Ficha nº7

1.3.3 Transferências de energia por calor

1.3.4 Radiação e irradiância. Painéis fotovoltaicos

1. A emissão de radiação infravermelha permite múltiplas aplicações em diferentes domínios, como a que está ilustrada na figura.

1.1. Identifique a aplicação que é ilustrada na figura

1.2. Indique outras aplicações deste fenómeno.

2. Os painéis solares contribuem ainda muito pouco para a produção mundial de energia elétrica, isto deve-se ao custo de produção que é cerca de dez vezes maior que o dos combustíveis fósseis. No entanto, tornaram-se comuns em algumas aplicações, tais como as baterias de suporte, antenas, dispositivos elétricos em estradas, em parquímetros e semáforos.

Considere um semáforo, que funciona à custa da energia elétrica fornecida por um painel fotovoltaico de dimensão 30 cm por 50 cm, que apresenta um rendimento de 15%.

A irradiância solar média nesse local é de 400 W m-2 e o painel fotovoltaico origina uma diferença de potencial de 40 V.

2.1. Qual a corrente elétrica que alimenta o semáforo?

2.2. Verifique se a energia que o semáforo recebe, durante um dia de funcionamento, do painel fotovoltaico, em que o tempo de exposição ao Sol é de 8,0 h, é suficiente para alimentar o semáforo durante dois dias, sabendo que consome 400 kJ por dia.

3. Uma piscina contém 30 000 litros de água. A variação da temperatura da água durante a noite é de -4 ºC.

Calcule a energia cedida pela água para a vizinhança ao longo da noite.

Dados: ρágua = 1,00 g cm-3; Cágua = 4,18 kJ kg-1 ºC-1

4. Em que se baseia o funcionamento do termómetro?

5. Para comprimir uma determinada massa de gás contida num recipiente munido de êmbolo é necessário efetuar um trabalho de 300 J. Durante essa compressão, são libertados para o exterior 300 J de energia como calor.

Selecione a opção correta.

(A) A energia interna do gás diminui 600 J.

(B) A energia interna do gás aumenta.

(C) A energia interna do gás não varia.

(D) A energia interna do gás diminui 300 J.

6. Num vaso calorimétrico, isolado da vizinhança , são misturados 50 g de gelo e 50 g de água à temperatura de 0,0 ºC. Uma resistência de aquecimento, inserida no vaso calorimétrico, transfere energia para a mistura a uma taxa temporal constante e a mistura é mantida em agitação, uniformizando a temperatura.

Para cada uma das situações a seguir enunciadas, selecione o gráfico que melhor ilustra a variação da temperatura da mistura em função do tempo. (Pode ser selecionado um gráfico para mais do que uma situação.)

6.1 Situação 1: no instante inicial, o gelo encontra-se em fusão , mas ainda existe gelo na mistura.

6.2 Situação 2: existe gelo no instante inicial, mas todo o gelo funde durante o decorrer da experiência.

6.3 Situação 3: o gelo encontra-se completamente fundido no instante inicial, mas a água não se encontra em ebulição durante o decorrer da experiência.

6.4 Situação 4: a água encontra-se em ebulição no instante inicial e permanece em ebulição durante o intervalo de tempo em que a experiência ocorre.

7. O gráfico da figura traduz dados experimentais de potência e tensão de um painel fotovoltaico quando sujeito a diferentes iluminações a duas temperaturas distintas.

7.1. A partir dos dados do gráfico descreva como é que a iluminação do painel e a temperatura a que ele opera influenciam a sua potência útil.

7.2. Sabendo que o painel era quadrangular, com 50 cm de lado, calcule o seu rendimento máximo quando sujeito a 1000 W m-2 de radiação, à temperatura de 25 ºC.

8. É possível que duas esferas à mesma temperatura tenham radiâncias diferentes? Justifique.

9. Em Segundo a Teoria do Calórico, um corpo a alta temperatura conteria muito calórico, enquanto outro a temperatura inferior conteria menos calórico. Quando eram colocados em contacto dois corpos nessas condições, o mais rico em calórico transferiria uma parte deste para o outro. O calórico era assim entendido como uma substância que poderia ser transferida entre corpos a temperaturas diferentes, sem se consumir.

Esta teoria até conseguia explicar fenómenos simples, como a condução e a conservação do calor, no entanto, começou a ser contestada por alguns cientistas questionando a natureza do calórico como substância.

