Conservação de Energia

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1 Conservação de Energia

2 Sistemas físicos O que é um sistema físico? Um sistema físico é uma porção do universo que escolhemos para analisar e estudar. Sistema Fronteira Sistema Exterior Um sistema físico é um corpo, ou conjunto de corpos, limitado por uma fronteira real ou imaginária.

3 Fronteira e Vizinhança Como se pode identificar o sistema Terra? Se a Terra for o objecto de estudo, então é um sistema com fronteira e vizinhança. - Fronteira superfície do planeta (Real). - Vizinhança pode ser: - a atmosfera terrestre. - o espaço exterior com todos os astros.

4 Fronteira e Vizinhança Como se pode identificar o sistema Sol + Terra? Neste caso, o sistema é constituído por dois componentes: O Sol e a Terra - Fronteira (é imaginária, mas permite a identificação da vizinhança do sistema). - Vizinhança é o espaço exterior com todos os astros do universo exceptuando o Sol e a Terra.

5 Fonte e Receptor de Energia O sistema em estudo é a água a ser aquecida: - Fonte de energia álcool em combustão - Receptor de energia - água As fontes de energia fornecem energia aos receptores de energia.

6 Fonte, receptor e transferência de energia - Fonte de energia pilha - Receptor de energia lâmpada

7 Fonte, receptor 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.

8 Tipos de Sistemas Sistema aberto troca matéria e energia com a vizinhança. Sistema fechado troca energia com a vizinhança. Sistema isolado não troca matéria nem energia com a vizinhança.

9 Formas fundamentais de energia As diferentes designações atribuídas à energia correspondem apenas a: duas formas fundamentais de energia: Energia cinética Energia potencial

10 Energia potencial A Energia potencial está associada ao campo de forças (gravitacionais, magnéticas, eléctricas e nucleares) existente no sistema. corresponde à energia armazenada em condições de poder ser utilizada. é a energia acumulada numa bateria, nos alimentos e nos combustíveis.

11 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.

12 Energia potencial O sistema de corpos electrizados têm energia potencial eléctrica.

13 Energia potencial O sistema de iman-pregos e iman limalha de ferro têm energia potencial magnética.

14 Energia potencial A 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.

15 Energia potencial Alpinismo Bungee-Jumper O alpinista possui energia armazenada pelo facto de estar a ser atraído pela Terra. Essa energia que não se está a manifestar mas que pode vir a manifestar-se se cair, designa-se por energia potencial gravítica.

16 A energia potencial gravítica depende de quê? Se deixarmos cair uma pedra, em qual dos três níveis vai causar maior estrago? A pedra produz mais estragos quando cai do nível 3 porque como cai de uma altura maior tem uma energia potencial gravítica maior.

17 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.

18 A energia potencial gravítica depende de quê? Quanto maior for a massa maior é a energia potencial gravítica. Quanto maior for a altura maior é a energia potencial gravítica.

19 Formas fundamentais de energia Energia cinética está associada ao movimento relativo dos corpos. é a energia que associamos ao vento, à água em movimento, à corrente elétrica no circuito, ao som e à agitação das partículas do ar junto de um aquecedor.

20 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!

21 Evidencias macroscópicas da energia cinética Translação e rotação Translação Translação e rotação

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

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

24 A energia cinética depende de quê? Quanto maior for a massa maior é a energia cinética. Quanto maior for o quadrado da velocidade maior é a energia cinética.

25 Energia cinética e energia potencial A energia cinética depende da massa e da velocidade. Maior massa Maior energia cinética Maior velocidade A energia potencial gravítica depende da massa e da altura. Maior massa Maior energia potencial gravítica Maior altura A energia potencial elástica depende da deformação. Maior deformação Maior energia potencial elástica

26 Energia Mecânica A energia mecânica 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 ).

27 Energia Mecânica A energia mecânica de um sistema é devida: Ao seu movimento o que implica energia cinética de translação. À sua posição relativa a outro sistema a que corresponde energia potencial gravítica. Ao seu estado de deformação o que envolve energia potencial elástica.

