Físico-Química - 6º Teste (10º Ano)
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Físico -‐ Química 10ºAno
Física
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Tópicos abordados:-‐Sol e aquecimento
-‐ Capacidade térmica mássica e variação da entalpia;-‐ Segunda lei da termodinâmica;
-‐ Energia e Movimentos-‐ Transferências e transformações de energia
-‐ Revisão: Opos de energia, sistema mecânico e centro de massa;-‐ Trabalho realizado por forças constantes:
-‐ Trabalho potente, nulo e resistente;-‐ Potência de uma força e rendimento mecânico;-‐ Movimentos em planos inclinados;
-‐ Energia e sistemas com movimento de translação-‐ Lei do Trabalho-‐Energia (ou teorema da Energia CinéOca);-‐ Trabalho do peso e variação da energia potencial gravíOca;-‐ O peso como força conservaOva;-‐ Forças conservaOvas e conservação da energia mecânica;-‐ Forças não conservaOvas e variação da energia mecânica;
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Sol e aquecimento
Cada material comporta-‐se de forma diferente quando aquecido, e cada material necessita de uma certa quanOdade de energia para que a sua temperatura suba um grau. Existem dois conceitos fundamentais nesta área:
-‐ Capacidade térmica mássica: que é a energia que é necessário fornecer a um material para que a temperatura de 1Kg desse material suba 1K ou 1ºC; esta exprime-‐se em J/(Kg.K);
-‐ Variação da entalpia: é a energia que é necessária fornecer para que 1Kg de uma determinada substância á temperatura de fusão ou de ebulição, funda ou vaporize; esta exprime-‐se em J/Kg
Assim para calcular a energia necessária para que um 1Kg de uma determinada substância funda ou vaporize basta mulOplicar pela massa, como em:
E = mΔℍ
Em que:-‐m -‐ é a massa;-‐ Δℍ é a variação da entalpia caracterísOca de cada material;-‐ E -‐ energia.
Segunda Lei da Termodinâmica
A segunda lei da termodinâmica pode ser enunciada da seguinte forma:
Um corpo frio em contacto com um corpo quente não pode arrefecer (perder energia).
Ou então é ainda equivalente a:
A entropia de um sistema isolado não pode diminuir.
Mas o que é isto de entropia? Bem, entropia é uma medida da desordem da organização das paraculas, ou seja, dizer que “a entropia não pode diminuir” significa dizer que um sistema isolado não pode ficar mais organizado, apenas pode tender mais para a desordem (a nível das paraculas). Vejamos o seguinte exemplo.
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4 partículas 0 partículas 4 partículas
Situação 1 Situação 2
No caso acima as paraculas começaram por estar comparOmentadas em dois comparOmentos, mas o 2º comparOmento não Onha paraculas. Ao reOrar a divisória, as 4 paraculas espalharam-‐se pelos dois comparOmentos, sendo isto irreversível. A maioria dos processos da natureza também são irreversíveis, mas por exemplo o contrair e distender uma mola é um bom exemplo de um processo reversível: ela volta à posição original. Voltando à 2ª lei, o universo é um sistema isolado não é? Então a 2ª Lei pode ser formulada da seguinte forma:
A entropia do universo não pode diminuir.
Para concluir podemos dizer que se há uma diminuição da entropia, a energia úOl é menor, porque à mais energia dissipada. Ora se a energia úOl é menor isso significa que o rendimento vai ser cada vez menor, por isso o rendimento nunca é igual a 100%.
Energia e Movimentos
Como podemos disOnguir transferência de transformação de energia? Fácil, transferência ocorre entre dois sistemas diferentes enquanto que transformação ocorre dentro do mesmo sistema. Para movimentar, por exemplo, um móvel, nós temos de transferir energia para este, enquanto que se esOvermos a falar da variação da energia cinéOca e potencial num sistema isolado estamos a falar apenas de transformações de energia, porque num sistema isolado a energia cinéOca provêm da transformação da energia cinéOca, daí que não haja variação da energia interna como vais perceber mais à frente. Mas o que é isso de energia cinéOca e potencial? Como já sabes a energia cinéOca e potencial são as duas formas fundamentais de energia, a primeira ligada ao movimento e a segunda ligada a interacção entre paraculas. Vamos rever mais alguns conceitos como:
-‐ Centro de massa -‐ paracula fundamental do sistema onde, esquemaOcamente, se reúne toda a massa do mesmo para que seja mais fácil estudá-‐lo.
-‐ Sistema mecânico -‐ sistema que apenas estuda o movimento sem atender ás variações da sua energia interna.
Trabalho realizado por forças constantes
Para realizar trabalho é necessário que uma força desloque o seu ponto de aplicação. Olha atentamente para o esquema abaixo:
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Como viste no esquema existem duas forças a actuar num corpo parado e poisado em cima de uma superncie:
-‐ Força GravíFca -‐ que representa a atracção Corpo-‐Terra (expressa por: m.g em que g é normalmente 9,8 m/s e m é a massa);
-‐ Reacção Normal -‐ que é a reacção que a superncie faz sob o corpo para que este não se “afunde”; perpendicular ao deslocamento.
O trabalho de uma qualquer força pode ser representado pela fórmula:
W = F.d.cos(α)
Em que:-‐ F -‐ é a força exercída;-‐ d -‐ é o deslocamento que o corpo sofre;-‐ cos(α) -‐ corresponde ao ângulo que a força faz com o deslocamento.
Observa a figura seguinte.
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.
