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A Física do Sol Lucas Vinhote Ribeiro – N1136D-1 Manaus/2017 A Física do Sol Lucas Vinhote Ribeiro – N1136D-1 Artigo escrito com o tema “A Física do Sol” para obtenção da nota da disciplina de APS (Atividades Práticas Supervisionadas) em modalidade de dependência do Curso de Engenharia 4º Semestre da Universidade Paulista. Manaus/2017 DEDICATÓRIA A Deus que nos criou e foi criativo nesta tarefa. seu fôlego de vida em mim, me foi sustento e me deu coragem para questionar realidades e propor sempre um novo mundo de possibilidades. AGRADECIMENTOS Ao meu professor orientador, pelo suporte no pouco tempo que lhe coube, pelas suas correções e incentivos. E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte do nosso projeto. "É no problema da educação que assenta o grande segredo do aperfeiçoamento da humanidade." (Immanuel Kant) Física do Sol Introdução ...................................................................................... Revisão Bibliográfica ...................................................................... Aplicações na ciência e tecnologia ................................................. Impactos produzidos na sociedade ................................................ Efeito do trabalho na formação do aluno ........................................ Conclusão ....................................................................................... I - Introdução A estrela mais próxima da terra é o Sol. Todos os planetas do sistema solar giram em volta dela, cada um com um período diferente. Para a maioria dos planetas em nosso sistema solar, o sol é responsável pelo suprimento de energia. Frequentemente são feitas varias perguntas a respeito do sol, as mais comuns são: Como o sol funciona? Do que ele é feito? Antes de responder, veremos alguns conhecimentos a respeito do sol. A quantidade de massa que o sol tem é 332,959 vezes a massa da terra, onde em seu interior poderiam caber para cima de 1,3 milhões de terras, é constituído principalmente dos gases hidrogênio e hélio, dois gases mais leves que conhecemos. Quando se diz que o sol tem quase 98% de gases a pergunta que aparece é: É possível o sol ter tanta massa e ser tão grande sendo formado por gases? É uma história muito longa que nem mesmo os cientistas que estudam o sol e outras estrelas sabem explicar exatamente como acontece, mas sabem que antes de existir o sol e outros planetas, o que existia era uma enorme nuvem de gases e poeira muito maior que o sistema solar. Esses são gases que conhecemos como: oxigênio, nitrogênio e principalmente hidrogênio e hélio. A poeira são elementos químicos como ferro, ouro, uranio e etc. Mas a maior parte dessa nuvem era composta por hidrogênio e hélio. Há uma explicação que ainda não é bem explicada que essa nuvem encontrou condições para se aglomerar, se juntar em pequenos blocos, esses blocos começaram a se juntar em blocos cada vez maiores. Um desses blocos, o que se formou primeiro, no centro da nuvem, ficou tão grande e pesado que sua força gravitacional tornou-se suficiente para reter os gases com muita facilidade. Esse bloco aumentou tanto de tamanho e massa que acabou por se transforma numa estrela: O Sol. Os Blocos menores que se formaram ao redor do bloco central deu origem aos planetas. Essa teoria da nuvem de gás e poeira é a mais aceita entre cientistas atuais. Outro conhecimento muito interessante é sua localização. O sol está há 33,000 anos luz do centro galáctico, o que corresponde a 2/3 do raio galáctico. O sol também esta orbitando em relação ao centro gravitacional da nossa galáxia. O ano do sol é de aproximadamente 230 milhões de anos terrestres e sua velocidade orbital é de 250 km/s, sendo que todos os demais corpos do sistema solar o acompanham nessa viagem. Sabe-se que o sol realizou cerca de 250 revoluções completas até hoje e sua idade é de cerca de 4,5 bilhões de anos. E sua Temperatura? A camada exterior visível do sol é chamada fotosfera e tem uma temperatura de 6000 º C (11000 º F). Esta camada tem um aspecto manchado devido ás erupções turbulentas de energia á superfície. A energia solar é criada na zona profunda do núcleo do sol, onde a