Física, 2001: novembro 2011

quarta-feira, 30 de novembro de 2011

Energia e Trabalho de uma força.

Não existe uma definição do que é energia, mas sabemos que a sua existência possibilita a execução de trabalho. A energia armazenada nos alimentos, por exemplo, faz com que os órgãos do corpo de uma pessoa funcionem corretamente. Os combustíveis fazem com que os veículos automotores se locomovam. Da mesma forma, a energia elétrica produzida pela bateria faz com que os elétrons dos fios condutores de energia se locomovam. Ao falar de energia é de extrema importância ressaltar o Princípio de Conservação da Energia. Princípio este que, segundo Lavoisier, diz: “Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.

Energia Cinética: é a energia que está relacionada ao movimento dos corpos.

Energia Potencial (gravitacional, elástica, elétrica, etc.): é a energia que um corpo possui em relação à posição particular que ele ocupa.

Na ausência de atrito, a energia mecânica total de um sistema se conserva, havendo apenas a transformação de energia potencial em energia cinética e vice-versa. Veja:

E_mec= E_c+ E_p

É de grande importância deixar bem claro que o trabalho e as formas de energia são grandezas escalares.

Trabalho de uma força

Trabalho é a medida da energia que é transferida para um corpo, em razão da aplicação de uma força ao longo de um deslocamento. Em Física, trabalho é normalmente representado por W(que vem do inglês work) ou mais usadamente a letra grega tau .

Para calcular o trabalho de uma força é importante ressaltar que ele pode ser:

Trabalho de uma força constante e paralela ao deslocamento: é calculado quando se tem a força sendo aplicada no mesmo sentido do deslocamento. Pode ser calculado da seguinte forma:

Como o ângulo entre a força e o deslocamente é zero faz com que o cosseno deste ângulo seja igual a 1, tornando a expressão equivalente à:

Onde D é o deslocamento sofrido pelo corpo.

Trabalho de uma força constante e não paralela ao deslocamento:

Quando temos a aplicação da força constante e não paralela, como no esquema acima, calculamos o trabalho da seguinte forma:

Onde ? é o ângulo formado entre a força e o deslocamento sofrido pelo corpo.

No SI (Sistema Internacional de Unidades) o trabalho é dado em joule, que é representado pela letra (J) e a força é dada em newton (N). Essa unidade é uma homenagem ao físico britânico James Prescott Joule. No sistema CGS, a unidade de trabalho é o erg= dina x centímetro.

Equipe: Thainá, Geraldo, Denner, Bruno, Arthur e Juliana.

Constante de Avogadro

Formalmente, a constante de Avogadro é definida como o número de átomos de carbono-12 em 12 gramas (0,012 kg) de carbono-12, o que é aproximadamente igual a 6,02 × 10²³. Historicamente, o carbono-12 foi escolhido como substância de referência porque sua massa atômica podia ser medida de maneira bastante precisa.

A constante de Avogadro, ou antigamente conhecida como número de Avogadro, é uma constante física fundamental que representa um mol de entidades elementares (entidades elementares significando átomos, moléculas, íons, eletrons, outras partículas, ou grupos específicos de tais partículas).

O valor da constante

A constante de Avogadro é reavaliada à medida que novos métodos, mais precisos e exatos, são desenvolvidos. Atualmente, a CODATA recomenda o valor para a constante de Avogadro como sendo:

$N_a = 6,022 \quad 141 \quad 29(27) \times 10^{23} \quad mol^{-1}$ (notação concisa)ou $N_a = (6,022 \quad 141 \quad 29 \pm 0,000 \quad 000 \quad 27) \quad \times 10^{23} \quad mol^{-1}$

Este é o melhor valor estimado para esta constante, conhecido também como valor verdadeiro convencional (de uma grandeza).

Exemplo de cálculo de massa

Vamos calcular, por exemplo, a massa de um átomo de alumínio em gramas. Consideraremos que o número de Avogadro é $N a$ = 6 × 10²³.

