Conservação da energia

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1 Sumário Das Fontes de Energia ao Utilizador Lei da. Transferências de energia: trabalho, calor e radiação. Como se mede a taxa de transferência de energia a potência. APSA I.1; APSA I.2 e Aplicações Sistema, fronteira e vizinhança A energia pode fluir dum sistema para outro, transferindo-se. Daí que seja necessário definir o que é um sistema em física. Então o que é um sistema físico? Um sistema físico é uma porção do Universo que escolhemos para analisar e estudar. Um sistema físico é limitado por uma fronteira real ou imaginária que deve ser bem definida. É a fronteira que identifica o corpo em relação à sua vizinhança. 1

2 Sistema, fronteira e vizinhança Exemplos de sistemas físicos: Exemplo 1 Exemplo 2 Sistema Fronteira Exterior ou Vizinhança Tipos de sistemas Um sistema apresenta sempre uma fronteira através da qual poderá trocar energia com a vizinhança. Consoante a existência ou não de trocas de energia entre um determinado sistema e as suas vizinhanças podemos classificá-lo em: isolado, aberto ou fechado. 2

3 Recapitulando os diversos tipos de sistemas Sistema Aberto - Ocorre a troca de matéria e de energia com o meio envolvente. Sistema Fechado - Ocorre a troca de energia mas não ocorre a troca de matéria entre si e o meio envolvente. Sistema Isolado - Não ocorre a troca de energia nem de matéria com o meio envolvente. Os sistemas isolados Na prática, é difícil construir um sistema completamente isolado. Quando há transferências de energia entre um sistema e a sua vizinhança, a energia total do sistema + vizinhança (Universo) é sempre a mesma. Se um sistema for isolado, a sua energia permanece inalterada. Isto traduz a Lei da conservação da energia. Lei da : a energia de um sistema isolado mantém-se constante. 3

4 Fonte, recetor e transferência de energia O sistema em estudo é a água a ser aquecida: - Fonte de energia álcool em combustão - Recetor de energia água As fontes de energia fornecem energia aos recetores de energia. Fonte, recetor e transferência de energia Sempre que a energia passa de um sistema para outro diz-se que ocorre uma transferência de energia: Fonte Receptor Aqui a energia passou do álcool em combustão para a água. 4

5 Fonte, recetor e transferência de energia - Fonte de energia pilha - Recetor de energia lâmpada Quais são os tipos fundamentais de energia? As diferentes designações atribuídas à energia correspondem apenas a dois tipos fundamentais de energia: Energia cinética, que está associada ao movimento. São exemplos de energia cinética: A energia que associamos ao vento, à água em movimento, à corrente elétrica num circuito, etc.. Energia potencial, que corresponde à energia armazenada em condições de poder ser utilizada em qualquer momento. São exemplos de energia potencial: A energia acumulada numa bateria de um automóvel, nos alimentos e nos combustíveis, etc.. 5

6 Energia cinética O automóvel em movimento, a criança que corre e a pedra a rolar têm energia cinética. Qualquer corpo em movimento possui energia cinética! Energia potencial O alpinista possui energia armazenada pelo facto de estar a ser atraído pela Terra. Essa energia que não se está a manifestar, pode vir a manifestar-se se ele cair, designa-se por energia potencial gravítica. 6

7 Energia potencial O boneco dentro da caixa tem energia armazenada. Esta energia manifesta-se quando o boneco salta e designa-se por energia potencial elástica. Uma mola tem energia potencial elástica quando é deformada A energia potencial Uma mistura explosiva possui energia, mesmo antes de explodir. Esta energia está relacionada com as forças de ligação entre as partículas que constituem as substâncias e designa-se por energia potencial química. 7

8 A energia cinética depende de quê? Se duas pedras, com a mesma massa, forem atiradas contra uma parede com velocidades diferentes, qual delas provocará maior estrago? A pedra que provocará maior estrago é a que possui maior velocidade porque tem uma energia cinética maior. A energia cinética depende de quê? Se duas pedras, de massas diferentes, forem atiradas contra uma parede com a mesma velocidade, qual delas provocará maior estrago? A pedra que provocará maior estrago é a que possui maior massa porque tem uma energia cinética maior. 8

9 A energia potencial gravítica depende de quê? Se deixarmos cair uma pedra, em qual dos três níveis vai causar maior estrago? A pedra que produz maior estrago é a que cai do nível 3, porque como cai de uma altura maior tem uma energia potencial gravítica maior. A energia potencial gravítica depende de quê? Se deixarmos cair duas pedras de massas diferentes mas da mesma altura, qual vai causar maior estrago? A pedra de maior massa produz mais estragos porque tem uma energia potencial gravítica maior. 9