Fg
R
Nesta figura podemos observar algo muito importante que é a força eficaz. A força eficaz é a parte da força que é uOlizada para movimentar o corpo, normalmente representada por Fe ou por Fx porque corresponde à projecção da força sobre o deslocamento. Assim apenas se a força for na mesma direcção e senOdo que o deslocamento é que esta corresponde à força eficaz. No entanto na figura também podemos ver uma outra força que deve ser realçada, que é a força do atrito. Para melhor podermos analisar a força do atrito, devemos primeiro disOnguir vários Opos de trabalho:
-‐ Potente -‐ na mesma direcção do deslocamento ou num ângulo inferior a 90º com o deslocamento;
-‐ Nula -‐ realiza um ângulo de 90º com o deslocamento;-‐ Resistente -‐ realiza um ângulo de mais de 90º com o deslocamento;
Assim a força do atrito realiza sempre trabalho resistente, visto que o ângulo com o descolamento é sempre de 180º.
Potência de uma força e rendimento mecânico
Tal como vimos no capítulo anterior também podemos calcular a potência e o rendimento de uma força, através das expressões:
Movimentos em planos inclinados
Como calcular o trabalho do peso no exemplo da figura anterior? Fácil, vamos ver a fórmula:
W = F.d.cos(α)Daí temos que:
W = (m.g).d.cos(α)
Sabemos ainda que num triângulo rectângulo a seguinte fórmula aplica-‐se: cos(α) = h/d
Então temos que:
W = (m.g).d.(h/d) <=> W = m.g.h Ou seja a fórmula do cálculo do trabalho peso é mgh tal como provavelmente já sabias.
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dh
α
Podemos concluir então que o trabalho do peso não varia com o deslocamento, apenas com a diferença de nível (h).
Quando o ângulo da inclinação é dado em percentagem (x%) isto significa que por cada 100 m, a altura sobe x.
Mas como calcular a velocidade de um corpo? Vamos imaginar a seguinte situação.
Um homem de 60Kg vai a subir uma rua de 7m que tem uma inclinação de 30º. A força que o homem está a fazer é de 20N e o atrito é desprezável. Quando iniciou a subida a sua velocidade era de 4,5 m/s. Qual a sua velocidade no final?
Vamos calcular o trabalho da força que o homem faz para subir a rua.
W = F.d.cos(a) W = 20.7.cos(0) W = 140J
Podemos então associar esta força à variação da energia cinéFca, porque ele para andar necessitou de energia cinéOca.
ΔEc = 140J
Vejamos então o teorema da energia cinéOca:
ΔEc = Ecf -‐ EciΔEc = (m.vf2)/2 -‐ (m.vi2)/2
O que subsOtuindo vai dar:
140J = (60.vf2)/2 -‐ (60.20,25)/2 (747.2)/60 = vf2
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O trabalho do peso é igual.
vf2 = 25 vf = 5 m/s
R.: A velocidade final do homem era de 5 m/s.
Resumindo e concluindo, o que o teorema da energia cinéOca ou do trabalho-‐energia diz é que:
Wf = ΔEc
Trabalho do peso e variação da energia potencial gravíOca
A variação da energia potencial gravíOca é o simétrico do trabalho do peso:ΔEp = -‐ Wp
Assim podemos concluir que:ΔEp = -‐ mgh
Ou seja, a variação da energia potencial gravíOca corresponde a 0 -‐ mgh o que dá o simétrico do valor.
O peso como força conservaOva
Já alguma vez experimentaste aOrar uma bola ao chão e ver se ela conOnua indefinidamente a chegar à tua mão? Se não ainda bem, é uma perda de tempo porque esta nunca vai chegar indefinidamente à tua mão porque não estamos na presença de nenhum sistema isolado, logo há dissipação de energia. Mas vamos considerar agora um sistema isolado onde alguém aOraria uma bola de uma posição alta A para uma posição mais baixa B. O que aconteceria à bola? Bem, esta iria conOnuar a salOtar para sempre entre A e B chegando a ambos os pontos porque não há perdas de energia e a única força que actuaria seria o peso. Ora o peso é uma força conservaFva, ou seja, realiza trabalho nulo ao longo de um circuito fechado como seria o caso deste sistema isolado. Assim, durante a descida o peso seria uma força potente e durante a descida resistente, mas a resultante da soma seria sempre 0. Obviamente que isto era apenas uma experiência porque seria impossível verificar isto devido à falta de sistemas totalmente isolados.
Forças conservaOvas e conservação de energia mecânica
Podemos disOnguir dois Opos de sistemas mecânicos:-‐ ConservaFvos -‐ ΔEm = 0;
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-‐ Não conservaFvos -‐ ΔEm ≠ 0;
Temos ainda que a Em = Ec + Ep, ou seja, ΔEm = ΔEp + ΔEc. Assim, podemos concluir que num sistema mecânico conservaOvo, a única hipótese é que se houver variação da energia cinéOca, a variação da energia potencial também tem que exisOr e tem que ser o inverso para que a soma seja igual a 0.
ΔEm = 00 = ΔEp + ΔEc
ΔEp = -‐ΔEc ΔEc = -‐ΔEp
Exemplo: Bola que sobe -‐ energia cinéQca transforma-‐se em energia potencial -‐ ΔEc = -‐3J; ΔEp = 3J; ΔEm = 0J.
Forças não conservaOvas e variação da energia mecânica
Como já sabes:Wfnc = ΔEm
Daqui podemos concluir directamente que:Wfnc = Emf -‐ Emi
Ou seja, podemos concluir que o trabalho das forças não conservaOvas é igual à energia mecânica inicial -‐ energia mecânica final (variação da energia mecânica). Forças não conservaOvas são por exemplo o atrito.
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