temperatura de (15 000 000 º C; 27 000 000 º F) e pressão de (340 bilhões de vezes a do ar na terra ao nível do mar) é tão intensa que ocorrem reações nucleares. II - Revisão Bibliográfica Com a lei da gravitação de Isaac Newton (1642 – 1727), foi possível obter a massa da nossa estrela que é estimada em 332.959 vezes a massa da terra, com um raio de 695.500 km. Sua densidade média é de 1,4g/cm³, e seu eixo de rotação tem uma inclinação em relação ao plano da eclíptica (plano orbital da terra ao redor do sol) de 7º 15’’. Sua gravidade na superfície é apenas 28 vezes maior que a gravidade da terrestre. Mesmo sua massa sendo milhares de vezes maiores que a da terra. Sua superfície não é sólida, está em estado de plasma e gás. 99,867% de toda massa do nosso sistema solar representa o sol e a massa restante está dividida entre planetas, asteroides, satélites e cometas do nosso sistema solar. A massa do sol representa a seguinte distribuição. Características Químicas. Amadas Externas (fotosfera e pouco abaixo) 0,2% de elementos pesados 7,8% de hélio 92% de hidrogênio Características físicas do Sol Raio 695.500 km 109 raios terrestres Superfície 6,161. 013 km 11.881 vezes a terrestre Volume 1,441. 018 km³ 13.106 vezes o terrestre Massa 191.030 kg 332.959 vezes a terrestre Densidade 1,4 g/cm³ 0,26 vezes a terrestre Luminosidade 391.027 KW --------------------------------- Temperatura Superficial 5770 K --------------------------------- Temperatura no Centro 15107 K --------------------------------- Gravidade Superficial 276 m/s² 28 vezes a terrestre O funcionamento do sol e sua estrutura interna. Os cientistas só conheciam as reações químicas (combustão) para produzir fogo e calor e pensavam que o sol funcionava da mesma maneira, mas com esse funcionamento, o sol não duraria 100 anos, como o sol tem mais de 100 anos, a natureza criou uma maneira mais eficiente de produzir energia. Só na metade desse século é que se descobriu a existência da energia nuclear. A energia do sol é a energia nuclear, que é produzida com o hidrogênio fazendo papel de combustível. Sabendo como elevar a temperatura de um gás podemos entender como ocorrem às reações nucleares do sol. Quando comprimimos determinado gás ele aquece, ou seja, podemos tomar como exemplo um pneu de bicicleta que quando enchido manualmente o bico do pneu e o bico da bomba ficam aquecidos. Isso acontece, pois o ar(gás) que está dentro da bomba é comprimido pela força que você faz, e quanto mais compressão tiver, mais quente o bico do pneu e da bomba ficaram. Agora imagine o solque tem a pressão milhares de vezes maior que o da terra. Sabemos também que quanto maior for a profundidade, maior a pressão, onde podemos perceber quando mergulhamos em uma piscina, lago ou até mesmo no mar, com dois ou três metros de profundidade já percebemos a mudança de pressão em nossos ouvidos. No sol pode-se afundar até 50 vezes o diâmetro da terra sem chegar ao seu centro, é até difícil imaginar a pressão contida no sol. É a pressão do sol que faz com que o hidrogênio atinja temperaturas de 15 milhões de graus no centro do sol. Com o gás nessa temperatura e pressão, ocorrem as reações nucleares que mantem o sol aquecido. As reações nucleares do sol transformam o hidrogênio em hélio e nessa transformação é liberada uma enorme quantidade de energia. Nós recebemos uma pequenina parte desta energia aqui na terra. Só no século XX que se atingiram conhecimentos teóricos suficientes para elaborar uma teoria a respeito de toda a energia que o sol irradia. Sabemos que o sol emite muita energia na forma de calor e luz e que está atualmente em equilíbrio térmico, porem para se manter esse equilíbrio é necessário uma fonte interna de energia. Essa energia fica localizada no seu núcleo que através de reações termonucleares funde os átomos de hidrogênio e forma átomos de hélio. A temperatura no seu núcleo é de 15 milhões de kelvin e sua pressão é de bilhões de atmosferas, sendo que esses valores vão decrescendo junto com a densidade, de modo não linear, conforme se afasta do núcleo em direção á superfície. Nesse deslocamento de energia ocorre uma variação térmica na qual determina a estrutura interna da estrela. Os principais