Meio Ambiente

Como é energia transportada de lugar para lugar e transferidos entre objetos?

Como é energia transportada de lugar para lugar e transferidos entre objetos?

A maneira mais óbvia e trivial em que a energia é transportada é quando um objeto que possui energia simplesmente se move de um lugar para outro. Por exemplo, uma bola de beisebol voando pelo ar é uma forma simples de transporte de energia.

A energia cinética também pode ser transferida a partir de um objecto para outro quando os objectos colidem. Isso também é bastante trivial, exceto que também sabemos que a energia total, incluindo qualquer calor ou outras formas de energia gerado durante a colisão, é conservada neste processo, independentemente das relativas tamanhos, formas e materiais dos objetos.

Em geral, os modos importantes de transferência de tecnologia de energia renovável são:

  • propagação da luz no espaço
  • propagação da luz em materiais:
    • Transmissão: transparente ou translúcido
    • Reflexão: Coherent ou difusa
    • absorção
  • propagação do calor em materiais e no espaço:
    • Condução
    • Convecção
    • Radiação
  • Elétrico

* Observe as duas “tríades” acima (Transmissão:-reflexão-absorbtion & condução convecção-radiação). Você deve memorizá-los e saber o que eles significam!

Leve

Luz (energia essencialmente pura, que pode ser pensado como ou “fotões” ou ondas electro-magnética) propaga-se em vácuo a muito alta velocidade (a velocidade da luz que é! Sempre o mesmo valor no vácuo). 

Luz interage com materiais de várias maneiras que impactam a sua transferência. Em geral, a luz é ou:

Transmitidos: Ele passa através de um objeto – um objeto é ou transparente (a luz passa direto), ou translúcido (a luz passa através, mas sua direção “espalhados” pelo material).

Refletida: A luz é refletida. A reflexão pode ser quer coerente (o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão) ou difusa(reflectida na direcção está dispersa aleatoriamente):

Absorvida : A luz entra no material, mas não passa através – Em vez disso, a sua energia é convertida para a forma chamamos “calor”, isto é, as vibrações microscópicas do material, ou é absorvido através de reacções químicas desencadeadas pela luz (efeito fotoquímico ).

Calor

Há três maneiras importantes que aquecem energia podem ser transportados ou transferidos, chamados de condução, convecção e radiação . Os dois primeiros referem-se a transferência da energia térmica, enquanto o último é realmente uma conversão de energia para uma forma diferente, (fótons de luz) eo curso subseqüente (transporte) desses fótons.

Condução : A “difusão” de energia térmica (calor) através de uma substância, que ocorre porque as moléculas mais quentes (aquelas que estão vibrando, girar, ou viajando mais rápido), interagem com moléculas mais frios, e na transferência processo de parte de sua energia. Para exemplo, a condução de energia térmica é o que faz o cabo de uma frigideira do metal no fogão fica quente, mesmo que o identificador não está exposta à chama.  os metais são excelentes condutores de energia térmica, enquanto que coisas comomadeira ou plásticos não são bons condutores de calor. Aqueles que não são tão bons condutores são chamados isoladores.

A taxa de H, no qual o calor conduz através de uma placa de material através de uma diferença de temperatura fixa D T, por exemplo, a partir do interior de uma casa quente para o exterior através de uma parede, é dada pela área A da superfície, vezes os diferença de temperatura D T, dividida pela resistência térmica R,

                 H = (A  D T) / R.

R também é chamado de “factor R” do material. Ao considerar o poder de isolamento das paredes de uma casa, R é susceptível de ter unidades de pés quadrados divididos por BTU por hora (pé 2 / (BTU-RH)). BTU meios unidade térmica britânica, e é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de uma libra de água um grau Fahrenheit. As discussões técnicas envolvendo a condução pode também referir-se ao K condutividade térmica de um material, o qual está relacionado com o factor-R de

R = l / K,

onde L é a espessura do material. Assim, se você olhar para cima a condutividade térmica de algum material, então você pode calcular o valor de R por um pedaço de material com espessura L. 

Convecção: A transferência de energia térmica por o movimento de uma substância, tal como um gás aquecido ou líquido a partir de um lugar para outro. Por exemplo, o ar quente que sobe até ao tecto é um exemplo de convecção (neste caso uma chamada corrente de convecção). 

Radiação : Em geral, você provavelmente está familiarizado com o fato de que a palavra “radiação” aplica-se tanto as ondas de luz (fótons), e também raios consistindo de outras partículas subatômicas, como os elétrons (raios beta) e núcleos de hélio (raios alfa ), que são emitidos por materiais radioactivos. 

