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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