mecanismos de transportes energéticos do sol é o radioativo e o convectivo, explicados a seguir: Radioativo: é uma camada do sol onde a energia propaga-se da mesma maneira que a luz, ou seja, ”zona de irradiação” onde não depende do meio para se propagar. O meio atua no sentido de atenuar a energia. Convectivo: é a camada no qual a energia se propaga através de movimentos convectivos, ou seja, a parte que esta aquecida no núcleo sobe e a que está na superfície e perdeu um pouco sua temperatura desce. Com esse processo, o sol esta emitindo energia desde sua ignição a 4,5 bilhões de anos. A emissão de energia do sol não é uniforme, ou seja, há variações no fluxo de energia emitida. O mínimo de emissão de energia atribui-se o nome de “sol calmo” e o máximo de “sol ativo”, e esse mínimo ou máximo observamos com fenômenos em toda sua camada. Essas variações influenciam o meio interplanetário, sendo que na terra observamos muitos efeitos na atmosfera e no campo magnético. O campo magnético é produzido por algumas linhas nas a proximidades das manchas solares, podem ser elas duplas ou até mesmo triplas, ou seja, no lugar de uma linha de onda, se vê uma linha a direita e uma a esquerda da linha original, ou até mesmo a original e duas outras laterais. Esse fenômeno de duplicação de linhas é chamado de efeito Zeeman e ocorre quando a fonte emissora de luz está submetida a um campo magnético. George Ellery Hale (1868 - 1938) foi quem detectou os campos magnéticos solares. Estrutura externa do sol Começaremos com a fotosfera que a olho ni podemos observa que a superfície solar é bastante uniforme. Ela é formada por pequenas estruturas hexagonais, os grânulos, de forma irregular e separada por zonas mais escuras. Posteriormente verificou-se que essas estruturas são topos de colunas ascendentes de gás aquecido, que ao esfriar desce pela zona escura vizinha decorrente do processo de convecção, que mistura o gás nas extremidades inferiores a fotosfera. A diferença de temperatura entre os grânulos e as zonas escuras é de cerca de 1000 K. A fotosfera é a camada sob o qual o sol torna-se completamente opaco a luz vizivel, e é a camada mais funda do sol que pode ser observada. Estima-se que a espessura da fotosfera meça algo entre dezenas e centenas de quilômetros. Também temos a cromosfera, uma região externa a fotosfera. A temperatura na cromosfera se reduz a partir da fotosfera até atingir 500 km de altitude com 4000 K, e então há outro aumento até atingir 9000 K a uma altitude de 2000 km quando se inicia a coroa. A coroa é uma camada do sol muito impressionante e a mais extensa delas, pois abrange praticamente todo o sistema solar. A densidade da matéria nessa camada é cerca de 10 milhões de vezes menor que na fotosfera e diminui conforme se afasta do sol. Em condições normais não pode ser vista, pois a sua emissão de luz é um milhão de vezes menor que a luz da fotosfera. Pode ser vista em eclipses solares totais e com o coronógrafo. A coroa pode ser distinguida em três regiões: Coroa interna com espessura de 1,3 raios solares a partir da cromosfera; Coroa intermediária que vai de 1,3 a 2,5 raios solares e a coroa externa de 2,5 a 24 raios solares. Ao longo da translação terrestre, a terra caminha imersa na corroa solar, e a radiação presente nela (advinda do sol) bombardeia continuamente nosso planeta. III – Aplicações na ciência e tecnologia A energia do sol é uma fonte limpa e renovável de energia que devemos priorizar sua utilização. Sua energia pode ser utilizada de varias maneiras, e é uma das alternativas energéticas mais importantes para os próximos anos, pois as fontes de energias não renováveis além de serem caras e um dia acabar, prejudica o meio ambiente. A quantidade de energia solar que alcança a terra pode ser captada por painéis solares e transformada em energia elétrica ou mecânica, como também podemos utilizar esta energia para aquecer a água em residências, para o banho, piscina e até mesmo em processos industriais, fazendo uso de aquecedores solares. A energia solar além de ser renovável, representa uma grande economia no consumo de energia não renovável e de combustíveis, como também é uma energia que não polui quando em uso. Essa