10 Energia mecânica A energia mecânica (E m ) de um sistema num dado referencial é a soma da energia cinética (E c ) macroscópica do sistema nesse referencial e da sua energia potencial (E p ). Energia interna Dois corpos com energia interna diferente A energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial dos seus corpúsculos. A energia interna representa-se, simbolicamente, por E i ou por U. Tem componentes: Do tipo cinético, que se associa aos movimentos desordenados dos corpúsculos; Do tipo potencial, que se relaciona com as posições relativas dos corpúsculos. 10

11 Energia interna e massa Para um mesmo sistema quanto maior for a sua massa, maior será a sua energia interna. Energia interna e temperatura A temperatura mede a agitação das partículas, logo, está relacionada com a energia cinética média dos corpúsculos que constituem a matéria. Quanto maior for a temperatura, maior será a energia interna do sistema, uma vez que a sua energia cinética interna (a nível microscópico) será maior. 11

12 Transferências de energia: calor, trabalho e radiação Se um sistema estiver isolado, a sua energia interna mantém-se constante. Se um sistema não tiver isolado, pode haver transferências de energia entre o sistema e a vizinhança. Consoante o modo como ocorre essa transferência, assim podemos identificar três processos de transferir energia: Calor; Trabalho; Radiação. Calor Quando dois sistemas são postos em contacto e se estiverem a diferentes temperaturas, a energia pode ser transferida entre eles. Dizemos que ocorre uma transferência de energia por calor de um bloco para outro. O calor, simbolizado por Q, é uma energia em «trânsito» e a sua unidade SI é o joule (J). Quando termina a transferência de energia os blocos ficam à mesma temperatura dizem-se em equilíbrio térmico. No entanto, não têm de ficar com a mesma energia interna! 12

13 Trabalho Sempre que existe uma força que atua sobre um corpo que se desloca, pode haver uma transferência de energia como trabalho. Se puxarmos ou empurrarmos um corpo, deslocando-o, estamos a fornecer-lhe energia como trabalho. (Nota: Mais à frente estudaremos esta grandeza). Radiação A radiação está associada à natureza eletromagnética dos sistemas e da matéria e propaga-se sob a forma de ondas que são caracterizadas pela sua frequência e pelo seu comprimento de onda. Assim, a energia da radiação é: diretamente proporcional à sua frequência; e inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. 13

14 Como se mede a taxa de transferência de energia - a potência A potência é a grandeza física que mede a quantidade de energia transferida por unidade de tempo: A unidade SI de potência é o watt (W). É a quantidade de energia fornecida durante um segundo. Quando há um circuito elétrico, a potência dissipada por efeito de Joule num condutor com uma certa resistência obtém-se multiplicando a intensidade de corrente, I, que o atravessa, pela tensão, U, (ou diferença de potencial) entre as suas extremidades: P = UI Unidade SI de energia A unidade SI de energia chama-se Joule, símbolo J, em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule. J W s 1J 1W 1s 14

15 Outras unidades de energia Quando queremos falar de energia elétrica utilizamos a unidade quilowatt-hora, kwh. kwh kw h A quantos joules corresponde 1 quilowatt-hora? 1 kwh = 1 kw x 1 h 1 kwh = 1000 W x 3600 s 1 kwh = J = 3,6 x 10 6 J Outras unidades de energia Quando queremos falar em valores energéticos de alimentos utilizamos a caloria. Sobremesa Quantidade Caloria Gelado 2 bolas 199 cal Gelatina dose individual 97 cal Leite Creme dose individual 140 cal Mousse Chocolate dose individual 193 cal Pudim Flan dose individual 142 cal Salada de Frutas dose individual 98 cal Tarte de Maçã fatia média 112 cal A caloria relaciona-se com o Joule da seguinte forma: 1 cal = 4,186 J 1 kcal = J 1 kcal = 4,186 kj 15

16 Exercício: 1. Um secador de cabelo de potência 1200 W funciona durante 20 s. Calcule a energia recebida pelo secador. Resposta: J = 2,4 x 10 4 J = 24 kj 2. Se a energia recebida pelo secador anterior for de 30 kj, durante quanto tempo esteve a funcionar? Resposta: 25 s TPC Exercícios que ficarem por fazer da APSA I.2 16