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 Química e Física dos Materiais I Avaliação Exame (média superior a 10, nota mínima de 8 em cada módulo) Bónus de 0.5 em cada módulo: Assiduidade; Participação na resolução de exercícios; Participação na atividade experimental/elaboração de relatório.

3 Precedências de matemática (nível 9º ano) 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; Funções trigonométricas (seno, co-seno, tangente, co-tangente); Equações 1º grau e regras de proporcionalidade; 2º grau (fórmula resolvente);

4 Precedências de física (físico-química 9º ano) Movimento e forças Velocidade; Aceleração; Quantidade de movimento = momento linear; Noção de força e seus efeitos nos corpos; Lei fundamental da dinâmica (F=ma); Noção de pressão; Momento linear = quantidade de movimento; Princípio de conservação do momento linear; Energia cinética; Princípio de conservação da energia. Átomos Constituição dos átomos; Dimensão dos átomos; Número atómico e número de massa Isótopos;

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

6 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.

7 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.

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

9 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..

10 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.

11 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 ; Etc...

12 Exercícios de revisão 1.1 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).

13 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] = batatas e [X] = cebolas Não se pode misturar batatas e cebolas, logo: [b] = batatas [a] = batatas a dividir por cebolas E se a relação fôr Y = a x 2 - b?

14 Exercícios de revisão 1.2 O período de oscilação, T, de um pêndulo é dado por: T=2 π L g onde L é o comprimento do fio. Determine as dimensões da constante g. A força, F, necessária para distender uma mola de um comprimento x relativamente ao seu estado de repouso é dada por: Determine as dimensões da contante k. F s = kx

15 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).

16 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

17 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).

18 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%))

19 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

20 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...

21 Exercícios de revisão 1.3 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).

22 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

23 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

24 3. Notação científica e potências de 10 Em ciência é por vezes necessário escrever números muito grandes ou muito pequenos: Massa da Terra: kg; Massa de um átomo de hidrogénio: kg; Distância da Terra ao Sol: m Velocidade da luz no vácuo: m/s Idade do Universo: s

25 Potências de =1 Expoente positivo: 10 1 =10; 10 2 =10x10= =10x10x10= =10x10x10x10= Exemplo: 5x10 3 = 5x1000=5 000 A expoente diz quantas posições devo mudar o decimal para a direita. Expoente negativo: 10-1 =1/10= =1/100= =1/1000= =1/10 000= Exemplo: 1.2x10-4 = 1.2x0.0001= A expoente diz quantas posições devo mudar o decimal para a esquerda.

26 Exercícios de revisão 1.4 Escreva usando potências de 10 os números seguintes (a=?) 1345 = a x = x 10 a = 9.7 x x 10 a a = x = x 10 a ; a = x 10-4

27 Notação científica Assim podemos escrever grandezas físicas em notação científica Massa da Terra: x kg; Massa de um átomo de hidrogénio: x10-27 kg; Distância da Terra ao Sol: x m Velocidade da luz no vácuo: x 10 8 m/s Idade do Universo: x s

28 Notação científica A maioria das calculadoras e vários programas de computador usam para a potência de 10 a notação E Massa da Terra: E+24 kg; Massa de um átomo de hidrogénio: E-27 kg; Distância da Terra ao Sol: E+11 m Velocidade da luz no vácuo: E+28 m/s Idade do Universo: E+15 s

29 Número Notação científica Potência de 10 Prefixo Símbolo pico p nano n micro μ mili m quilo k mega M giga G tera T Distância da Terra ao Sol: x10 11 m = x 10 8 x 10 3 m = x 10 8 km Velocidade da luz no vácuo: x 10 8 m/s = x 10 5 km/s = km/s

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

31 4. Conversão entre unidades Grandeza física Conversão SI para cgs Comprimento 1 m = 100 cm Área 1 m 2 = cm 2 = 1 x 10 4 cm 2 Volume 1 m 3 = cm 3 = 1 x 10 6 cm 3 Massa 1 kg = 1000 g Densidade 1 kg/m 3 = g/cm 3 Tempo 1 s = 1 s Força 1 N = dyne = 10 5 dyne Energia 1 J = erg = 10 7 erg

32 Conversões para outras unidades comuns Grandeza física Comprimento Área Volume Massa Tempo Energia Potência Pressão Conversão SI para cgs 1 m = polegadas (inch) = pés (feet) 1 m 2 = 1 x 10-4 ha (hectares) = 2.471x10-4 (acre) 1 m 3 = 1000 litros = Imperial pint 1 kg = libras (pound) = = onças (ounce) 1 s = 1/60 minutos = 1/3600 hora 1 J = x 10-4 btu = x 10-7 CV.hora 1 W = x 10-3 CV (cavalo-vapor) 1 Pa = 0.01 mbar (mili-bar) = x10-4 psi

33 Exercícios de revisão 1.5 Indique qual a dimensão e converta para o S.I. os valores das grandezas físicas nas afirmações seguintes: O avião viaja a pés de altitude; Comprei um terreno com 230 hectares; Esta noite bebi 5 pints de cerveja; A idade do Universo é de x10 9 anos; Este mês consumi 1046 kwh (quilowatt-hora) de eletricidade; O carro tem uma potência de 150 CV; A pressão dos pneus é da bicicleta é de 110 psi.