tecnologia vem se evoluindo e se tornando mais barata, possibilitando seu uso em grande escala. Mais temos uma grande desvantagem na qual dependemos da situação climática para a captação de energia, e sua forma de armazenamento comparada com a energia elétrica e outras é pequena. Podemos dizer também que a energia solar faz parte das hidroelétricas. A energia solar aquece a água do mar fazendo evaporar e quando chove, essa água volta em estado liquido para locais mais altos, resumindo em energia potencial acumulada para girar as turbinas e gerar energia elétrica. A energia eólica também tem origem solar, pois os ventos surgem com o aquecimento das massas de ar provocando as correntes de convecção. Com isso podemos ter uma ideia de quão é importante a energia solar para nossa sobrevivência. Pela primeira vez na América latina, pesquisadores viabilizam produção de energia solar em escala industrial. Só será possível por criarem um processo de fabricação de painéis que captam radiação do sol e a transformam em energia elétrica. Módulos fotovoltaicos são os primeiros fabricados em escala industrial na América latina que foi produzido no núcleo tecnológico de energia solar da PUC do rio grande do sul. A atuação da energia solar no Brasil tem sido vergonhosa, pois enquanto outros países em desenvolvimento investe em energia solar, o Brasil só assisti. Mas esse panorama chegara ao fim. A faculdade de física da pontifica universidade católica do rio grande do sul(PUCRS) apresentou um projeto que promete deixara produção de energia através do sol do Brasil em patamares competitivos com os melhores do mundo. Para intender esta conquista, é preciso saber um pouco sobre a geração de energia através do sol na qual tem hoje duas aplicações: No aquecimento de água e na geração de eletricidade. No aquecimento da água são utilizados coletores solares, que são dispositivos que convertem energia solar em energia térmica, e na geração de eletricidade são utilizadas as células solares, que convertem energia solar em elétrica. É a segunda aplicação que é chamada de fotovoltaica e que a (PUCRS) está trabalhando. Quando uma célula capta o raio do sol, ela produz uma tensão muito baixa (em geral de 0,5 a 0,6 volts), muito pouco para gerar 220 ou 110 volts. Para resolver, trabalhamos várias células em conjunto. “Reunimos um bom numero de células sob uma chapa de vidro e reforçamos a estrutura com uma moldura de alumínio”, explica Moehleck (Físico que coordena a equipe da PUCRS) e assim construíram o chamado módulo voltaico, que converte energia solar em energia elétrica. No Brasil não haviam sido desenvolvidos meios de produzir energia a partir desses módulos, em escala industrial. Segundo Moehleck os custos de produção são extremamente vantajosos, e poucos lugares no mundo têm uma estrutura tão eficiente como a que foi criada na PUCRS, no qual tem ima eficiência de 15,4 %, ou seja, do total de energia solar absorvida, 15,4% convertem-se em energia elétrica. IV – Impactos produzidos na sociedade. Temos como um grande impacto na sociedade o raio ultravioleta no qual é radiada pelo sol e a atmosfera terrestre absorvem. A radiação ultravioleta pode ser subdividida em UV próximo (comprimento de onde de 380 Nm até 200 Nm mais próxima da luz visível) , UV distante (de 200 Nm até 10 Nm) e UV extremo (de 1 a 31 Nm). Um relatório divulgado em 2009 pela organização mundial da saúde (OMS) mostra que 60 mil pessoas por ano morrem de doenças relacionadas ao excesso de radiação solar no corpo. A superexposição aos raios ultravioletas causa muitos prejuízos ao ser humano. Portanto, é aconselhável entender que os efeitos nocivos desses raios podem causar ao nosso corpo em qualquer época do ano. Essa exposição atinge todas as faixas etárias e classes sociais, a exposição á essa radiação pode trazer prejuízos aos olhos, inflamando as córneas e a conjuntiva (tecido do olho). Outras doenças causadas pela radiação UV (ultravioleta) no olho é o câncer de pele ao redor dos olhos, a catarata, degeneração macular relacionada a idade (DMRI) e fotoqueratite. A pele também é atingida, um dos tipos de doença na pele, provocada pelos raios UV (ultravioleta), é o câncer, no qual é muito