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Princípios básicos do efeito estufa

 

26/01/2010

Autor y Coautor(es)
JOSE ANGELO DE FARIA
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Edson Luis Nunes José Marcelo Gomes Isnard Domingos Ferraz Daniel Rodrigues Ventura

Estructura Curricular
Modalidad / Nivel de Enseñanza Disciplina Tema
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Datos de la Clase
O que o aluno poderá aprender com esta aula

Compreender que a radiação proveniente do Sol atravessa o vidro e parte dela é absorvida pelos corpos no interior do recipiente (carro, estufa, etc). Estes corpos também emitem radiação porém, por estar a uma temperatura menor que a do Sol, emitem radiação na forma de calor com comprimento de onda maior que a radiação proveniente do Sol e com isso não consegue atravessar a parede de vidro.

Conscientizar de que o comprimento de onda radiante predominante que um corpo emite está vinculado à sua temperatura segundo a lei de Wien.

Duração das atividades
Uma aula (50 minutos)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

Conceito de calor, irradiação de um corpo negro. Temperatura e escalas Celsius e Kelvin. Ondas, e espectro eletromagnético.

Estratégias e recursos da aula

Sugerimos que o professor reproduza o texto abaixo, podendo melhorá-lo se assim o desejar e adequar melhor ao seu grupo, depois distribua para os alunos, pausando um tempo suficiente para eles possam ler e refletir sobre o texto, e depois organize o espaço distribuindo os alunos em círculo (mesa redonda), discuta o texto, explicando seu conteúdo.

                                                            Efeito Estufa

           Para entendermos melhor o efeito estufa, vamos considerar três leis já consagradas da Física.  Lei de Stefan-Boltzmann, Lei de Wien e Lei de Marx Planck.

Lei de Stefan-Boltzmann: De acordo com a lei de Stefan-Boltzmann, a energia emitida por um corpo negro por unidade de área e por unidade de tempo é proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta. A lei de Stefan-Boltzmann é também válida para qualquer outro corpo cuja superfície tenha um coeficiente de absorção (ou emitância) independente do comprimento de onda.  E = esT4; em que, “e” é a emissividade do corpo (para o corpo negro e = 1), s = 5,67 x 10-8   W m-2 K-4 é a constante de Stefan-Boltzmann e T é a temperatura Kelvin do corpo. Pela equação pode-se concluir que todos os corpos estão constantemente emitindo radiação, cuja intensidade depende principalmente da temperatura que se encontra sua superfície. Quanto maior sua temperatura, maior será o fluxo de radiação que ele emite.

Para que os alunos certifiquem a importância dessa lei, o professor poderá pedir que calculem o fluxo de energia irradiada por uma superfície de um corpo negro que se encontra a uma temperatura de: a-200 K e b-300 K. Pedir também para comparar os resultados. Discutir com os alunos porque essa diferença de energia é proporcionalmente muito maior que a diferença de temperatura. A que os alunos atribuem essa diferença.

Lei de Wien: Esta lei permite encontrar qual o comprimento de onda no qual um corpo negro tem maior emissão de energia numa temperatura T. No espectro de radiação eletromagnética de um corpo negro, o comprimento de onda (lmax ), para o qual a emissão de energia é máxima, relaciona-se à temperatura do corpo pela Lei de Deslocamento de Wien: lmax.T = constante: Aqui, lmax é o comprimento de onda correspondente a máxima emitância do corpo na temperatura T; T é a temperatura Kelvin. A constante da lei de Wien é 2,898.10-3 m.K. Por essa expressão, verifica-se que quanto mais elevada a temperatura do corpo , menor será o comprim ento de onda emitido, portanto maior a freqü ência, correspondente a máxima emissão de energia pelo corpo.

Aqui também, os alunos devem calcular o comprimento de onda correspondente a máxima emitância de energia, utilise valores que facilite os cálculos, por exemplo, temperaturas de 300 K e 6000 K. Comparar os resultados.