No contexto de transferência de calor, no entanto, o termo “radiação” refere-se apenas à luz (ondas electro-magnética) e, em particular, ao facto surpreendente de que todos os objectos, mesmo aqueles que estão em equilíbrio (a igual temperatura) com a sua ambiente, emitem continuamente, ou irradiar ondas electromagnéticas (isto é, ondas de luz) em seu redor. A fonte de radiação esta é a energia térmica dos materiais, ou seja, o movimento de moléculas do objecto. 

A quantidade de radiação de onda da luz irradiada por objetos comuns é surpreendentemente grande, embora nós normalmente não notar. Por exemplo, um objecto a 70 graus Fahrenheit (temperatura ambiente), irradia cerca de 460 watts por metro quadrado da sua superfície! Se isso for verdade, você pode se perguntar, então por que nem tudo esfriar imediatamente, e por que não vamos sentir essa radiação? Na verdade, se um objeto é subitamente colocado no espaço exterior, longe de qualquer fonte de energia forte, então o objeto seria, de fato esfriará muito rapidamente pelo processo de radiação. Normalmente, no entanto, um objecto é completamente rodeado por outros objectos da mesma temperatura (por exemplo, pelo próprio ar), e estes objectos também irradiar energia com a mesma velocidade. Assim, a perda de energia de radiação deixando os objectos é equilibrada pela radiação de entrada provenientes dos outros. Nós não sentimos os efeitos da radiação por causa deste equilíbrio, a menos que acontecer para ficar entre objetos que possuem diferentes temperaturas, por exemplo, se estar ao lado de uma parede que estava sendo aquecido pelo sol logo após o sol se põe . 

Para lhe dar uma idéia de quanto o desequilíbrio da radiação entre objetos é, em tais casos, uma diferença de temperatura de cerca de 20 graus Fahrenheit leva a uma rede de transferência de radiação do objeto mais quente para o mais frio de cerca de 11 watts por metro quadrado, o que é o suficiente para notar, mas ainda não muito em comparação com o total de radiação que vem de cada objeto. Como outro exemplo, se o céu está nublado, em seguida, calor irradiado a partir do solo será em grande parte absorvida e novamente irradiada para a Terra pelas nuvens, mantendo o ar perto da superfície quente. Em uma noite clara, no entanto, do solo e do ar nas proximidades pode arrefecer de forma bastante dramática, irradiando para o espaço, e às vezes você vai ouvir as pessoas chamam isso de “efeito de resfriamento de radiação”. 

O espectro de corpo negro de radiação de objetos

Para aqueles que estão curiosos sobre como calcular a quantidade de energia que é irradiada, é interessante saber que o espectro da luz emitida por objetos, isto é, a quantidade de energia é irradiada em cada frequência, tem aproximadamente a mesma forma matemática para todos os objectos, e, assim, depende apenas da temperatura do objecto e não o tipo específico de material. o espectro é chamado “espectro de corpo negro”, uma vez que é mais perfeitamente exibida pelos objectos que absorvem toda a luz que incide sobre eles ( o que significa que eles são perfeitamente preto na cor). Para temperaturas relativamente baixas, tais como temperatura ambiente, a maior parte do espectro do corpo negro é em longos comprimentos de onda de luz, isto é, nos comprimentos de onda infravermelhos ou mais, que são invisíveis para o olho humano, enquanto que a temperaturas elevadas do espectro encontra-se a comprimentos de onda mais curtos, e pode tornar-se visível, se a temperatura é muito elevada. 

Por exemplo, um objeto comum sentado em uma mesa parece não irradiar qualquer coisa (embora não), porque a maior parte da sua radiação é em comprimentos de onda mais longos que as ondas de luz na faixa visível. Por outro lado, quando um queimador de fogão eléctrico começa a brilhar vermelho, fá-lo porque o seu alcance uma temperatura à qual o espectro de corpo negro está a começar a sobrepor-se fortemente à região da luz visível. 

É muito interessante notar que a própria Sun é, para uma aproximação muito boa, também um radiador de corpo negro, e que o espectro de corpo negro do Sol encontra-se em grande parte no visível porque o sol está tão quente. Para qualquer temperatura, o comprimento de onda em que o espectro de corpo negro tem seu pico é dada por “lei do deslocamento de Wien”,

comprimento de onda de pico em micrômetros = 2900 / T,

em que T é a temperatura em graus Kelvin. Para a Sun, que tem uma temperatura de superfície de cerca de 6000 Kelvin, descobrimos que o comprimento de onda do pico do Sol é de cerca de 0,5 micrômetros, o que corresponde, grosso modo, a cor amarela, aproximadamente no meio da nossa gama visível. Assim, não surpreendentemente, descobrimos que nossos olhos estão bem adaptados para os comprimentos de onda de pico emitidos pelo Sol! 

