O que é absorção de calor – Definição

Absorção de calor. A energia térmica também pode ser efetivamente absorvida e armazenada. Existem três métodos utilizados e ainda sendo investigados para armazenar energia térmica. Engenharia Térmica

Absorção de calor

Energia microscópica - energia internaNa termodinâmica , energia interna (também chamada de energia térmica ) é definida como a energia associada a formas microscópicas de energia . É uma quantidade extensa , depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de energia interna é o joule (J) . É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema. As formas microscópicas de energia incluem aquelas devidas à rotação , vibração, translação e interaçõesentre as moléculas de uma substância. Nenhuma dessas formas de energia pode ser medida ou avaliada diretamente, mas técnicas foram desenvolvidas para avaliar a mudança na soma total de todas essas formas microscópicas de energia.

Absorção de calor

Além disso, a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.

Usina Solar PS10 na Espanha. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY 2.0
Usina Solar PS10 na Espanha. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY 2.0

A energia térmica também pode ser efetivamente absorvida e armazenada. Atualmente, a situação nos mercados de energia é diferente. O aumento dos preços das fontes convencionais de energia e a conscientização ambiental levaram a aumentar o uso de energias renováveis ​​e a eficiência energética. O armazenamento de energia térmica é um componente essencial de uma usina para melhorar sua indisponibilidade, especialmente para concentrar usinas de energia solar (CSP). O armazenamento de energia térmica (TES) é alcançado com tecnologias amplamente diferentes. Existem três métodos utilizados e ainda sendo investigados para armazenar energia térmica.

  • Armazenamento de calor sensível (SHS)
  • Armazenamento de calor latente (LHS)
  • Armazenamento termoquímico

Absorção em calor sensível

A maneira mais direta é o armazenamento de calor sensível . O armazenamento sensível de calor baseia-se em elevar a temperatura de um líquido ou sólido para armazenar calor e liberá-lo com a diminuição da temperatura quando necessário. Os volumes necessários para armazenar energia na escala que o mundo precisa são extremamente grandes. Os materiais utilizados no armazenamento sensível ao calor devem ter alta capacidade de aquecimento e também alto ponto de ebulição ou fusão. Embora este método de armazenamento de calor seja atualmente menos eficiente para armazenamento de calor, é menos complicado em comparação com o calor latente ou químico e é barato.

Do ponto de vista termodinâmico, o armazenamento de calor sensível é baseado no aumento da entalpia do material na loja, seja um líquido ou um sólido na maioria dos casos. O efeito sensível é uma mudança de temperatura. O calor armazenado pode ser obtido pela equação:

armazenamento de calor sensível - equação

Absorção no calor latente

Uma abordagem comum ao armazenamento de energia térmica é usar materiais conhecidos como materiais de mudança de fase (PCMs). Esses materiais armazenam calor quando sofrem uma mudança de fase , por exemplo, de sólido para líquido, de líquido para gás ou de sólido para sólido (mudança de uma forma cristalina para outra sem mudança de fase física).

A mudança de fase “ sólido para líquido ” é a mais utilizada, mas também é interessante a mudança de sólido para sólido. Esses materiais podem ser usados ​​como uma maneira eficaz de armazenar energia térmica (energia solar, eletricidade fora de pico, calor residual industrial). Em comparação com os sistemas de armazenamento de calor sensível, o armazenamento de calor latente tem as vantagens de alta densidade de armazenamento (devido ao alto calor latente de fusão ) e a natureza isotérmica do processo de armazenamento. O calor da fusão ou o calor da evaporação é muito maior que a capacidade específica de calor. A comparação entre armazenamento de calor latente e armazenamento de calor sensível mostra que, no armazenamento de calor latente, as densidades de armazenamento são tipicamente 5 a 10 vezes mais altas.

Em geral, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia de vaporização (mudança de fase de líquido para vapor) ou entalpia de fusão (mudança de fase de sólido para líquido), é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma alteração na Estágio. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir a substância (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

Absorção em Energia Química

Uma das três abordagens possíveis para o armazenamento de energia térmica é usar reações termoquímicas reversíveis . A vantagem mais importante do método de armazenamento termoquímico é que a entalpia da reação é consideravelmente maior que o calor específico ou o calor da fusão. Portanto, a densidade de armazenamento é muito melhor. Nas reações químicas , a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Armazenamento de energiano nível atômico inclui energia associada aos estados orbitais dos elétrons. Se uma reação química absorve ou libera energia, não há mudança geral na quantidade de energia durante a reação. Isso é devido à lei de conservação de energia , que afirma que:

A energia não pode ser criada ou destruída A energia pode mudar de forma durante uma reação química .

Um exemplo de um sistema experimental de armazenamento baseado em energia de reação química é a tecnologia de hidrato de sal . O sistema é especialmente vantajoso para o armazenamento sazonal de energia térmica . O sistema utiliza a energia de reação criada quando os sais são hidratados ou desidratados. Ele funciona armazenando calor em um recipiente contendo solução de hidróxido de sódio a 50% (NaOH). O calor (por exemplo, usando um coletor solar) é armazenado pela evaporação da água em uma reação endotérmica. Quando a água é adicionada novamente, o calor é liberado em uma reação exotérmica a 50 ° C. Os sistemas atuais operam com 60% de eficiência.

Absorção de calor radiante

emissividade de vários materiaisNos capítulos anteriores, discutimos  convecção  e  condução , que exigem a presença de matéria como meio para transportar o calor da região mais quente para a mais fria. Mas um terceiro tipo de transferência de calor,  a transferência de calor por radiação , ocorre sem nenhum meio. Em geral, a  transferência de calor por radiação de uma superfície para outra é a radiação que sai da primeira superfície para a outra menos a que chega da segunda superfície. A transferência de calor  por radiação é mediada pela  radiação eletromagnética , conhecida como  radiação térmica , que surge devido à  temperatura  de um corpo.

Outra propriedade importante de radiação de uma superfície é sua capacidade de  absorção ,  α , que é a fração da energia de radiação incidente em uma superfície que é absorvida pela superfície. Como a emissividade, o valor da absortividade está na faixa de 0 <α <1.

A partir de sua definição, um  corpo negro , que é um corpo físico idealizado, absorve toda a radiação eletromagnética incidente  , independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito. Como para objetos reais a  absorção  é menor que a unidade, um objeto real não pode absorver toda a luz incidente. A absorção incompleta pode ser devida a parte da luz incidente ser transmitida através do corpo ou a parte refletida na superfície do corpo.

Em geral, a  absorção  e a  emissividade  são interconectadas pela  Lei de Kirchhoff da radiação térmica , que afirma:

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

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