Luz e energia

A energia do fóton

A luz solar aquece a Terra.
Essa energia vem das ondas eletromagnéticas e particularmente dos fótons que atingem a superfície do nosso planeta. A luz é parte de uma pequena gama de vibrações electromagnéticos encontrados no espectro electromagnético. A atmosfera da Terra permite a passagem que apenas uma pequena fração dessa radiação. Ondas Curtas é absorvida por as camadas atmosféricas e ondas longas são refletidas.
A grande parte das ondas que nos chegam, são aqueles de luz visível. A natureza da luz é da mecânica quântica para as quais é tanto uma onda e tanto uma partícula.
A luz tem um comprimento de onda, que determina a cor, o Vermelho emite no comprimento de onda de 620 a 780 nm, a laranja a partir de 592 a 620 nm, o amarelo a partir de 578 a 592 nm, o verde 500 a 578 nm, o azul de 446 a 600 nm e violeta de 380 a 446 nm. As várias janelas do espectro electromagnético são caracterizados por um comprimento de onda, mas também por um intervalo de frequência definida.
A frequência é o número de oscilações electromagnéticas que passam pou um ponto dado em um segundo. É expressa com a unidade de frequência, que é o hertz. Mais o comprimento de onda é curto, mais a frequência é alta.

Quando recebemos os raios de luz do Sol em nossa pele, nós estamos bem conscientes de que os fótons possuem energia.
Mas, que é a quantidade de energia transportada por um fóton?
Isso depende do fotão ou melhor, depende do comprimento de onda do fotão. Mais o comprimento de onda é curto do fotão e mais é enérgico.
Esta é a fórmula E = hf que dá a energia de um fotão.
E é a energia expressa em Joules.
h é a constante de Planck (6,62 x 10-34).
f é a frequência.
A energia de um fóton é infinitamente pequena.

N.B.: A luz é a primária fonte de energia emitida pelo Sol. Ela fornece os ecossistemas terrestres através da fotossíntese.

Imagem: O espectro electromagnético inclui todas as janelas de luz. Maxwell determinado que a luz é uma onda electromagnética e não há nenhuma razão para limitar o comprimento de onda da mesma ao intervalo correspondente ao espectro da luz visível, tudo o espectro é luz.

Quantos fótons são necessários para aquecer uma xícara de café?

Depende da frequência, assim como da cor.
A frequência do vermelho é 350 THz e a do azul 750 THz.
A fórmula E = hf fornece a energia de um fóton.
Energia de um fóton azul:
E = (6,62x10^-34)x(750x10¹²) ≈ 10^-18 joule.
1 joule ≈ 10¹⁸ fótons azuis.
A caloria é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um grama de água líquida de 14,5 para 15,5 °C. Isso corresponde a 4.1855 joules.
Para aumentar a temperatura de 10 cm3 de café em 50 °C, são necessários cerca de 100x50x10¹⁸ ou 10²¹ fótons azuis e 10²² fótons vermelhos.
Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia da radiação.

N.B.: 1 kJ é de aproximadamente 239 calorias.
1 Ws (watt segundo) = 1 joule.
1 kWh (quilowatts-hora) = 3 600 000 Joules.

Imagem: O espectro da luz visível que vão desde o infravermelho ao ultravioleta, corresponde aos comprimentos de onda de 400 nanómetros no violeta a 800 nanómetros no vermelho, ou seja, 4x10^-7 a 8x10^-7m. Entre o comprimento de onda (λ) ea frequência (ν) a relação seguinte: ν = c λ / onde c é a velocidade da luz é de cerca de 300 000 km/s.

Qual é a energia solar recebida pela Terra?

A temperatura média da Terra está relacionada com a potência solar média recebida na Terra e com a distância Terra/Sol.
O cálculo da potência recebida na Terra em watts por metro quadrado é dada por:
Pr = x L/4ΠR2 Πr2
O cálculo da potência absorvida pela Terra (aqui) é dada por Pa = Pr (1-A)
L/4ΠR2 é a constante solar, é igual a 1368 wm2.
O valor médio (há um hemisfério que recebe a radiação) é 342 wm2 dada albedo é 239 wm2.
Mas a Terra re-emite luz no espaço.
Terra está em equilíbrio termodinâmico, ou seja, que a potência absorvida é igual à potência reemitida.
O cálculo da temperatura média da Terra dá 255 K, mas o efeito de estufa produzido pela presença de vapor de água e dióxido de carbono na atmosfera da Terra, aumentando a temperatura de 33 K, é portanto 288 K, cerca de 15 ° C.

Imagem: Cálculo da potência média recebida pela Terra, Universidade Pierre et Marie Curie, Paris VI.

Imagem: Cálculo da potência média recebida pela Terra, Universidade Pierre et Marie Curie, Paris VI.