1. Radiação electromagnética

 

Radiação electromagnética é a energia que se propaga no vácuo à velocidade de 300 mil km/s, podendo ser caracterizada por uma determinada frequência (Hz) e um comprimento de onda reportado ao vazio.

 

 

 

2. Absorção, emissão e transmissão de radiação

 

A radiação que incide num corpo pode ser absorvida (α), reflectida (ρ) e/ou transmitida (τ).

 

 

As fracções de energia que são reflectidas/difundidas, absorvidas e transmitidas dependem:

●  Das propriedades do corpo que recebe essa energia (Ex: os corpos opacos não transmitem radiação, os corpos polidos reflectem mais que os não polidos…)

●  Da frequência da radiação – os corpos absorvem apenas determinadas frequências da radiação.

 

Todos os corpos emitem radiação electromagnética (chamada radiação térmica) devido à temperatura a que se encontram.

 

 

2.1. Emissividade

 

O factor de emissão ou emissividade (e) caracteriza a tendência de um corpo para emitir e relação a um emissor perfeito. Para um emissor perfeito, e=1.

Não existe na natureza um emissor perfeito. O corpo negro é um modelo para caracterizar o emissor ideal: um corpo que emite, a qualquer temperatura, a quantidade máxima possível de radiação, em todos os comprimentos de onda, e absorve toda a radiação que nele incide.

 

 

2.2. Lei de Stefan-Boltzmann

 

 

 

2.3. Deslocamento de Wien

 

Qualquer que seja a temperatura a que se encontrem, os corpos emitem radiações em todas as frequências. No entanto, existe uma zona em que emitem com intensidade máxima. Esta zona não é sempre a mesma: desloca-se para maiores frequências (menores comprimentos de onda) à medida que a temperatura aumenta. As estrelas apresentam cores diferentes conforme a temperatura a que se encontram.

 

À medida que a temperatura aumenta, a potência total irradiada (área por baixo da curva) aumenta também. É por isso que é cada vez mais difícil aquecer um corpo à medida que a temperatura dele sobe: embora esteja a receber energia, perde grande quantidade por emissão).

 

 

3. Equilíbrio térmico

 

Os corpos estão constantemente a emitir radiação e a receber energia da radiação emitida por tudo o que os rodeia. Quando as temperaturas do sistema e da vizinhança se igualam, atingiu-se o equilíbrio térmico entre o corpo e as vizinhanças, i.e., as trocas de energia passam a processar-se a igual ritmo, sendo a potência da radiação absorvida igual à emitida para o corpo e para as vizinhanças.

 

 

 

4. Balanço energético da Terra

 

A Terra tem uma temperatura média que anda à volta dos 15ºC. Porquê? A Terra não é um absorvedor perfeito. Muita da radiação solar é reflectida. Apenas 70% da radiação solar contribui para o aumento da energia interna do globo. Para além disso o efeito de estufa permite que a Terra mantenha uma temperatura mais ou menos constante durante o dia e a noite.

 

 

 

5. Energia Solar

 

5.1. Painéis Fotovoltaicos

 

Uma célula fotovoltaica é, em geral, constituída por um cristal de silício (um semicondutor) em cujos extremos, por acção da radiação solar, é criada uma diferença de potencial.

A produção de electricidade por via fotovoltaica é insignificante face ao universo de produção de energia eléctrica a nível mundial.

Entre os factores principais que impedem a sua utilização em larga escala, encontra-se:

●  O elevado custo;

●  O baixo rendimento;

●  Os importantes investimentos de capital e a necessidade de ocupar grandes áreas de terreno.

 

Vantagens dos painéis fotovoltaicos:

●  Não dispõem de partes móveis;

●  São formados por módulos;

●  São inofensivos do ponto de vista ambiental;

●  Não produzem cheiros nem ruídos;

●  Exigem pouca manutenção;

●  Têm tempo de vida elevado (> 20 anos).

 

Aplicações dos painéis fotovoltaicos:

●  Satélites espaciais;

●  Electrificação rural;

●  Bombagem de água para irrigação;

●  Sinalização;

●  Alimentação de sistemas de telecomunicação;

●  Alimentação de dispositivos utilizados na dessalinização de água;

●  Alimentação de parquímetros;

●  Aplicação na micropotência eléctrica;

●  Aplicações nocturnas, ligadas à iluminação.

 

Para dimensionar um painel fotovoltaico, deve-se contabilizar a potência eléctrica de que se necessita, a potência solar média por unidade de área e o rendimento do processo.

