Material de apoio de física /8ª classe

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1 República de Angola Ministério da educação Material de apoio de física /8ª classe ELABORADO PELO PROF. AmbrósioMuanzaTeca Luanda, Fevereiro de 2011

2 NOÇÃO DE ENERGIA O conceito de energia é muito importante na Física. Embora seja difícil definir energia, usamos frequentemente esta palavra na nossa vida diária. Ex. Chamamse homens energéticos aos homens que podem realizar um determinado trabalho, porque uma grande energia. -Durante a fotossíntese, as plantas verdes produzem energia química a partir da energia solar; -Automóveis que se movimentam a partir da energia química armazenada nos combustíveis; -Uma panela com água a aquecer recebe energia térmica ou calorífica do fogão; -Uma central hidroeléctrica produz energia eléctrica a partir da energia associada à queda de água armazenada na albufeira. Nos exemplos estudados, a fotossíntese das plantas verdes, os automóveis que se movimentam, a panela com água a aquecer e a central hidroeléctrica possuem energia. Em Física, considera-se energia a propriedade ou atributo de um sistema que se pode transferir para outro. Em Física, designa-se por Sistema a parte do universo, que é o objecto do nosso estudo. Os sistemas podem ser: -Abertos: aqueles nos quais ocorrerem a troca de energia e de matéria com o exterior. -Fechados: onde ocorrem apenas trocas de energia com o exterior. -Isolados: nestes não ocorrem trocas de energia nem de matéria com o exterior. Quanto mais energia possuir um corpo, maior é o trabalho que se realiza sobre outro. Quando um corpo realiza um trabalho, a sua energia varia. Ocorre uma transformação de energia, quando num mesmo sistema há conversão de uma energia noutra. Ocorre uma transferência de energia, quando a energia passa de um sistema para outro. Os sistemas nos quais a energia é transferida chamam-se receptores de energia. E os sistemas de onde provém a energia designam-se por fontes de energia. As fontes de energia podem ser classificadas em: - 1 -

3 Fontes primárias: aquelas que ocorrem livremente na Natureza. Ex.: A água, o carvão, o urânio, o plutónio, o sol, o vento e o petróleo bruto. Fontes secundárias: são aquelas obtidas a partir de outras. Ex.: O gás butano, a electricidade, a gasolina, o gasóleo, etc. As fontes primárias de energia classificam-se em: Fontes de energia renováveis: aquelas que se encontram em constante renovação e podem ser utilizadas frequentemente. Ex.: O Sol, a água e o vento. Fontes de energia não renováveis: são aquelas que demoram centenas de milhares de anos para se renovarem. Ex.: O petróleo, o gás natural, o carvão, o urânio e o plutónio. Cadeia energética: é uma sequência de transferência de energia entre os receptores intermédios, desde a fonte primária de energia até ao consumidor final. 1.1 Energia potencial (Ep) É frequente falar-se em energia eléctrica, energia elástica, energia eólica, energia térmica, etc, o que nos indica que há muitas espécies ou formas de energia. Na realidade, todas as formas de englobam-se em duas categorias: a Energia potencial (Ep) e a Energia cinética (Ec). Para o corpo que é levantado em relação à Terra até uma certa altura, a energia potencial a essa altura medir-se-á pelo trabalho realizado durante a queda do corpo para a Terra (Ep gravítica). A energia potencial gravítica que um corpo possui depende da altura a que se encontra e da sua massa. A água dos rios elevada pelas represas possui uma grande energia potencial. A água, ao cair, realiza um trabalho, pondo em movimento as potentes turbinas das centrais eléctricas _ Ep gravítica. A sua expressão matemática é: Ep m.g.h m= massa; h= altura g=resistência gravitacional g= 9,8N/Kg ou g= 9,8 m/s² Distendendo ou comprimindo uma mola realiza-se um trabalho de que resulta a aquisição de energia potencial, porque pode realizar um trabalho quando a mola volta à sua posição inicial Ep elástica

