Energia, fenómenos térmicos e radiação

Este resumo segue a ordem das Aprendizagens Essenciais: sistemas termodinâmicos, temperatura e equilíbrio térmico, os processos de transferência de energia por calor, a radiação e a irradiância, a capacidade térmica mássica, as mudanças de estado, a 1.ª Lei da Termodinâmica e a 2.ª Lei. Sai sempre em exame e é muito comum aparecer ligado à eletricidade (aquecimento com uma resistência) e à energia mecânica.

1. Sistemas e temperatura

Um sistema é a parte do Universo que se estuda, e o resto é a vizinhança. Consoante o que troca com a vizinhança:

• Sistema aberto: troca matéria e energia.
• Sistema fechado: troca apenas energia.
• Sistema isolado: não troca nem matéria nem energia.

A temperatura está relacionada com a energia cinética média das partículas que constituem o sistema. Quanto maior a temperatura, maior a agitação média das partículas.

Dois sistemas em contacto térmico atingem o equilíbrio térmico quando ficam à mesma temperatura. A partir daí, não há trocas líquidas de energia entre eles.

A relação entre as escalas Celsius e Kelvin é:

Por isso, uma variação de temperatura tem o mesmo valor em kelvin e em graus Celsius. Isto é útil: nas fórmulas com $\Delta\theta$ não é preciso converter.

2. Transferências de energia por calor

O calor ($Q$) é a energia que se transfere espontaneamente entre dois sistemas a temperaturas diferentes, do que está mais quente para o que está mais frio. Não é uma propriedade do sistema (um corpo não "tem" calor), é energia em trânsito. Há três processos:

A radiação é o único processo em que não é necessário um meio material entre os sistemas que trocam energia. É assim que a energia do Sol chega à Terra.

Na condução, os materiais dividem-se em bons condutores térmicos, como os metais (cobre, alumínio, ferro), e isoladores térmicos, como a lã, o polistireno expandido (esferovite), a madeira e o ar (quando está retido, sem poder circular). Por isso, as panelas têm o fundo metálico e o cabo de plástico ou de madeira, e os agasalhos retêm ar entre as fibras.

3. Radiação e irradiância

Todos os corpos emitem radiação, e à temperatura ambiente emitem sobretudo no infravermelho. É por isso que uma câmara de infravermelhos consegue "ver" corpos quentes no escuro. Quanto mais quente um corpo, mais energia emite por radiação.

A irradiância ($E_r$) é a energia da radiação que incide numa unidade de área de uma superfície, por unidade de tempo. A unidade SI é o watt por metro quadrado ($\text{W m}^{-2}$).

Num painel fotovoltaico, a potência elétrica útil é uma fração da potência incidente, dada pelo rendimento: $P_{\text{útil}} = \eta\,P_{\text{incidente}}$. Quanto maior a irradiância, maior a potência elétrica fornecida pelo painel. Num coletor solar térmico, a radiação solar aquece um fluido que circula nos tubos. Para isso, os tubos e a placa são de metal escuro (que absorve bem a radiação e conduz bem o calor), e a caixa é isolada.

4. Variação de temperatura: capacidade térmica mássica

A capacidade térmica mássica ($c$) é a energia que 1 kg de uma substância tem de receber (ou ceder) para que a sua temperatura varie 1 K (ou 1 °C). A unidade SI é $\text{J kg}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.

Para a mesma massa e a mesma energia, a substância com maior $c$ aquece menos. A água tem uma capacidade térmica mássica muito elevada ($4{,}18 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\,\text{°C}^{-1}$), e por isso o mar aquece e arrefece mais devagar do que a areia.

Num gráfico, o declive depende dos eixos. Num gráfico de $\Delta\theta$ em função de $E$, o declive é $\dfrac{1}{m\,c}$ (a reta mais inclinada é a do material com menor $c$). Num gráfico de $E$ em função de $\Delta\theta$, o declive é $m\,c$ (a reta mais inclinada é a do material com maior $c$). Olha sempre para os eixos antes de concluíres.

5. Mudanças de estado físico

Durante uma mudança de estado, a energia recebida ou cedida não altera a temperatura: altera o arranjo das partículas (e não a sua agitação). A energia envolvida é:

Valores usados: $\Delta H_{\text{fusão}}(\text{gelo}) = 3{,}34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ e $\Delta H_{\text{vaporização}}(\text{água}) = 2{,}26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$. Repara que vaporizar exige muito mais energia do que fundir.

No gráfico de aquecimento do gelo, os troços inclinados são aquecimentos (usa $E = m\,c\,\Delta\theta$, com o $c$ da fase em causa) e os patamares são mudanças de estado (usa $E = m\,\Delta H$).

6. Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica

A 1.ª Lei da Termodinâmica é a lei da conservação da energia: a energia não se cria nem se destrói, transfere-se entre sistemas. A variação da energia interna ($U$) de um sistema é a soma do trabalho ($W$) e do calor ($Q$) trocados:

• $W > 0$: trabalho realizado sobre o sistema (recebe energia). $W < 0$: trabalho realizado pelo sistema.
• $Q > 0$: calor recebido pelo sistema. $Q < 0$: calor cedido pelo sistema.

A 2.ª Lei da Termodinâmica diz que os processos espontâneos ocorrem no sentido da diminuição da energia útil (a energia degrada-se) e, por isso, nenhum processo tem rendimento de $100\,\%$. O calor passa espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio, e nunca o contrário. Num motor elétrico, por exemplo, parte da energia é sempre dissipada por efeito Joule, o que diminui o rendimento. É por isso que a poupança de energia e a eficiência energética são importantes.

Praticar com exames

Os exercícios de exame deste tema têm a resolução passo a passo. Antes de começares a calcular, desenha o gráfico de aquecimento e marca em que troço estás, para saberes que fórmula usar.