O total de quantidade de energia irradiada por segundo, isto é, o total de energia da radiação, também tem uma fórmula simples, o que dá a potência em função da temperatura do corpo elevado à quarta potência,

  P = SE EM 4 .

Isso é chamado de Stefan – Boltzmann. Nesta equação, o parâmetro S é chamado de Stefan-Boltzmann constante, igual a 5,67 x 10-8 watts / (metro2 – grau Kelvin), A é a área da superfície do objecto, e e é a “emissividade” do objecto , que varia de 0 a 1. uma vez que a temperatura é elevada à quarta potência, em seguida, um objecto com o dobro da temperatura (valor absoluto) de um outro objecto irá irradiar 16 vezes mais fortemente !.

Finalmente, é interessante saber que esta lei, juntamente com o formulário do espectro de corpo negro e lei do deslocamento de Wien acima, pode ser explicado apenas usando a teoria da física chamado “mecânica quântica”, e, portanto, é realmente muito profunda resultado da ciência. Na verdade, a mecânica quântica surgiu durante tentativas de explicar a forma experimentalmente medida do espectro de corpo negro, o que contrariou as previsões de newtoniana (física clássica). Física newtoniana realmente previsto, absurdamente, que os objetos iria irradiar na infinita de energia, para que as pessoas perceberam que deve haver algo de errado com a física newtoniana em escalas microscópicas. 

Convecção, condução e radiação, de uma só vez 

Como um bom exemplo de condução, convecção e radiação, tudo acontecendo ao mesmo tempo, considere sentado ao lado de um fogo quente, segurando uma vara de metal no fogo com um pântano mellow sobre ele. A haste começa a quente para segurar depois de algum tempo, porque o calor realiza-se a vara para a alça. Da mesma forma, você pode ver que não há ar quente que sobe acima do fogo, transportando fumo. A energia transportada pelo ar quente é um exemplo de convecção. Finalmente, você pode sentir o seu rosto e corpo ficar quente de ser perto do fogo. Isso não é provável que seja porque o ar quente que vem para vós do fogo, porque o fogo está realmente puxando ar para o fogo . O calor que você sente é realmente proveniente da radiação – isto é, a luz emitida pelo fogo. 

Transmissão-reflexão-Absorção & Condução-Convecção-Radiação de uma só vez 

Considere uma casa solar passiva no inverno (ver figura abaixo):

  • Luz propaga-se para a janela: 
  • Ele é transmitido através da janela (que ou é translúcido ou transparente) 
  • A luz bate no chão e seja refletida ou absorvida (após várias reflexões, quase todos é absorvido. Um pouquinho é refletida de volta para fora da janela!)
  • O andar (e de outras superfícies onde a luz atinge), são aquecidos pela absorção de luz.
  • Alguns deste calor conduz para dentro do material
  • Algum deste calor é re-irradiada (em comprimentos de onda infravermelhos), de volta para o quarto.
  • Ar perto das superfícies é aquecida por esta re-radiação e por contacto ( condução ) com a parede. 
  • Os aumentos de ar aquecido ( convecção ).

Energia elétrica

Finalmente, a energia pode ser transferida por via eléctrica. Dentro de um fio isso é feito através de campos elétricos associados com elétrons no fio de metal. Os electrões literalmente empurrar umas sobre as outras, e transmitir força através do fio, o que deste modo transfere energia. Por exemplo, os processos de electro-químicas em uma bateria criar cargas positivas e negativas eléctricos aos contactos da pilha que empurrar, e, portanto, a força, a livres (móveis) electrões nos cabos para mover. a energia eléctrica é convertida em calor, quando alguns dos electrões encontrar resistência – isto é, quando os electrões são empurrados através de materiais causando calor, isto é, fazer com que os átomos do material para começar a vibrar .  em alternativa, o movimento de electrões pode dar origem a campos eléctricos e magnéticos (tais como em bobinas de um motor), que funcionam, tais como rodando o veio do motor. 

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Vagner Liberato

Meu nome é Vagner Liberato, sou carioca e vivo no Rio de Janeiro.
Formei-me em Administração de Empresas e sou um apaixonado por conteúdo sustentável.
Desde 2015 faço o Jornal Sustentabilidade com maior prazer!

Para falar comigo, entre em contato pelo email:
contato@meioambienterio.com

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