Primeiro temos que descobrir a massa molar do átomo de alumínio, que é numericamente igual à massa atômica do alumínio (27 u). Ou seja, $M_{Al} = 27 \,\mbox{g/mol}$ .

Sabendo isso, temos que 27 g de alumínio (Al) correspondem a 1 mol de átomos ou 6 × 10²³ átomos. Resta descobrir a massa m que corresponde a 1 átomo de alumínio .

Tendo isso em vista, concluímos, fazendo uma proporção simples, que $m = \frac{27 \,\mbox{g}}{6\cdot 10^{23}}$ ou $m = 4{,}5 \cdot 10^{-23} \,\mbox{g}$ . Esse resultado é a massa do átomo de alumínio em gramas.

Equipe: Thainá, Geraldo, Denner, Bruno, Arthur e Juliana.

quarta-feira, 23 de novembro de 2011

Física

A energia é algo com que convivemos constantemente. Para nos mantermos vivos, precisamos nos alimentar e, para isso, extrair a energia dos alimentos. Historicamente, o homem se encontra em uma busca constante por formas de energia. A queda das águas para gerar energia elétrica, a queima de combustíveis para a geração de movimento e mais um enorme número de exemplos.

Desses todos, é importante observar que em nenhum deles ocorreu criação de energia, mas sim a sua transformação. Um caso clássico que pode ser citado é o de uma usina hidrelétrica, onde ocorre a transformação da energia mecânica em energia elétrica.

Aqui vamos explicar as formas de energia que são estudadas na mecânica, como o trabalho e as energias cinética, potencial e mecânica.

Trabalho

Para se colocar algum objeto em movimento, é necessária a aplicação de uma força e, simultaneamente, uma transformação de energia. Quando há a aplicação de uma força e um deslocamento do ponto de aplicação dessa força, pode-se dizer que houve uma realização de trabalho.

Note que, para realizar-se um trabalho, existe a necessidade de um deslocamento. Caso algum objeto esteja sob a ação de uma força, mas em repouso, não haverá a realização de trabalho. As forças que atuam sobre uma pessoa parada segurando uma mala não realizam
trabalho pois não há deslocamento do ponto de aplicação dessas forças.

Considere um objeto que está submetido a uma força

e, devido a essa força, esse objeto sofre um deslocamento

, como se vê abaixo:

A força

pode ser dividida em dois componentes,

, como se mostra a seguir:

Observe que o componente de

que realiza o trabalho é

, pois é o que tem a mesma direção do deslocamento. O componente

não realiza trabalho, pois é perpendicular ao deslocamento e, por isso, não interfere diretamente no movimento.

O trabalho é definido como sendo o produto do componente

pelo deslocamento sofrido pelo objeto e como

, teremos a seguinte definição matemática para o trabalho:

No Sistema Internacional, a unidade de trabalho é o joule (J).

No exemplo citado, a força mostrada é causadora do movimento do objeto, mas existem casos em que a força é de oposição ao movimento, como por exemplo o atrito. Nessas situações o trabalho será negativo. Observe o quadro abaixo:

Uma força que merece uma atenção especial, ao realizar trabalho, é a força da gravidade. Considere um corpo que é abandonado de certa altura. Durante o movimento de queda temos um deslocamento para baixo e uma força, a gravidade, que também é direcionada para baixo. Sabemos que, se há uma força e um deslocamento do ponto de aplicação, haverá a realização de trabalho. Nesse caso o trabalho será determinado pelo produto da força da gravidade pela altura de queda do objeto:

É importante salientar que o trabalho da força da gravidade independe da trajetória descrita durante o movimento e por isso ela é classificada como força conservativa.

A força da gravidade também é conhecida como força peso que é constante quando se está próximo da superfície da Terra e é calculada com o produto da massa do objeto pela a aceleração da gravidade local.