Benjamin Thompson e James Joule são dois desses cientistas que realizaram um conjunto de experiências que contribuíram para que, em 1843, a Teoria do Calórico fosse definitivamente afastada.

9.1 Descreva as experiências realizadas por Benjamin Thompson e James Joule.

9.2 Identifique o contributo das experiências de Thompson e de Joule para o reconhecimento de que calor é energia.

10. Uma mochila com painéis fotovoltaicos acoplados permite manter um equipamento elétrico, como, por exemplo, um computador portátil, sempre com a bateria carregada.
Em média, a irradiância solar num determinado local é 340 W m-2. Calcule a área mínima de painéis que é necessária para carregar a bateria de um computador portátil com a potência de 30,0 W, sabendo que o sistema de painéis fotovoltaicos tem um rendimento de 10,0%.

11. A irradiância solar média no topo da atmosfera é 1370 W m-2. Indique o significado desta afirmação.

12. Considere duas máquinas térmicas A e B. A máquina térmica A produz 200 J de trabalho e extrai 500 J de energia como calor da fonte quente, durante um ciclo.

A máquina térmica B produz 100 J de trabalho e cede 150 J à fonte fria.

Selecione a opção correta.

(A) A máquina A tem maior rendimento do que a máquina B.

(B) A máquina A tem menor rendimento do que a máquina B.

(C) As máquinas A e B têm rendimentos iguais.

13. Os seis cilindros ilustrados na figura são todos iguais, feitos do mesmo metal e apresentam, no instante inicial, temperaturas diferentes nas suas extremidades. Os cilindros encontram-se isolados do meio ambiente, de tal forma que não pode haver trocas de energia com a vizinhança . Ao fim de algum tempo, verifica-se que a temperatura de cada cilindro é uniforme.

13.1 Por que razão, ao fim de algum tempo, a temperatura dos cilindros é uniforme?

13.2 Qual é o mecanismo responsável pela uniformização da temperatura observada nos cilindros?

13.3 Em qual(is) do(s) cilindro(s) é maior a taxa temporal de transferência de energia por calor? Justifique .

13.4 Conclua qual(is) do(s) cilindro(s) tem(têm) uma taxa de transferência de energia igual à do cilindro A.

14. Uma lâmpada esférica emite radiação que ilumina uma sala fazendo chegar a cada metro quadrado de superfície da parede que se encontra a 2,0 m da lâmpada 1,0 W de potência.

Sabendo que a lâmpada tem 10,0 cm de diâmetro, determine a irradiância à sua superfície.

15. James P. Joule desenvolveu um equipamento para medir o equivalente mecânico em energia térmica.
Este equipamento consistia em utilizar um corpo de massa conhecida preso a um fio, de forma que, quando este caía com velocidade constante, um sistema de pás era acionado, aquecendo a água contida no recipiente. Para recriar a experiência de Joule, um grupo de alunos utilizou 400 g de água e um corpo (M) de massa 10 kg que caiu de uma altura de 5 m. Os alunos deixaram o corpo M cair cinco vezes e registaram uma variação da temperatura da água no recipiente de 1,50 ºC.

(Cágua = 1 cal ºC-1  g-1)

15.1 Classifique como verdadeiras ou falsas as afirmações seguintes.

A. O trabalho realizado pelo peso do corpo durante a queda foi de 2500 J.

B. A energia recebida pela água como calor foi de 600 cal.

C. Trabalho fornecido e calor não podem ser comparáveis.

D. 1 cal corresponde a 4,18 J.

15.2 Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte.

O aumento da energia interna do sistema água resultou ...

A . ... do trabalho realizado pelo sistema água sobre o corpo em queda.

B . ... do trabalho realizado sobre o sistema água.

C . ... do calórico transferido para a água pela queda do corpo.

D . ... do aumento de calórico no sistema água.

16. A irradiância solar média num certo local onde está instalado um painel fotovoltaico é 320 W m-2. O painel tem uma área de 43,2 m2.

a) Que energia incide no painel, em média, em dias em que há 10 h de sol? Apresente o valor em kW h.

b) Que potência útil fornecerá o painel se tiver um rendimento de 14,0 %?

c) Que tipo de corrente elétrica é fornecida por um painel fotovoltaico?

d) O gráfico mostra curvas da potência do painel em função da diferença de potencial nos seus terminais, obtidas ao longo de um dia. Qual das curvas se refere à hora do dia em que a radiação incidiu mais obliquamente sobre o painel?

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