4 A energia das molas, comprimidas ou enroladas, emprega-se para pôr em movimento vários brinquedos, portas de casas e máquinas para o seu funcionamento. Qualquer corpo elástico possui energia potencial elástica. A energia potencial do gás comprimido emprega-se no funcionamento dos motores térmicos, nas brocas que se empregam na indústria mineira, na construção de estradas e na escavação do solo duro Ep química. Quanto mais comprimido estiver o gás, maior energia potencial possuirá e realizará maior trabalho ao expandir-se o gás. A energia potencial manifesta-se em determinadas condições: uma carga levantada ou uma mola enrolada só podem pôr em movimento o mecanismo de um relógio quando a carga cai ou a mola se desenrola. Energia potencial: é a energia armazenada em condições de poder vir a ser utilizada. 1.2 Energia cinética (Ec) A água move-se e faz girar as turbinas das centrais hidroeléctricas, realizando um trabalho devido à energia cinética que possui, a qual se perde no trabalho realizado. O ar em movimento também possui energia cinética, é por isso que pode fazer girar os moinhos de vento. A energia cinética de um corpo em repouso, em relação à Terra ou a outro corpo, considera-se convencionalmente igual a zero. Quanto maior a massa do corpo e a velocidade com que se move, maior será a sua energia cinética. Todos os corpos na Natureza possuem energia cinética ou potencial, em relação ao valor zero convencional, mas com maior frequência aparecem simultaneamente as duas num só corpo. Ex.: Um avião em voo, possui, em relação à Terra, energia cinética e potencial. A expressão matemática para calcular a energia cinética é a seguinte: Ec 1 2.m.v² m = massa v = velocidade Energia cinética: é a energia que um corpo possui como consequência do seu movimento

5 1.3 Transformação de um ponto de energia mecânica noutro tipo de energia Podemos observar constantemente na Natureza, na técnica e na vida diária, transformações de um tipo de energia mecânica noutro tipo, por exemplo de energia potencial para energia cinética ou vice-versa. A transformação de um tipo de energia noutro tem lugar quando quaisquer dois corpos elásticos colidem; ex. uma borracha colide contra o chão ou uma bola de aço colide contra uma prancha de aço. Se levantarmos uma bola de aço e a soltarmos em seguida, a bola cairá. À medida que cai, a sua energia potencial gravítica diminui e a sua energia cinética aumenta, porque aumenta a velocidade do movimento da bola. A bola ao chocar com a prancha comprime-se tanto como a prancha e a energia cinética que a bola possui transforma-se em energia potencial da prancha e da bola comprimidas. Depois, devido à acção das forças elásticas da bola e da prancha, estas recuperam a forma inicial; a bola salta sobre a prancha e a energia potencial de ambas transforma-se de novo em energia cinética da bola. Ela salta para cima, com a mesma velocidade que tinha quando chocou com a prancha. Ao subir, a velocidade da bola diminui, assim como a sua energia cinética, enquanto que a energia potencial aumenta. Quando a bola atingir a sua altura máxima toda energia cinética converte-se em energia potencial. Quando atinge a sua altura mínima, ou seja, chega ao chão toda a energia potencial converte-se em energia cinética. Qualquer fenómeno da Natureza *tem sempre lugar com a transformação de uma forma de energia noutra. A unidade de energia é Joule (J). em honra ao cientista inglês Joule

6 1.4 Lei da conservação da energia mecânica Na realidade, a bola não mantém eternamente o seu movimento. A bola acaba por parar. Isto é devido a não se conservar a energia característica do movimento mecânico, ou seja, a existirem iterações que dissipam a energia e que não tivemos em conta. De acordo com a ligação dos fenómenos, na Natureza existirão sempre interacções que dissipam a energia mecânica, transformando-a noutro tipo de energia. Assim, por exemplo a força de fricção entre a bola e o chão e a força de resistência do ar provocam este tipo de transformação. De modo geral, apresenta-se uma das leis mais importantes no estudo da mecânica: "a lei da conservação da energia mecânica ". Esta lei, estabelece que em todos os fenómenos ou processos mecânicos, em sistema isolado, a energias mecânica total se conserva sempre que as interacções provoquem efeitos insignificantes (mantém-se sempre constante). A energia característica do movimento mecânico, a energia mecânica total, conserva-se e apenas transforma-se de uma forma de energia para outra forma (de potencial à cinética e vice-versa). A sua fórmula é: Em Ep + Ec Em= energia mecânica 1.5 Utilização da energia da água e do ar Há muitos milhares de anos o homem utiliza a energia da água em movimento para usos diferentes. Os recursos da energia hidráulica da Terra são enormes. O gigantesco movimento cíclico da água está relacionado com as radiações solares. A água dos lagos, mares e oceanos evapora-se, sobe para atmosfera e forma as nuvens, caindo posteriormente, sob a forma de chuva ou de neve, na superfície terrestre, nos oceanos, nos rios e mares, de onde de novo se evapora. Há muito tempo que a humanidade conhece os recursos hidroenergéticos que a Terra possui para o desenvolvimento da indústria, chegando a chamar-se hulha branca

