Energia térmica é um tipo de energia associada à temperatura absoluta do sistema, dada pela soma das suas energias cinética e potencial. Porém, nos gases ideais, ela corresponde apenas à cinética dos movimentos de translação, vibração e rotação. Entendendo o que é Energia Térmica, analisa-se o funcionamento de usinas para sua produção e aplicação.
Neste artigo sobre o que é Energia Térmica, você encontrará:
- O que é energia térmica? Diferença entre interna e térmica
- Fórmulas e Cálculos da energia térmica
- Como é produzida a energia térmica? Para que ela serve?
- Energia térmica é renovável? Vantagens e Desvantagens de cada tipo
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O que é energia térmica?
Energia térmica é uma forma de energia que está diretamente associada à temperatura absoluta de um sistema e pode se expressar em forma de calor. Contudo, temperatura, calor e energia térmica não são as mesmas coisas.
Para compreender o que iremos estudar aqui, leia o artigo sobre calorimetria e depois sobre termodinâmica antes de continuar! Todos esses conceitos já foram diferenciados lá!
A grosso modo, a temperatura de um corpo é medida pela vibração das moléculas, contudo, elas não realizam apenas esse movimento. Há também os movimentos de rotação e translação, como os da Terra, o que se expressa como energia cinética.
A energia potencial também está contida em um corpo, pois a velocidade desses movimentos pode se dar em diferentes sentidos e direções, nunca sendo feito tudo ao mesmo tempo. Também há uma faixa de possibilidades antes de atingir o 0 absoluto.
Por fim, alguns sistemas podem se expressar termicamente por radiação, como a luz solar, o fogo, entre outros.
- Por isso, a energia térmica costuma ser definida como a soma das energias cinéticas microscópicas de todas as partículas constituintes, com a energia potencial e a energia dos fótons térmicos (radiação) de um sistema, além de todos os fenômenos termodinâmicos que podem ocorrer e derivar disso.
O calor, nada mais é que a transferência de energia térmica entre sistemas, por causa de uma diferença de temperaturas. Assim, ele pode ser transmitido por radiação, condução ou convecção; processos que você encontra descritos no artigo sobre calorimetria.
De maneira mais rigorosa, concluímos que essa energia corresponde à diferença entre seu dado estado atual e a energia que ela apresentaria se estivesse no zero absoluto (repouso total da matéria, um “congelamento” extremo).
Energia interna e Energia Térmica
Visto tudo isso, percebe-se que o conceito é complexo, podendo ser confundido com energia interna. Porém, energia interna é a forma de energia contida em um sistema exclusivamente por sua temperatura, enquanto a térmica abrange mais fenômenos.
Apesar dessa diferença, os gases ideais não apresentam interação (energia potencial) entre suas partículas. Por isso, exclusivamente nesse tipo de sistema, a energia interna corresponde à térmica.
- Neste artigo, trataremos ambas como sinônimo.
Fórmulas da Energia Térmica
Nos gases ideais, a energia cinética translacional é a que se expressa majoritariamente. De acordo com a teoria cinética dos gases, então, a energia térmica poderá ser calculada por meio da seguinte fórmula:
Sendo:
- ECIN = energia cinética média (J)
- KB = constante de Boltzmann (1,38.10-23 J/k)
- T = temperatura (em K°)
Essa equação vem do Teorema da Equipartição da Energia. Segundo ele, cada grau de liberdade (cada possível direção de movimento das moléculas) equivale a um fator de ½ sobre a energia cinética média.
No caso descrito, como consideramos somente o movimento de translação, há somente três possibilidades: as direções x,y e z (como em um plano cartesiano tridimensional). Por isso, o fator que multiplica o produto KBT é 3/2.
Igualdade entre energia cinética e térmica
Uma vez que a energia térmica dos gases ideais é expressa pela fórmula acima e também equivale à energia cinética média do sistema, podemos escrever a seguinte igualdade:
É importante ressaltar essa relação porque você pode se deparar em uma questão que pede a térmica a partir da cinética!
Ao usá-la, também podemos estimar a velocidade média translacional dos átomos presentes no gás atmosférico.
Levando-se em conta uma temperatura de 25 ºC e tomando átomos de oxigênio (M = 16 g/mol), descobrimos uma velocidade média de 680 m/s ou 1525 km/h.
Surpreendentemente, essa é a velocidade com que as partículas do gás atmosférico nos atingem.
