Publicado: 8 de março de 2024
Colaboradores: Tom Krantz, Alexandra Jonker
A energia térmica refere-se à energia dentro de um sistema que é criada pelo movimento aleatório de moléculas e átomos. À medida que o movimento aumenta, mais energia é produzida. Essa energia é transferida na forma de calor.
O fluxo de energia térmica de um sistema para outro é a base para um ramo da física conhecido como termodinâmica. Os cientistas deram saltos inovadores nas ciências físicas graças a descobertas no campo da termodinâmica. Hoje, essas descobertas estão ajudando a impulsionar uma nova era de alternativas energéticas.
Nesta publicação, nosso objetivo é fornecer-lhe orientações que auxiliem na sua abordagem à elaboração de relatórios sobre aspectos ambientais, sociais e de controle (ESG).
Preveja a demanda de energia
A origem do termo “energia térmica” remonta à antiguidade (por volta de 500 a.C.). No entanto, sua descoberta é frequentemente atribuída a James Prescott Joule, um físico, matemático e cervejeiro inglês do século XIX.
Joule fez experiências com a conversão de energia mecânica e notou que, quanto mais ele manipulava a velocidade de uma substância, mais quente ela se tornava. Ao observar mudanças de temperatura por meio de atrito e reações químicas, Joule descobriu que a energia pode se manifestar de diferentes formas, como o calor, e que havia uma correlação direta entre calor e trabalho mecânico (energia transferida de ou para um objeto pela aplicação de força).
Joule e suas descobertas foram recebidos com ceticismo ao longo de sua carreira. E, no entanto, agora medimos a quantidade de trabalho produzido por um sistema em joules, uma unidade de energia dentro do Sistema Internacional de Unidades (unidade SI). Suas descobertas abriram caminho para a lei de conservação de energia, que afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante. Essa descoberta levou à criação da primeira lei da termodinâmica.
Entre as quatro ciências físicas, a termodinâmica é um ramo da física que se concentra no calor, no trabalho e na temperatura e explora sua relação com a energia, entropia e propriedades físicas como matéria e radiação. Os comportamentos observados entre esses elementos são regidos por quatro leis:
Inicialmente, a lei zero não era vista como uma lei separada da termodinâmica, pois está implícita nas outras três leis. Ela se concentra no equilíbrio térmico, que é quando dois objetos próximos atingem a mesma temperatura e não trocam mais energia térmica (pense em água quente e uma caneca fria, ambos atingindo a temperatura ambiente). A lei afirma que, se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terceiro, eles também estão em equilíbrio térmico entre si. De muitas maneiras, a lei zero opera como uma propriedade transitiva.
Representada como uma fórmula, a primeira lei da termodinâmica é uma expressão da lei da conservação de energia. Ela afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma de energia para outra. Portanto, o calor dentro de um sistema será igual ao calor de uma fonte.
Em sua forma mais simples, a segunda lei da termodinâmica afirma que o calor flui espontaneamente das regiões mais quentes para as mais frias. Entretanto, ela proíbe o inverso: o calor não flui espontaneamente de regiões frias para regiões quentes. Essa distinção é fundamental, pois estabelece o conceito de entropia (o grau de desordem ou incerteza em um sistema) como uma propriedade física. A entropia aumentará até atingir seu ponto máximo no equilíbrio térmico.
Embora considerada impossível, a terceira lei da termodinâmica afirma que, à medida que a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, a entropia do sistema se aproxima de um valor mínimo. O conceito de zero absoluto, no qual toda a atividade dentro de um sistema é interrompida, é considerado inatingível, pois as moléculas nunca podem ficar totalmente imóveis. No entanto, teoriza-se que o ponto zero, ou a temperatura mais baixa possível, é de -273,15 graus Celsius (ou -459,67 graus Fahrenheit) na escala de temperatura Kelvin.
A energia pode ser categorizada como energia cinética ou potencial. A energia cinética é medida pelo movimento de um objeto e é responsável pela massa e velocidade. A energia potencial é o potencial de movimento de um objeto com base em vários fatores, como sua posição (o objeto está suspenso no ar ou no chão?), propriedades (de que é feito o objeto?) e sua relação com outros objetos (outro objeto poderia fazer com que ele se movesse?).
Considere uma bola pendurada em um fio. Quando a bola está pendurada, ela está armazenando energia potencial. Não está em movimento, mas poderia estar, pois a gravidade está agindo sobre ela como uma força potencial. Se o fio fosse cortado e a bola caísse, ela teria energia cinética porque seria um objeto em movimento. Alguns exemplos proeminentes de energia potencial e cinética são:
Energia armazenada nas ligações de átomos e moléculas.
Energia armazenada dentro de um átomo que mantém o núcleo unido.
Energia armazenada em um objeto com base em sua posição em um campo gravitacional.
Energia fornecida por meio de partículas carregadas chamadas elétrons.
Energia fornecida por meio da radiação eletromagnética.
