Luz e Energia: Compreendendo a Energia Recebida pela Terra

Descrição da imagem: O espectro eletromagnético abrange todas as faixas de luz. Maxwell demonstrou que a luz é uma onda eletromagnética e que não há razão para restringir seu comprimento de onda ao intervalo correspondente ao espectro visível. Na realidade, todo o espectro eletromagnético é composto de luz.

A Energia dos Fótons

A luz do Sol aquece a Terra. Esta energia vem das ondas eletromagnéticas e, em particular, dos fótons que atingem a superfície do nosso planeta. A luz visível faz parte de uma pequena faixa de vibrações eletromagnéticas encontradas no espectro eletromagnético.

A atmosfera terrestre permite a passagem de apenas uma pequena parte dessa radiação. Ondas curtas são absorvidas nas camadas atmosféricas e ondas longas são refletidas. A maior parte das ondas que nos atingem são as da luz visível. A natureza da luz pertence à mecânica quântica, onde é tanto uma onda quanto uma partícula (podemos contar as partículas contidas na onda).

A luz possui um comprimento de onda que determina sua cor. O vermelho emite na faixa de comprimento de onda de 620 a 780 nanômetros, o laranja de 592 a 620 nm, o amarelo de 578 a 592 nm, o verde de 500 a 578 nm, o azul de 446 a 600 nm e o violeta de 380 a 446 nm. As diferentes janelas do espectro eletromagnético são caracterizadas por um comprimento de onda, mas também por uma faixa de frequências definidas.

A frequência é o número de oscilações eletromagnéticas que passam por um ponto dado em um segundo. É expressa na unidade de frequência, que é o hertz. Quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência. Quando recebemos os raios de luz do Sol em nossa pele, percebemos que os fótons transportam energia.

Mas quanta energia um fóton transporta?

Tudo depende do fóton, ou melhor, tudo depende do comprimento de onda do fóton. Quanto menor o comprimento de onda do fóton, mais energético ele é. A fórmula E = hf permite calcular a energia de um fóton.

• E é a energia expressa em joules.
• h é a constante de Planck (6,62 x 10^-34).
• f é a frequência em hertz.

A energia de um fóton é, portanto, infinitamente pequena.

Quantos Fótons São Necessários para Aquecer uma Xícara de Café?

Depende da frequência e, portanto, da cor. A frequência do vermelho é de 350 THz e a do azul é de 750 THz. A fórmula E = hf dá a energia de um fóton.

Energia de um fóton azul: E = (6,62x10^-34)x(750x10¹²) ≈ 10^-18 joules. 1 joule ≈ 10¹⁸ fótons azuis.

Uma caloria é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um grama de água líquida de 14,5 a 15,5 °C. Isso corresponde a 4,1855 joules. Para elevar a temperatura de 10 cm3 de café em 50 °C, são necessários aproximadamente 100x50x10¹⁸, ou seja, 5x10²¹ joules e aproximadamente 10²¹ fótons azuis e 10²² fótons vermelhos. Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia da radiação.

N.B.: 1 kJ equivale aproximadamente a 239 calorias. 1 Ws (watt segundo) = 1 joule. 1 kWh (quilowatt hora) = 3.600.000 joules.

Qual é a Potência Solar Recebida pela Terra?

A temperatura média atual da Terra está relacionada à potência solar média recebida na Terra e à distância Terra/Sol.

O cálculo da potência recebida na Terra em watts por metro quadrado é dado por Pr = L/4ΠR2 x Πr2, e o cálculo da potência absorvida pela Terra é dado por Pa = Pr (1-A).

• L/4ΠR2 é a constante solar, igual a 1368 wm2. O valor médio (apenas um hemisfério recebe a radiação) é de 342 wm2, considerando o albedo, é de 239 wm2. Mas a Terra reemite luz para o espaço.

A Terra está em equilíbrio termodinâmico, o que significa que a potência absorvida é igual à potência reemitida. O cálculo da temperatura média da Terra dá 255 K, mas o efeito estufa produzido pela presença de vapor d'água e dióxido de carbono na atmosfera da Terra aumenta a temperatura em 33 K, sendo de 288 K, ou aproximadamente 15°C.