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FÍSICA – MÓDULO INICIAL - DAS FONTES DE ENERGIA AO UTILIZADOR. SITUAÇÃO ENERGÉTICA MUNDIAL E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA 2 . CONSERVAÇÃO DA ENERGIA. Escola Secundária M aria L amas – Torres N ovas Física e Química A – 10º Ano Nelson Alves Correia. Objectivos.
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FÍSICA – MÓDULO INICIAL - DAS FONTES DE ENERGIA AO UTILIZADOR SITUAÇÃO ENERGÉTICA MUNDIAL E DEGRADAÇÃO DE ENERGIA2. CONSERVAÇÃO DA ENERGIA Escola Secundária Maria Lamas – Torres NovasFísica e Química A – 10º AnoNelson Alves Correia
Objectivos Analisar e comparar dados relativos a estimativas de consumo energético nas principais actividades humanas e reconhecer a necessidade de utilização de energias renováveis. Indicar vantagens e inconvenientes da utilização de energias renováveis e não renováveis. Associar a qualquer processo de transferência ou de transformação de energia um rendimento sempre inferior a 100% (degradação de energia). Identificar factores que contribuem para o uso racional das fontes de energia.
Objectivos Identificar, em processos de transferências e transformações de energia, o sistema, as fronteiras e a vizinhança. Caracterizar um sistema. Identificar a energia cinética como a energia associada ao movimento e a energia potencial como a energia resultante de interacções. Identificar a energia mecânica de um sistema como a soma das respectivas energias cinética e potencial. Caracterizar a energia interna como propriedade de um sistema.
Objectivos Identificar trabalho e calor como quantidades de energia transferidas entre sistemas. Distinguir calor, trabalho e potência e explicitar os valores destas grandezas nas respectivas unidades SI. Identificar transferências de energia como trabalho, calor e radiação. Caracterizar a radiação electromagnética. Interpretar o significado físico da Lei da Conservação da Energia e aplicá-la a situações do dia-a-dia, efectuando balanços energéticos.
Conteúdos Fontes de Energia Situação Energética Mundial Transformações de Energia Degradação de Energia Rendimento Uso Racional de Energia Sistemas Energia dos Sistemas Transferências de Energia: Calor Transferências de Energia: Trabalho Transferências de energia: Potência Transferências de Energia: Radiação Conservação da Energia
Fontes de Energia Todas as actividadesdos seres vivos precisam de energia. A energia é responsável pelo desenvolvimentocientífico,tecnológico e social, permitindo o funcionamento de aparelhos e a criação de novos materiais. Fontes de energia – Materiais que fornecem energia.Podem ser fontes de energia renováveisou não renováveis. Receptores de energia – Materiais que recebem energia.
Fontes de Energia Fontes de energia renováveis – Não se esgotam (são ilimitadas), porque estão sempre a ser produzidas pela natureza: Sol, vento, água, marés, ondas do mar, biomassa, biogás e calor do interior da Terra. O Sol é a principal fonte de energia da Terra (as estrelas são a fonte de energia do Universo). Fontes de energia não renováveis– Esgotam-se (são limitadas), porque a natureza demora milhões de anos para as produzir: combustíveis fósseis(carvão, petróleo e gás natural),e materiais radioactivos (urânio e tório).
Situação Energética Mundial Cerca de 95% da energia utilizada pelo Homem vem das fontes de energia não renováveis. O rápido aumento populacional e o desenvolvimentocientífico, tecnológico e social, desde a Revolução Industrial, provocou um consumo excessivo de energia e dos combustíveis fósseis. Os combustíveis fósseis são muito poluentes: quando são queimados libertam óxidos de enxofre e de azoto, que formam as chuvas ácidas, e dióxido de carbono, que provoca o aquecimento global. O gás natural é o menos poluente.
Situação Energética Mundial Estamos perante um problema energético mundial (crise energética) porque as fontes de energia não renováveis são muito poluentes, estão a alterar o clima, estão a esgotar-se e o seu preço está a aumentar. É necessário utilizar as fontes de energia renováveis para diminuir a poluição e as emissões de dióxido de carbono (CO2).