Energia fornecida por meio de calor, ou o movimento de átomos.
A energia térmica é a energia cinética total dentro de um sistema, observada como energia cinética vibracional, rotacional ou translacional. No entanto, há também uma energia “oculta” (ou melhor, microscópica) que existe na forma de energia interna, que considera todas as partículas em um sistema e é responsável tanto pela energia cinética quanto pela energia potencial.
A energia térmica pode ser transferida por meio de três métodos: condução, convecção e radiação. Para entender melhor como cada um funciona, pense em uma panela de água fervente no fogão.
- Condução é o fluxo de energia através de materiais sólidos. À medida que a chama aquece a panela, a energia viaja por todo o objeto e aumenta sua temperatura superficial.
- Convecção é o fluxo de energia por meio do movimento de fluidos. À medida que a panela fica mais quente, a água se ajusta à diferença de temperatura. A água quente sobe ao topo, enquanto a água fria é puxada para baixo, criando uma corrente circular conhecida como movimento de massa do fluido.
- Radiação é o fluxo de energia por meio de ondas. A energia cinética da chama viaja por meio de ondas eletromagnéticas e é convertida em calor ao tocar um objeto, neste caso, a panela.
O calor distribuído neste exemplo passa por três estados diferentes: sólido, líquido e gasoso. A energia térmica pode alterar objetos em cada estado e pode até iniciar uma mudança de fase dependendo da quantidade de calor aplicada. Isso depende do calor latente e sensível.
O calor latente refere-se à quantidade de calor ou energia necessária para desencadear uma mudança de fase (transformar água fervente em vapor). O calor sensível refere-se à energia necessária para aumentar a temperatura de uma substância (a chama torna a panela mais quente). Cada objeto tem sua própria capacidade térmica específica, que é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura em um grau Celsius. A água tem um calor específico alto, o que significa que é necessária muita energia para aumentar sua temperatura, enquanto o ar tem um calor específico baixo, uma vez que os gases normalmente têm uma capacidade de calor específico mais baixa.
A energia térmica é frequentemente usada de forma intercambiável com o calor, embora haja pequenas nuances. A energia térmica refere-se ao movimento de moléculas e átomos dentro de um sistema. O calor, por outro lado, é a transferência ou fluxo de energia térmica de um sistema para outro. Tanto a energia térmica quanto o calor são medidos em joules.
A temperatura refere-se à energia cinética média gerada dentro de um sistema e é medida em Celsius, Fahrenheit, Kelvin ou Rankine. É importante observar que a temperatura registra o “calor” ou “frio” de um objeto em um momento específico, mas não sua energia. Por exemplo, a temperatura não pode informar a quantidade de calor que sai de um sistema.
Outra maneira de pensar sobre a relação entre os três é que a energia térmica é a quantidade total de energia em um sistema, o calor é o fluxo de energia desse sistema para outro e a temperatura é a energia cinética média das moléculas.
Em um momento no qual as preocupações com a mudança climática estão aumentando, a pressão para que as empresas avancem em direção a operações com neutralidade de carbono está crescendo. A energia térmica oferece às organizações a oportunidade de adotar fontes de energia renovável e se afastar dos combustíveis fósseis.
A energia solar é produzida pela coleta e concentração dos raios solares. Usando refletores e receptores, a energia do sol é amplificada e apontada para um tubo que contém um fluido de transferência de calor . Esse processo ativa uma turbina de água, que produz eletricidade.
A energia geotérmica pode ser encontrada na crosta terrestre, tornando-a um recurso abundante. É obtida por meio de perfurações profundas em reservatórios onde a água quente pode fluir. A água é aproveitada e usada para acionar turbinas que produzem eletricidade.
A conversão de energia térmica oceânica (OTEC) usa a variância da temperatura do oceano (mais quente na superfície, mais fria no fundo) para produzir trabalho útil, geralmente na forma de eletricidade. A OTEC é uma alternativa viável, dada a abundância de água do oceano e seu fator de alta capacidade.
Aproveitar a energia térmica como fonte de energia renovável pode ser uma maneira eficaz para as empresas diversificarem sua estratégia de gerenciamento de energia . Além disso, pode ajudar as empresas a mitigar quaisquer danos adicionais ao planeta, ao reduzir o consumo e melhorar a conservação de energia.
Coloque em prática iniciativas de sustentabilidade com o gerenciamento do impacto econômico das condições climáticas adversas e da mudança climática em sua empresa.
Simplifique a captura, a consolidação, o gerenciamento, a análise e a geração de relatórios de seus dados de ESG.
A energia renovável é a energia gerada a partir de fontes naturais que se renovam mais rapidamente do que são utilizadas.
Confira aqui como as diferentes formas de geração de energia renovável evoluíram para diversificar o setor de energia global e o fornecimento de energia do mundo.
O gerenciamento de energia é o monitoramento, controle e otimização proativos e sistemáticos do consumo de energia de uma organização, visando conservar o uso e reduzir os custos energéticos.