perigoso e difícil de tratar, se não for diagnosticado rapidamente. Outro fator muito interessante é que quando os seres humanos se expõem muito aos raios solares, a pele fica cheias de rugas, manchas, fazendo a pessoa envelhecer mais rápido. Esses são os danos causados pelos raios solares aos seres vivos, onde prejudica a saúde. Mais hoje temos como evitar através de protetores solares, óculos de sol e até chapéus que são usados como meio para diminuir a exposição da pessoa com o raio UV e outros. Outro impacto que foi e é influenciado pelo homem é o famoso aquecimento global, que com o uso de combustíveis em larga escala pelo homem, a composição da atmosfera vem mudando e o balanço térmico do planeta vem provocando o aquecimento global. Os sintomas são os degelos nos polos, chuvas ácidas e envenenamento da atmosfera e de todo o meio-ambiente. As previsões dos efeitos decorrentes para um futuro são catastróficas. Com o aquecimento global, varias regiões do planeta vem sofrendo. Podemos tomar como exemplo a seca, onde florestas estão sendo devastadas por falta de água, e os seres vivos vítimas da seca passam fome. Outro exemplo é o nível do mar aumentando, pois as geleiras estão derretendo por causa da temperatura que esta acima que a normal. O sol vem causando esses impactos ambientais, pois o homem interviu no desequilíbrio da terra no qual estamos sofrendo. Podemos buscar soluções limpas e ambientalmente corretas para que o mundo comece a melhorar e voltar ao normal. O mormaço do sol vem causando também muitos problemas respiratórios, pois vem tirando a humidade do ar. Se não começarmos a tomar atitudes corretas e limpas, não sobreviveremos. A utilização das energias renováveis em substituição aos combustíveis fósseis é uma direção viável e vantajosa, pois além de serem praticamente inesgotáveis, as energias renováveis podem apresentar impacto ambiental muito baixo ou quase nulo, sem afetar o balanço térmico ou composição atmosférica do planeta. Até agora falamos dos impactos negativos que o sol traz a sociedade, mais ao fazer este trabalho, observamos que o sol também traz impactos positivos, no qual podemos tomar como exemplo as plantações que dependem do sol para produzir frutas mais bonitas e gostosas. Os raios solares participam da fotossíntese das plantas, no qual produz oxigênio, gás em que precisamos para nossa sobrevivência. O sol aquece a água fazendo-a evaporar, e depois a água evaporada volta em forma de chuva regando as plantas que necessitam de água para sobreviver, abastecendo nossas hidroelétricas para a produção de energia elétrica, como também lagos e rios no qual bebemos como água potável e utilizamos também a água para tomar banho e fazer outras tarefas em casa como lavar louça, carro e etc... Como podemos notar, o sol traz coisas positivas e outras negativas, umas por culpa do homem, outras por ser regra da natureza. Mesmo com todos os riscos que o sol traz a nós, hoje dependemos muito dele e continuaremos dependendo. O sol é uma fonte de energia muito importante também para os animais, pois os animais sofrem impactos positivos e negativos do mesmo jeito que o ser humano, mesmo que somos animais também. V - Efeito do Trabalho na formação do aluno. Podemos observa ao longo deste trabalho que a energia solar é um bem necessário a todas as espécies e até mesmo para a economia e desenvolvimento do planeta. No nosso ecossistema, através de diversos ciclos naturais, a radiação solar é convertida em diversos outros tipos de energia, uma das energias que o homem necessita é a elétrica, na qual usamos para o conforto. O trabalho sobre a física do sol é muito importante para nossa formação, pois estudamos através deste uma forma de harmonizar as construções futuras ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas. Sabemos que a energia solar é uma fonte muito importante para o homem, pois ao construir um prédio como engenheiro civil, sabe-se que com o sistema de captação de raios solares para a geração de energia no prédio, como uma forma de energia alternativa, pode valorizar a construção como também cooperar com o meio ambiente. Essa visão não é só para o engenheiro civil, mais sim para todas as engenharias, pois