Transformações de Energia A energia pode ser armazenada, transferida (da fonte para o receptor) e transformada noutra forma de energia. Os aparelhos eléctricos transformam a energia eléctrica em energia radiante (luz), energia interna (calor), energia mecânica(movimento), energia sonora (som) e energia química (substâncias químicas das pilhas e baterias).
Degradação de Energia Degradação de energia/ Energia dissipada (degradada) – Energia que se perde(dissipa ou degrada) para o meio ambiente, durante as transferências e transformações de energia, normalmente na forma de calor, e que não é utilizada. Quando se fornece energia (energia fornecida - Ef) a uma máquina, há uma parte que é utilizada (energia útil - Eu)e outra parte que não é utilizada (energia dissipada - Ed): Ef= Eu + Ed
Rendimento Rendimento – É uma medida da eficiência com que uma máquina utiliza a energia fornecida. Representa-se pelaletra grega η (eta) e calcula-se em percentagem, dividindo a energia útil (Eu) pela energia fornecida (Ef): η = (Eu / Ef) x 100 O rendimentode uma transferência ou transformação de energia e de uma máquina é sempre inferior a 100%,porque existe sempre energia dissipada (degradação de energia) e a Ef > Eu. Se uma máquina transformasse toda a energia fornecida em energia útil (Ed = 0), o seu rendimento seria 100%.
Uso Racional de Energia No dia-a-dia, devemos poupar energia: • Seguir a política dos três R – Reciclar, Reutilizar e Reduzir; • Aproveitar a luz do dia para trabalhar, em vez de acender lâmpadas; • Desligar as luzes e electrodomésticos que não estamos a utilizar; • Desligar a televisão e a aparelhagem no botão. Emstand-by, eles gastam entre 10% a 60% da energia eléctrica que gastariam se estivessem ligados; • Não colocar comida quente ou morna no frigorífico;
Uso Racional de Energia • Utilizar as máquinas de lavar louça e roupa apenas quando estiverem completamente cheias; • À noite, no Inverno, fechar as cortinas para minimizar as trocas de calor do interior para o exterior, através das janelas; • Descer a temperatura do aquecimento em 1 ºC. Será o suficiente para reduzir em cerca de 10% as despesas energéticas em gás ou electricidade.
Sistemas Sistema–Um corpo, ou um conjunto de corpos, limitado por uma fronteira real ou imaginária. Vizinhança–Porção do Universo que rodeia o sistema e com o qual este pode interagir. Fronteira – Superfície real ou imaginária que separa o sistema da sua vizinhança. O sistema pode trocar matéria e energia com a vizinhança através da fronteira.
Sistemas O sistema é classificado de acordo com as trocas dematéria e energiaque ocorrem com a sua vizinhança: • Aberto – Existem trocas de matéria e energia; • Fechado – Existem trocas de energia, mas não existemtrocas de matéria; • Isolado– Não existem trocas de matéria e energia. • Aquário dentro de uma caixa térmica(feita de um material isolador do calor) Sistema aberto Sistema fechado Sistema isolado
Energia dos Sistemas Energia cinética (Ec)– Energia associada ao movimento dos corpos. O seu valor aumenta com a massa e a velocidade do corpo. Energia potencial (Ep) – Energia associada ao campo de forças existente no sistema, que está armazenada no corpo e que pode ser utilizada. A energia potencial pode ser gravítica, magnética, eléctrica, química, nuclear e elástica. A unidade SI de energia é o joule (J).
Energia dos Sistemas Os sistemas possuem energia a nível macroscópico e a nível microscópico. Energia mecânica (Em) – Soma da energia cinética macroscópica do sistema com a sua energia potencial: Em= Ec + Ep Energia interna (Eiou U) – Soma das energias cinética e potencial microscópica de todas as partículas (corpúsculos) do sistema (átomos, moléculas e iões), que se encontram em constante movimento: Ei= Ec + Ep
Energia dos Sistemas A energia interna depende da massa (quantidade de matériaou número de partículas com energia), do tipo de matéria (substância) e da temperatura (agitação ou Ec das partículas). Quanto maior for a massa e a temperatura, maior será aenergia interna.