Em uma descida, o trabalho da força da gravidade é positivo, pois ela está contribuindo com o movimento, mas, em uma subida, o trabalho da força da gravidade será negativo, pois agora ela é de oposição ao movimento.

é o vetor que indica deslocamento.

Energia Cinética

Considere um corpo inicialmente em repouso, como por exemplo, uma bicicleta. Para colocá-la em movimento será necessária a aplicação de uma força e, com isso, a realização de trabalho. Se essa força for paralela ao deslocamento, o trabalho será determinado pelo produto da força pelo deslocamento.

A força aplicada é determinada pela Segunda lei de Newton, ou seja:

Considerando que a força aplicada foi constante e que a bicicleta partiu do repouso, então a ela realizará um movimento uniformemente variado e o seu deslocamento e a sua velocidade serão determinadas da seguinte forma:

Substituindo as equações de força e deslocamento na definição de trabalho, teremos:

Lembre que v = a.t e então chegaremos à equação que determina o trabalho realizado pela força aplicada a essa bicicleta, para que ela atinja a velocidade v.

A expressão acima é definida como energia cinética, e expressa a capacidade de um corpo em movimento para realizar trabalho.

Energia potencial gravitacional

Estamos todos submetidos a uma força da gravidade e essa força é praticamente constante quando se está próximo à superfície do planeta. Agora, imagine-se segurando uma pedra a certa altura do solo. Para fazê-la entrar em movimento, basta largá-la e durante a queda haverá a realização de trabalho pela força gravitacional.

Observe que quanto maior for a altura inicial da pedra, tanto maior será o trabalho realizado pela força da gravidade, pois maior será o deslocamento realizado por ela. É importante perceber que a pedra entra em movimento espontâneo, ou seja, você não precisa forçar o movimento. Se isso ocorre, é porque na pedra existe uma energia armazenada que será utilizada na realização de trabalho. Essa energia é definida como energia potencial e, no caso descrito, isto é, em que a força da gravidade realiza trabalho, essa energia é definida como energia potencial gravitacional.

A energia potencial depende da posição do objeto. No caso da energia potencial gravitacional a posição é definida pela a altura em que o objeto se encontra de um nível horizontal definido como nível de referência.

Para determinar o valor da energia potencial gravitacional, basta sabermos o valor do trabalho realizado pela força peso, ou seja, a energia potencial gravitacional é numericamente igual ao trabalho da força peso.

Energia mecânica

Considere novamente um corpo em queda. Durante esse movimento, observamos que, ao longo do trabalho realizado pela força peso, ocorre um aumento da energia cinética, pois há um aumento de velocidade. O trabalho da força peso realizado durante esse movimento pode ser determinado pela variação da energia cinética, ou seja:

A expressão matemática anterior é conhecida como o Teorema da Energia Cinética.

Observe também, que durante a queda, a energia potencial do corpo diminui, pois se tomarmos como nível de referência o solo, a altura do corpo em relação ao mesmo, está diminuindo. Nesse caso, o trabalho realizado pela força peso pode ser determinado pelo decréscimo da energia potencial, isto é:

As duas equações mencionadas aqui são usadas para o mesmo fim, que é a determinação do trabalho da força peso, e por isso elas são iguais. Igualando a primeira equação com a segunda, teremos:

Isolando os termos de energia cinética dos termos de energia potencial, chegamos ao seguinte resultado:

A soma da energia cinética com a energia potencial é definida como energia mecânica, e a expressão anterior mostra a sua conservação durante qualquer movimento sob ação exclusiva de forças conservativas, como por exemplo, na mecânica, a força peso e a força elástica. Sistemas físicos que se encontram sob essa situação são definidos como sistemas conservativos.