o sol é importante para o planeta inteiro independente da área. Para que possamos ter uma plantação rica e bonita, devemos saber e intender um pouco sobre o sol, pois as plantas para dar os frutos necessitam de raios solares, e ao sabermos como funcionam os raios solares podemos controlar a plantação. Hoje em dia se pensa muito em energias renováveis. Esse conhecimento para o alunoviabiliza um pensamento diferenciado, no qual com os recursos naturais do sol podemos melhoras o mundo e ser um grande profissional. Um engenheiro ao montar um projeto, também tem que ter conhecimentos sobre onde o sol nasce, pois ao construir uma janela, precisa-se pensar no conforto da pessoa que habitará aquele apartamento ou até mesmo uma casa. A valorização do trabalho é ganho com pequenas atitudes que viabilizam a economia e valorização do meio, para uma empresa de grande porte, o profissional que tem uma visão na qual ajude a empresa crescer é importantíssimo. Ao aprendermos a física do sol, podemos tirar alguns proveitos na qual usamos a favor da empresa ou indústria em que trabalhamos. O aquecimento global é um fator no qual é muito estudado e valorizado nos tempos de hoje, no qual é importantíssimo para que possamos ter um futuro melhor. O sol também é responsável pelo clima terrestre. O Sol causa furacões, tornados e etc... Ao projetar um prédio, o engenheiro tem que calcular de acordo com as condições climáticas do local, pois para que o prédio não caia matando vidas que habitam este prédio, os engenheiros tem que estudar o clima local que é causado pelo sol. O aquecedor solar vem sido muito usado ultimamente em prédios de alto padrão, pois é uma fonte limpa. O trabalho acadêmico realizado sobre a física do sol foi de mera importância para nossa formação, pois os profissionais de hoje em dia dependem muito de conhecimentos como esse, pois hoje em dia temos que usar as fontes renováveis em nosso favor, pois nosso planeta esta em mudança e não sabemos o que estar por vir. Se evitarmos essa mudança antes que ela aconteça totalmente é melhor do que continuarmos errando com pequenas coisas. VI – Conclusão Percebemos com esse trabalho que o sol é importante para o nosso planeta, pois a energia radiada sobre a terra é responsável por varias formas de energias renováveis que favorecem o ser humano. A física do sol complementa um universo magnifico, cheio de transformações químicas sendo a mais principal e a que mantém nosso sol vivo a transformação do hidrogênio em hélio, no qual o hidrogênio sofre uma pressão tão alta que é comprimida e se transforma em hélio, gerando assim a energia nuclear que vem do sol. Também sabemos que o sol é essencial pra vida humana, animal, vegetal e marinha na terra, e que tem um campo magnético em atividade intensa. As famosas manchas solares são as áreas gélidas do sol, onde o plasma desloca-se na vertical e não horizontalmente para descer a essas áreas que são as manchas solares e com isso, a propagação de calor e a temperatura nesses pontos diminuem, formando as manchas solares, as quais, também tem parte no processo que manda para fora a energia solar. Nosso sol é uma verdadeira bomba em nosso sistema solar. Sabemos que ele ainda tem uma vida longa para frente e após isso sofrerá um grande colapso. Sua energia é muito importante pois é vista como uma energia de baixa potencia de poluição. Concluímos então que o sol é de extrema importância para nosso planeta e que se trata não somente de uma estrela, mas de uma estrela grandiosa, capaz de lançar partículas energizadas á milhares de quilômetros em nosso sistema solar, que tem capacidade para fornecer calor e luminosidade por um longo tempo além do mais, é a nossa fonte da vida na terra e que aquece durante todo o dia nosso planeta. Bibliografia http://www.fisicaequimica.net/astronomia/sol.htm http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/energia/o-sol-e-a-energia.php www.sofisica.com.br/conteudos/curiosidades/ceu_azul.ph www.fisicamoderna.blog.uol.com.br www.mundoeducacao.com.br www.brasilescola.com/fisica/o-combustivel-sol.ht www.inape.org.br/astronomia-astrofisica/sol http://pt.wikipedia.org/wiki/Sol
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