Lei de Planck: Esta lei relaciona a emitância espectral de um corpo negro com o comprimento de onda para uma dada temperatura Kelvin:

        “E(l) = [2phc2/ (l5)][exp(hc/lkT) -1]-1” em que E(l) é o fluxo de energia irradiada em W/m2, k é a constante de Boltzmann (1,38.10-23 J/K); p = 3,14 ; T é a temperatura Kelvin; h = 6,626.10-34 J.s; c = 3,0.108 m/s e l é o comprimento de onda. Para uma dada temperatura, verifica-se uma emissã o máxima de energia, correspondente a um deter minado comprimento de onda que é o lmax  da lei de Wien. Est e comprimento de onda lmax  é identificado no gráfico Energia(E) em função do comprimento de onda(l); o comprimento de onda para emissão máxima de radiação, lmax, corresponde a abcissa do ápice desta curva, veja no gráfico.

         Como a expressão de Planck é um pouco complexa para estudos em nível de ensino médio, vamos nos limitar em mostrar um esboço do gráfico de E em função de l para algumas temperaturas, por exemplo, 300 K e 5850 K, que são as temperaturas médias das superfícies global e solar, e focar bem no aspecto dessas curvas a fim de relacionar principalmente os comprimentos de onda básicos em cada curva. O objetivo é que o aluno perceba que para a curva correspondente a temperatura de 5850 K, temperatura da superfície do Sol, predomina um comprimento de onda bem menor do que o comprimento de onda emitido correspondente à temperatura de 300 K, temperatura média da superfície da Terra.

        Valores de radiação máxima, topo das curvas, o comprimento de onda correspondente é de 4,95.10-7 m para a radiação solar e 9,66.10-6 m para a radiação terrestre, portanto, em média o comprimento de onda da radiação da Terra é cerca de vinte vezes maior que o comprimento de onda da radiação do Sol. Por isso a radiação solar é denominada de radiação de ondas curtas e a radiação terrestre de radiação de ondas longas.

        O gráfico no quadro a seguir ilustra as radiações emitidas pelo Sol e pela Terra. A curva 1 representa a radiação emitida pelo Sol e a  curva 2 a radiação emitida pela Terra.

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            Pode-se então, explicar o fenômeno denominado “efeito estufa”, considerando o fluxo de calor através das paredes de uma estufa, tipo casa de vegetação do seguinte modo: A radiação proveniente do Sol de alta freqüência, (menor comprimento de onda), possui maior poder de penetração, atravessa o vidro com facilidade atingindo o interior da estufa. Os corpos no interior da casa de vegetação absorvem o calor que neles incide e com isso sofre uma elevação de temperatura.  ; Esses objetos , por sua vez, também emitem c alor, radiação de ondas longas, mas por ser de comprimentos de ondas maior não consegue atraves sar o vidro, ficando ret ido no interior da estufa. Assim, a quanti dade de calor (radiação) que entra é maior do que a que sai, aumentando o calor no interior da estufa, acarretando uma elevação da temperatura.

É bom salientar que o calor vindo do Sol incidente no vidro da estufa não penetra 100% na estufa e nem toda radiação solar que incide nos corpos no interior da estufa é totalmente absorvido, parte da radiação também é refletida por eles e assim u ma parcela de radiação solar incide nos corpos e retorna novamente pel os vidros, mas grande parte é absorvida ficando retida no ambiente provocando aumento de temperatura no interior da estufa; é esse o fenômeno conhecido por efeito estufa.

O esquema abaixo explica o que basicamente acontece na estufa em termos de balanço de radiação, como foi relatado acima. Veja que parte da radiação é refletida ainda na parte externa do vidro e também outra parte é refletida por objetos no interior da estufa e escapa novamente pelo vidro, mas do total da radiação incidente, uma grande parcela fica no interior da estufa. Há, portanto ganho de energia no interior da estufa, cujo efeito é traduzido em aumento da temperatura.

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Use também a figura que se encontra no link abaixo.

http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/estufa3.jpg

Recursos Complementares

Avaliação

O professor poderá fazer algumas questões relacionadas ao conteúdo para que os alunos assimilem melhor o assunto.

Como sugestão, segue o exercício abaixo:

              Numa lâmpada de tungstênio a temperatura do filamento atinge 3300 K. Qual o comprimento de onda que corresponde ao fluxo máximo de energia irradiada pelo filamento nessas circunstâncias? A partir dessa resposta como você justifica o baixo rendimento de uma lâmpada de filamento? Compare os comprimentos de onda obtida na resposta com o comprimento de onda médio da luz visível.

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