Energia mecânica

Sistema conservativo

No nosso dia-a-dia, é muito difícil encontrarmos um sistema conservativo. Em uma queda real existe o atrito com o ar e isso fará com que a energia mecânica inicial seja diferente da energia mecânica final, e tal diferença ocorre porque o atrito provoca a dissipação em forma de calor. Essa energia dissipada tem o seu valor, em módulo, igual à diferença da energia mecânica inicial pela energia mecânica final.

Equipe:

Guilherme
André
Jadenilson
Wellerson
William
Arthur

Uma solução é sempre composta de duas coisas: uma que dissolve, que chamaremos de solvente, e outra que é dissolvida, que chamaremos de soluto. Assim, quando tomamos um susto e nossa avó prepara um copo de água com açúcar para que nos acalmemos, ela prepara uma solução onde a água é o solvente e o açúcar é o soluto. O que talvez ela não saiba é que água com açúcar não tem o mínimo efeito calmante...

Nosso "calmante da vovó" pode estar muito ou pouco doce. Quimicamente falando, o que está variando é a concentração. Quanto mais doce estiver, mais açúcar encontra-se dissolvido e mais concentrada a solução estará.

Concentração

A concentração é a relação entre a quantidade de soluto e o volume da solução. É bastante óbvio que se colocarmos uma colher de chá de açúcar em um copo com água o resultado será menos doce do que se colocarmos uma colher de sopa de açúcar no mesmo copo com água. A primeira solução é menos concentrada que a segunda, ou seja, possui menos massa de soluto do que a segunda, para o mesmo volume de solvente.

Solução, dispersão coloidal e suspensão

Solução é toda mistura homogênea de duas ou mais substâncias.

As partículas dispersas:

são moléculas ou íons comuns têm diâmetro menor que 1 nm (10dispersão coloidal : as partículas dispersas têm diâmetro entre 1 e 100 nm são agregados de moléculas ou de íons comuns, ou macromoléculas, ou macroíons isolados não se sedimentam sob a ação da gravidade, nem sob a ação dos centrifugadores comuns, mas sim sob a ação de ultracentrifugadores não são retidas por filtros comuns, mas o são por ultrafiltros não são detectadas ao microscópio comum, mas o são com o auxílio do microscópio eletrônico e do ultramicroscópio.

Na suspensão:

as partículas dispersas têm diâmetro maior que 100 nm são agregados de moléculas ou de íons sedimentam-se pela ação da gravidade ou dos centrifugadores comuns são retidas pelo filtro comum e são detectadas a olho nu ou com o auxílio de microscópios comuns.

Classificação das soluções

Quanto ao estado físico:

sólidas líquidas gasosas

Quanto à condutividade elétrica:

eletrolíticas ou iônicas não-eletrolíticas ou moleculares

Quanto à proporção soluto/solvente:

diluída concentrada não-saturada saturada supersaturada

Tipos de concentração

% em massa: _massade soluto_ massa de solução ´ 100

% em volume: _volume de soluto_ volume de solução ´ 100

(só é usada quando soluto e solvente são ambos líquidos ou ambos gasosos)

concentração em g/L: massa de soluto em gramas volume de solução em litros

concentração em mol/L: _quantidade de soluto (mol)_ volume de solução em litros

concentração em molalidade: _quantidade de soluto (mol)_ massa do solvente em kg

concentração em fração molar de soluto: _quantidade de soluto (mol)_ quantidade de solução (mol)

Bruna martins e Flávia Boechat

A energia é algo com que convivemos constantemente. Para nos mantermos vivos, precisamos nos alimentar e, para isso, extrair a energia dos alimentos. Historicamente, o homem se encontra em uma busca constante por formas de energia. A queda das águas para gerar energia elétrica, a queima de combustíveis para a geração de movimento e mais um enorme número de exemplos.

Desses todos, é importante observar que em nenhum deles ocorreu criação de energia, mas sim a sua transformação. Um caso clássico que pode ser citado é o de uma usina hidrelétrica, onde ocorre a transformação da energia mecânica em energia elétrica.