7 No nosso país existem importantes centrais de onde se retiram grandes recursos energéticos. Ex.: Barragem de Cambambe (Kwanza-Norte), do Gave (Huambo), etc. 1.6 Motores hidráulicos Todos os corpos elevados até determinada altura possuem, em relação à Terra, energia potencial gravítica. Na Natureza não é muito frequente que a água caia espontaneamente em grandes quantidades, de alturas consideráveis. No entanto, podem utilizar-se os rios, cujos possuam alguma inclinação. Nestes casos, para se obter a altura necessária para o trabalho eleva-se o nível da água do rio de um modo artificial com ajuda de represas. Quando se interrompe um rio com represa, o nível da água do rio, na parte de frente da represa eleva-se. Os motores hidráulicos podem realizar trabalho mecânico, utilizando a energia da água elevada. Um dos mais simples e antigo é o moinho da água. Actualmente o moinho da água constrói-se com menos frequência. Usa-se mais as turbinas, que são as realizações mais completas das máquinas hidráulicas, em que a água proporciona a energia à roda, comunicando movimentos às aspas da turbina. 1.7 Aeroturbinas As aeroturbinas são aparelhos que utilizam a energia do ar em movimento, designada por energia eólica. O vento é uma fonte primária de energia renovável, muito antiga, mas esta fonte é muito inconstante, por isso, a sua utilização é limitada. A massa de ar em movimento exerce uma pressão sobre as pás inclinadas das aeroturbinas e transmiti-lhes o seu movimento. O movimento de rotação das pás, com ajuda de um sistema de transmissão, permite realizar trabalho. Quanto maiores as pás e mais rápido o vento, mais energia eólica é gerada. As aeroturbinas utilizam-se para tirar água dos poços nas casas de campos, cooperativas agrícolas, etc

8 1.8 Trabalho como medida de energia transferida entre sistema O trabalho e a energia tem um papel importante na vida do homem. Estas duas grandezas estão estreitamente ligadas entre si.estas palavras utilizam-se muito na vida diária, num setido mais amplo do que o que se aplica nas ciências.quanto mais energia possuir um corpo, maior é otrabalho que se pode realizar sobre outro. Quando um corpo realiza trabalho a sua energia varia. Por exemplo para que as nossas fábricas possam funcionar diversas máquinasferramentas, devem ser postas em movimento por motores eléctricos que,por sua vez,consomem energia eléctrica. Os automóveis e os aviões funcionam com energia que resullta da combustão da gasolina.nós próprios devemos recuperar as nossas reservas de energias para podermos viver e trabalhar. Por exemplo chamamos de trabalho a vários tipos de actividades humanas, entre as quais a actividade intelectual, çedimos a intensidade do trabalho não só pelos seus resultados mas também pelo tempo e muitas vezes pelo grau de cansaço que esse trabalho produz no nosso organismo. E tendo enconta o deslocamento. Como devemos caracterizar o trabalho Se exercermos uma força, moveremos um carro,levantarmos uma carga ou deslocarmos os extremos de uma mola esticada, dizemos que realizamos trabalho.mas quando empurramos um armário com uma determinada força e não conseguimos logo não realizamos trabalho logo: Independentemente da aplicação de uma força, se não existir deslocamento do corpo em relação a outros corpos ou deslocamento relativo das suas partes, dizemos que não se realizou trabalho. Um sistema só realiza trabalho quando se altera a sua energia, transferindo-se ou transformando-se. O significado do trabalho está associado ao da energia