Química e Física dos Materiais I

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1 Química e Física dos Materiais I Tópicos de Física Grandezas e unidades físicas Ondas eletromagnéticas Estrutura da matéria Jorge Miguel Sampaio Endereço eletrónico: jmsampaio@fc.ul.pt Gabinete: C8.5.19

2 Precedências (matemática) Operações com números Operações com números reais: Inteiros, Racionais e irracionais (positivos e negativos) Operações com frações; Raiz de um número (quadrada, cúbica,...) Operações com potências (quadrado, cubo, ) Geometria Cálculo de áreas e perímetros de figuras geométricas; Cálculo de volume de sólidos geométricos. Trigonometria Teorema de Pitágoras; Círculo trigonométrico; Funções trigonométricas (sen(x), cos(x), tan(x), cot(x)); Equações 1º grau e regras de proporcionalidade; 2º grau (fórmula resolvente);

3 Precedências (física) Precedências (física) Movimento e forças Posição; Velocidade; Aceleração; Quantidade de movimento = momento linear; Noção de força; Trabalho de uma força; Leis de Newton; Energia cinética; Eletricidade e magnetismo Intensidade da corrente elétrica; Potencial elétrico; Resistência elétrica; Energia e potência elétrica; Estrutura atómica Modelo da nuvem atómica Configuração eletrónica Número atómico Número de massa e isótopos Tabela periódica

4 Grandezas e Unidades Físicas Newton ( ), William Blake Jorge Miguel Sampaio jmsampaio@fc.ul.pt

5 Teorias e experiências O objetivo da física é desenvolver teorias baseadas em experiências que permitam descrever propriedades mensuráveis dos sistemas físicos; Uma teoria física é um modelo matemático sobre o funcionamento do sistema físico; Uma boa teoria física deve fazer previsões sobre o comportamento do sistema físico em determinadas condições; As experiências/observações avaliam se as previsões estão corretas; Todas as teorias físicas são work in progress.

6 1. O que é uma grandeza física? É uma propriedade de um objeto ou substância que pode ser quantificada e medida; Uma grandeza física expressa-se pelo produto de um valor numérico e uma unidade de medida; Associada a uma grandeza física deve existir um instrumento ou conjunto de instrumentos de medida que a possam medir; As unidades de uma grandeza física expressam-se num determinado sistema de dimensões.

7 Exemplo Grandeza física Valor numerico Unidade Altura 1.4 m Largura 42 cm Profundidade 350 mm Dimensões: comprimento Hill house chair (1903), R. Mackintosh

8 Grandeza físicas e instrumentos de medida (exemplos) Grandeza física Instrumento de medida Comprimento Régua, fita-métrica, odómetro,... Massa Balança Tempo Cronómetro Temperatura Termómetro Corrente eléctrica Amperímetro Intensidade luminosa Fotómetro Pressão (atmosférica) Barómetro Húmidade (do ar) Higrómetro Etc... Etc..

9 Dimensões físicas fundamentais Definem-se 7 dimensões físicas fundamentais: Comprimento (L); Massa (M); Tempo (T); Temperatura (Θ); Corrente elétrica (I); Quantidade de matéria (N); Intensidade luminosa (J). Todas as outras dimensões físicas podem ser construídas a partir destas.

10 Dimensões físicas derivadas (exemplos) Área = LxL=L 2 ; Volume = LxLxL=L 3 ; Velocidade = L/T; Aceleração = v/t=l/t 2 ; Densidade (mássica) = M/Volume = M/L 3 ; Luminância (brilho) = J/Área = J/L 2 ; Carga elétrica = I x T; Energia = MxL 2 /T 2 ; Potência = Energia/T = ML 2 /T 3 ; Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = ML 2 /(IT 3 ); Etc...

11 Exercícios de revisão I Relacione as dimensões das seguintes grandezas físicas com as dimensões fundamentais, tendo em conta as equações físicas: Lei fundamental da dinâmica: F = ma (= massa x aceleração); Momento linear: p = mv (= massa x velocidade); Trabalho de uma força: W = Fd (= força x distância); Energia cinética de um corpo: E = mv 2 /2; Pressão sobre um corpo: P=F/S (força a dividir pela área); Resistência eléctrica: R =V/I (= tensão a dividir pela corrente); Entropia: S = Q/T (= energia transferida a dividir pela temperatura); Campo elétrico: E = V/d = F/q (= tensão a dividir pela distância = força a dividir pela carga).

12 Análise dimensional É um método que permite verificar se uma relação entre duas grandezas físicas é correta do ponto de vista dimensional. Consideremos a relação Y = ax + b onde Y = alhos e X = bugalhos Não se pode misturar alhos e bugalhos, logo: b = alhos a = alhos / bugalhos E se a relação fôr Y = a x 2 - b?