Não sentimos o impacto pois trata-se do nível atômico de um gás, mas é justamente isso que causa a sensação de “quente ou frio” que sentimos na pele, de acordo com diminuição ou aumento da temperatura.
Gases diatômicos
Essa primeira fórmula que vimos, trata dos gases ideais monoatômicos, ou seja, não são formados por moléculas, mas por átomos soltos. Exemplo: Gás Hélio (He) e o Gás Neônio (Ne).
Porém, os gases ideais mais comuns são diatômicos, ou seja, são formados por moléculas de 2 átomos. Exemplo: Gás oxigênio (O2) e Gás Nitrogênio (N2).
Neste caso, soma-se à expressão usada para os gases monoatômicos o fator ½ KbT. Isso ocorre por causa do aumento de um grau de liberdade.
Temos, então, a seguinte expressão:
Para que serve a energia térmica? – Aplicações
A energia térmica, que se expressa como calor, é utilizada de forma pura e direta apenas para cozinhar, aquecer ou resfriar coisas:
No dia a dia, fervemos a água, cozinhamos e assamos alimentos e podemos ficar diante de uma lareira. Também ligamos o ar condicionado, colocamos alimentos na geladeira, etc.
Também nas indústrias, quando há tanques, fornalhas e máquinas no meio do processo de fabricação dos produtos.
Curiosamente, o corpo humano consome uma grande quantidade de nutrientes, sendo que a digestão deles gera energia térmica. Assim, nosso corpo também usa diretamente a energia térmica que é necessária para o funcionamento dos nossos processos vitais, metabolismo e temperatura corporal.
- Porém, a sua ampla aplicação se dá na sua transformação, como em forma de energia elétrica. Ou seja, na sua utilização de forma indireta.
É inegável que a energia elétrica tomou conta do cotidiano dos seres humanos, principalmente depois do século XX. Embora exista outras formas de produzi-la, a energia térmica é muito utilizada para esse fim.
Assim, sua transformação em elétrica é empregada em carros, nos sistemas de iluminação e no fornecimento de redes elétricas que abastecem as propriedades.
Como é produzida a energia térmica?
Como já vimos anteriormente e sabemos observando o nosso dia a dia, a maior parte do uso de energias é para a produção de energia elétrica. O processo de conversão da térmica para a elétrica, dá-se usando geradores e usinas.
De início, estabelece-se uma fonte de calor primária, ou seja, quem primeiro vai ceder energia térmica para iniciar o processo.
Essa fonte primária pode ser espontânea, como o Sol que constantemente emite radiação como processo natural de sua existência.
Mas ela também pode ser provocada, como o uso de matéria orgânica, petróleo, carvão, óleo, gás ou qualquer outro composto que, quando em combustão (uma reação exotérmica), libere energia em forma de calor aproveitável.
Tudo isso é feito na primeira etapa das usinas, enquanto a segunda é a conversão entre os tipos de energia.
- Exemplo
Nas usinas termoelétricas, a água é aquecida sob altas pressões e, quando liberada, transforma-se em vapor de água. A grande energia cinética de suas partículas é usada para movimentar turbinas. Esse movimento é a energia cinética que facilmente se converte em energia elétrica pelo princípio da indução eletromagnética.
Dessa forma, concluímos que a energia térmica não é exatamente produzida, mas extraída, aproveitada e convertida; pois é um componente naturalmente presente nas coisas.
Energia térmica é renovável?
Sempre que falamos em Energia, uma das primeiras coisas que vem a cabeça nos dias de hoje é a questão do meio ambiente e sustentabilidade. Assim, as pessoas buscam priorizar as fontes renováveis e tentar evitar as não-renováveis.
No caso da térmica, não é possível dar uma resposta geral, porque há diferentes tipos de energia térmica, em que algumas são renováveis (solar) e outras não (termoelétrica a carvão).
Quais são os tipos de energia térmica?
Vamos conhecer as possibilidades de como ela pode ser gerada para depois classificá-las em renováveis ou não.
Possibilidades de utilização térmica de forma renovável:
- Usina geotérmica
- Usina solar
- Usina termoelétrica movida à água
Possibilidades de utilização térmica de forma não-renovável:
- Usina termonuclear
- Usina termoelétrica movida a carvão
- Usina termoelétrica movida a gás natural
- Usina termoelétrica movida à biomassa
Vantagens e Desvantagens da energia térmica e seus tipos
Fizemos uma tabela para você poder comparar os tipos e seus pontos fortes e fracos. Veja:
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