4. Acção das forças dissipativas Energia Cinética de translação através de forças dissipativas transforma-se em Energia Interna. 1.5. Energia de Sistemas em Movimento de Translação 1.5.1. Teorema da Energia Cinética Quando uma força actua no sentido: . Do movimento – O trabalho é positivo. Há um aumento de Energia Cinética. . Oposto ao movimento – O trabalho é negativo. A Energia Cinética diminui.
O trabalho realizado pela resultante das forças que actuam numa partícula em movimento de translação é igual à variação da energia cinética dessa partícula durante o intervalo de tempo em que as forças actuam.
A partir deste teorema pode-se afirmar que: . Se W> 0, a velocidade aumenta . Se W <0, a velocidade diminui . Se W=0, a velocidade é constante 1.5.2. Trabalho Realizado pelo peso de um corpo Força gravítica = peso
Sendo o trabalho realizado pelo peso negativo, pois o peso e deslocamento têm direcções iguais mas sentidos opostos. Quando um corpo cai, a força resultante é apenas o peso, ou seja: W.fr = W.P W.P = - E.c O trabalho realizado pelo peso entre dois corpos é simétrico da variação de energia potencial gravítica do sistema “corpo – Terra”, para pontos próximos da superfície terrestre. 1.5.3. Peso como Força Conservativa Em geral, o trabalho realizado por uma força conservativa é simétrico da variação de energia potencial associada a essa força, ou seja
1.5.4. Energia Potencial Gravítica Depende: . Do peso do corpo . Da altura a que se encontra do solo
.
1.5.5. Conservação da energia Mecânica 1.5.6. Acção das Forças Não Conservativas As forças não – conservativas fazem variar a energia mecânica dos sistemas. Há dissipação de energia.
O trabalho realizado sobre o C.M. pelas forças não conservativas calcula-se através da variação da energia mecânica total do sistema.
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