13 2. Sistemas de unidades físicas Quando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é necessário especificar a unidade em que ela foi medida. Quantos giraçois existem nesta versão de V. van Gogh? Respostas: 15; 1.25 (1 e ¼); 1.5 (1 e ½).

14 2. Sistemas de unidades físicas Quando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é necessário especificar a unidade em que ela foi medida. Quantos giraçois existem nesta versão de V. van Gogh? Respostas: 15 giraçóis; 1.25 dúzias de giraçóis; 1.5 dezenas de giraçóis

15 Sistema Internacional (S.I.) É forma moderna do sistema métrico e foi estabelecido em 1960 (é também conhecido por sistema MKS). As suas unidades fundamentais são: Comprimento: L = m (metro); Massa: M = kg (quilograma); Tempo: T = s (segundo); Temperatura: Θ = K (kelvin); Corrente eléctrica: I = A (ampère); Quantidade de matéria: N = mol (mole); Intensidade luminosa: J = Cd (candela).

16 O quilograma A história do sistema métrico está intimamente ligada à história da Revolução Francesa e da expansão do iluminismo na Europa. Na versão atual do S.I. todas as unidades fundamentais são definidas a partir de propriedades físicas conhecidas: velocidade da luz no vácuo, transições atómicas, temperatura de fusão da água, etc... O quilograma é única unidade cuja definição refere-se a um artefacto (objeto construído pelo homem) desde Quilograma padrão, BIPM (liga de platina (90%) e irídio (10%))

17 O kelvin O kelvin é a unidade do S.I. para a grandeza temperatura. A temperatura 0 K corresponde ao zero absoluto, isto é, à situação em que não existe qualquer tipo de energia térmica no meio material. Temperatura kelvin Graus centígrados Graus Farenheiht Símbolo K ºC ºF Zero absoluto Ponto de congelamento da água Ponto de ebulição da água

18 Unidades físicas derivadas no S.I. Área = 1 m x 1 m = m 2 (metro quadrado); Volume = 1 m x 1m x 1m = m 3 (metro cúbico); Velocidade = 1m / 1 s = m/s (metro por segundo); Aceleração = (1 m/s)/1 s= m/s 2 (metro por segundo quadrado); Densidade (mássica) = 1 kg/1 m 3 = kg/m 3 (quilograma por metro cúbico); Luminância (brilho) = 1 Cd/1 m 2 = Cd/m 2 (candela por metro quadrado); Carga elétrica = 1 A x 1 s = C (coulomb); Energia = 1 kg m 2 /s 2 = J (joule) Potência = 1 kg m 2 /s 3 = 1 J/s = W (watt) Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = 1 J/C = V (volt); Etc...

19 Exercícios de revisão II Escreva no S.I. as unidades das seguintes grandezas físicas; Força (F=ma); Momento linear (p=mv); Trabalho de uma força (W=Fd); Energia cinética de um corpo (E=mv 2 /2); Pressão sobre um corpo (P=F/S); Resistência elétrica (R=V/I); Entropia (S=Q/T); Campo elétrico (E=V/d=F/q).

20 Unidades derivadas do S.I. com nome especial Grandeza física Nome da unidade Símbolo Relação c/ unidades S.I. Força newton N kg m/s 2 Energias, trabalho, calor joule J kg m 2 /s 2 = CV = W s Potência watt W kg m 2 /s 3 = VA = J/s Carga eléctrica coulomb C As Potencial eléctrico volt V kg m 2 /(As 3 ) = J/C = W/A Pressão pascal Pa kg /(ms 2 ) = N/m Resistência eléctrica ohm Ω kg m 2 /(A 2 s 3 ) = V/A Frequência hertz Hz 1/s = s -1

21 Sistema cgs É um sistema cujo uso tem vindo a diminuir e baseia-se nas seguintes unidades básicas (mecânica): Comprimento: L = cm (centímetro); Massa: M=g (grama); Tempo: T = s (segundo). Exemplos de unidades derivadas são: Força: 1 dyne = 1 g cm/s 2 Energia: 1 erg = 1 g cm 2 /s 2

22 3. Conversão entre unidades Grandeza física Força Energia Conversão SI para cgs 1 N = dyne = 10 5 dyne 1 J = erg = 10 7 erg Número Potência de 10 Prefixo Símbolo pico p nano n micro μ mili m quilo k mega M giga G tera T

23 Exercícios de revisão III Escreva usando potências de 10 os valores seguintes em unidades SI: l=1.23 pm (picómetros) m=34765 g (gramas); 1 hp (cavalos)=0.746 kw (kilowatts); 1 atm (atmosfera) = Pa (pascal); 1 bar (bar)= 0.1 MPa (megapascal); R = 0.1 mω (miliohms); I=1.2 μa (microampères); c (velocidade da luz no vácuo) = km/s f=89.5 MHz (megahertz)

24 Potências de 10 Powers of ten, Charles and Ray Eames (1977)