 

 

5.2. Colectores solares

 

O funcionamento de um colector solar resume-se no seguinte: a radiação solar atinge as placas do colector aquecendo-as a elas e a um fluido (água e glicol) que circula no interior de tubos, graças à absorção de radiação solar. A tampa do colector é opaca à radiação IV, para reduzir as emissões dos tubos absorvedores, sendo a restante superfície do colector coberta por material isolante. Este fluido é obrigado a percorrer um circuito fechado, muitas vezes com a ajuda de um sistema de bombagem. O tubo que o constitui, em geral de cobre e coberto de negro, penetra num reservatório de água, aquecendo-a, por transferência de calor. O aquecimento do tubo de cobre, do fluido e da água é feito por condução. A circulação do fluido pelas tubagens é devido a correntes de convecção.

 

Factores de que depende o rendimento do colector solar:

●  Tipo de colector;

●  Diferença de temperatura entre o colector e as vizinhanças;

●  Intensidade da radiação solar;

●  Possibilidade d armazenar a energia;

●  Comportamento do consumidor face à utilização de água quente.

●  Eficiência óptica do colector (transparência e absorção devem ser elevadas);

●  Condutividade térmica do absorvedor;

●  Isolamento do colector;

●  Emissividade do absorvedor (deve ser o menor possível).

 

 

5.2.1. Condução

 

Quanto mais elevada é a temperatura de um sistema, maior a energia cinética das suas partículas. Quando dos sistemas, a diferentes temperaturas, são colocados em contacto térmico, passa energia do sistema mais quente para o mais frio, por interacção partícula a partícula – as partículas com maior energia cinética cedem energia às de menor energia). Não existe movimento dos materiais de que são feitos os sistemas.

Existem materiais, como os metais, que recebem ou cedem energia como calor, muito rapidamente (bons condutores do calor), ao passo que outros, como a madeira (isolantes térmicos), o fazem de um modo muito mais lento.

A transferência de calor através de um material de espessura d (distância entre duas superfícies planas S₁ e S₂) como é o caso da passagem de energia através das paredes de uma casa, tem o sentido da zona mais quente para a zona mais fria.

Define-se condutividade térmica k_T, no SI, como a quantidade de calor que atravessa, por segundo, a espessura de 1 m entre duas superfícies paralelas de área igual a 1 m², quando a diferença de temperatura entre essas superfícies é 1ºC. A unidade SI de condutividade térmica é W m^-1 K^-4 .

A quantidade de energia transferida por unidade de tempo () é directamente proporcional à área das superfícies, inversamente proporcional à espessura, e depende dos materiais e da diferença entre as temperaturas das duas superfícies.

Os metais são os melhores condutores de calor.

 

 

5.2.2. Convecção

 

O mecanismo de transferência de energia como calor, efectuado, em geral por materiais líquidos e gasosos é a convecção: transporte de energia por deslocamento de matéria.

Quando um fluido (líquido ou gás) é aquecido, a massa de fluido mais próxima da fonte térmica aquece primeiro que a restante aumentando de volume e ficando, por isso, menos densa. O restante fluido, a uma temperatura mais baixa e, portanto, mais denso, tende a ocupar a parte inferior do recinto ou do recipiente que o contém, obrigando a fracção mais quente a subir Formam-se assim, movimentações no fluido, denominadas correntes de convecção.

 

 

6. 1ª Lei da Termodinâmica

 

 

 

7. 2ª Lei da Termodinâmica

 

 

 

7.1. Entropia

 

A mudança ocorre sempre que se verificam diferenças, desequilíbrios, e deixa de ocorrer quando se atinge a igualdade, o equilíbrio.

Existe uma grandeza física ligada à diminuição da qualidade da energia – a entropia.

A entropia aumenta sempre que a qualidade de energia diminui e atinge um máximo em condições de equilíbrio. A entropia é então a grandeza física cujo aumento vai indicar o sentido da mudança: a Natureza evolui em processos que façam aumentar a entropia o Universo. Por isso se costuma chamar à entropia a seta do tempo.

 

 

7.2. Relação entre 1ª e 2ª leis da Termodinâmica

 

A 2ª lei da Termodinâmica não contraria a lei da Conservação da Energia! A 1ª Lei da Termodinâmica afirma que a quantidade total de energia que existe no Universo é sempre a mesma. A totalidade da energia mantém-se, mas diminui a capacidade de realização de trabalho.

Há uma permanente degradação da "qualidade" da energia. Este comportamento da Natureza é expresso pela 2ª Lei da Termodinâmica. A 2ª Lei da Termodinâmica completa a 1ª pois, ao determinar o sentido da evolução espontânea de qualquer fenómeno, explica o que acontece em termos energéticos.

A 2ª Lei da Termodinâmica trata do sentido natural da mudança da distribuição da energia, independentemente da sua quantidade total.

 

 Patrícia Silva