Energia dos Sistemas A energia interna pode ser transferida de um sistema para outro,ou para a sua vizinhança, por três processos: • Calor (Q) – Energia transferida entre dois sistemas a temperaturasdiferentes, quando estão em contacto, do corpo mais quente para o mais frio; • Trabalho (W) – Energia transferida devido à aplicação de uma força sobre um sistema; • Radiação – Energia transferida através de radiações (ondas) electromagnéticas. A unidade SI destes processos é o joule (J).
Transferências de Energia: Calor Quando se transfere energia por calor, o sistema com maior temperatura arrefece (perde energia interna) e o sistema com menor temperatura aquece (ganha energia interna). A transferência de energia termina quando se atinge oequilíbriotérmico: os sistemas ficam com a mesma temperatura (mas podem não ficar com a mesma energia interna).
Transferências de Energia: Calor A energia transferida através de calor calcula-se por: Q = m x c x T (J) m— Massa (kg) c— Capacidade térmica mássicado material (J kg-1K-1) T— Variação da temperatura:T = Tfinal - Tinicial(K) Quanto maior for a massa do corpo, maior é a quantidade de calor que é necessário fornecer para provocar amesma variação de temperatura. Há substâncias que precisam de recebermais calor, para provocar a mesma variação de temperatura(a sua capacidade térmica mássica é maior).
Transferências de Energia: Trabalho O trabalho é realizado por uma força que provoca o deslocamento de um corpo. Quando se puxa um caixote, aplica-se uma força sobre ele e transfere-se energia para o caixote. A pessoa perde energia interna, mas o caixote ganhaenergia cinética (fica em movimento). A energia transferida através de trabalho calcula-se por: W = F x d (J) * F – Intensidade da força (N)d– Deslocamento (m):posição final - posição inicial *Esta fórmula é válida num movimento rectilíneo sem inversão de sentido, em que a força e o deslocamento têm a mesma direcção e sentido.
Transferências de Energia: Trabalho O trabalho também corresponde à energia útil, pelo que pode ser calculado a partir do rendimento.
Transferências de Energia: Potência Potência – Quantidade de energia transferida por segundo (trabalho realizado por uma força num segundo):P = E / t ou P = W / t ou P = F x v E – Variação de energia (energia transferida): Efinal – Einicial(J) t– Intervalo de tempo (s) v – Velocidade (v = d / t) (m/s) A unidade SI é o watt (W). 1 W é a potência de uma máquina que transfere um joule de energia num segundo. Também se utiliza o cavalo-vapor (cv) ou cavalo (1 cv = 735 W).
Transferências de Energia: Radiação O Sol transfere energia para a Terra por radiação. Quando utilizamos as radiações electromagnéticas,há transferência de energia por radiação. A radiação electromagnética propaga-se no vazio (não precisade um meio material), através de ondaselectromagnéticas (oscilações dos campos eléctrico e magnético)e de fotões.
Transferências de Energia: Radiação A energia de uma radiação electromagnética calcula-se por: E = h x f E = h x (c / ) (J) f – Frequência (Hz - hertz): número de oscilações por segundo – Comprimento de onda (m): distância entre dois pontos consecutivos da onda que estão no mesmo estado de oscilação h = constante de Planck = 6,626 x 10-34 J s c = velocidade da luz no vazio = 3 x 108m/s
Conservação da Energia Lei da Conservação da Energia – Num sistema isolado a energia total é conservada (a energia de um sistema isolado é sempre constante). Não se pode criar nem destruir energia. A energia só pode ser transferida(fornecida) ou transformada. A energia total existente no Universo é a mesma que existia quando este se formou porque o Universo é um sistema isolado.
Conservação da Energia A energia fornecida (Ef) para um sistema será sempre igual à soma da energia utilizada (energia útil - Eu) com a energia dissipada (Ed) para a vizinhança: Ef = Eu + Ed
Conservação da Energia Os valores destas energias podem ser calculados através deum balanço energético, que se representa por um diagrama energético. Um diagrama energético é formado por: • Rectângulos – Representam as fontes de energia e as vizinhanças dos sistemas; • Círculos – Representam os sistemas; • Setas – Representam as transferências e as transformaçõesde energia. Se o sistema recebe energia, esta apresenta um valor positivo.Se o sistema perde energia, esta apresenta um valor negativo.
Conservação da Energia omolete