28 Energia Mecânica Escolhe, entre as afirmações seguintes, a única que é falsa (F) F

29 Energia Interna A energia interna de um sistema macroscópico é a soma das energias cinética e potencial dos seus corpúsculos. Representa-se simbolicamente por E i. Tem componentes: De tipo cinético que se associa ao movimento desordenado dos corpúsculos; De tipo potencial que se relaciona com as posições relativas dos corpúsculos;

30 Energia Interna massa e temperatura A energia interna depende da quantidade de matéria que constitui um corpo. Quanto maior for a sua massa mais energia interna contém. Quanto maior é a temperatura maior é a energia interna do corpo.

31 Temperatura Temperatura de diversos corpos no interior de uma sala na ausência de equilíbrio térmico

32 Temperatura A temperatura é uma manifestação da energia interna de um corpo. A temperatura de um corpo é uma medida da energia cinética média dos corpúsculos constituintes desse corpo. Um sistema a temperatura elevada tem maior energia interna que um sistema a temperatura mais baixa.

33 Escalas de Temperatura

34 Escalas de Temperatura

35 Trabalho calor e potência Física Energia Energia Potência Trabalho Calor Radiação

36 Trabalho Mecânico Os músculos do atleta transformam energia química em energia potencial gravítica. As forças exercidas pelas mãos nos alteres realizaram trabalho mecânico.

37 Trabalho eléctrico A circulação da corrente eléctrica realiza um trabalho eléctrico no sistema. O trabalho eléctrico corresponde à transferencia de energia da fonte para o receptor.

38 Trabalho realizado por uma força constante O trabalho realizado por uma força é uma medida da energia transferida de um sistema para outro, devido à actuação dessa força. O ponto de aplicação da força move-se da posição inicial para a posição final efectuando o deslocamento

39 Trabalho realizado por uma força constante

40 Exercício.

41 Calor sob o ponto de vista físico Exemplos nos quais o aquecimento provém da transformação de E m em calor Esfregar as mãos; Travagem dos carros; Compressão do ar nos pneus; Marteladas que ocorrem com choques mecânicos;

42 Calor É a energia interna que se transfere entre corpos a temperaturas diferentes. Fonte de calor Qualquer sistema que esteja mais quente que a sua vizinhança.

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44 Calor O calor representa-se pela letra Q. É um conceito dinâmico porque serve para medir a energia transferida, espontaneamente, de um sistema a temperatura mais alta para um sistema a temperatura mais baixa, até se atingir o equilibrio térmico. Um corpo não tem calor, tem energia interna. O calor é a energia interna que se transfere entre corpos normalmente a diferentes temperaturas. Haverá transferencia de calor enquanto se mantiver a diferença de temperatura entre os corpos ou entre sistemas.

45 Calor Maneiras de aumentar a energia interna de um sistema Através de realização de trabalho quando há interação entre os sistemas. Através do calor quando há trocas de energia entre sistemas Factores de que depende a quantidade de calor transferida Massa dos corpos. Variação da temperatura. Capacidade térmica mássica

46 Calor Influência da massa do corpo A quantidade de calor é directamente proporcional à massa de substância que se aquece ou arrefece. Influência da variação de temperatura As quantidades de calor são directamente proporcionais às variações de temperatura. Influência da substância de que é feito o corpo A quantidade de calor fornecida a materiais diferentes de modo a provocar-lhes a mesma elevação de temperatura depende da constituição desses materiais.

47 Calor A quantidade de calor (Q) fornecida (ou cedidas) por um corpo são diretamente proporcionais à sua massa(m) e à variação de temperatura ( T ou θ ) A constante de proporcionalidade é a capacidade térmica mássica (c). É uma característica de que é feita o corpo. A expressão matemática que permite calcular a quantidade de calor é: Q = m c T

48 Calor

49 T i >T f o corpo cede calor (Q<0) T f >T i o corpo recebe calor (Q>0) ΔE i = m c ΔT

50 Questões A capacidade térmica mássica do cobre é 390 J/(kg ºC). a) Qual é a quantidade de calor que é necessário fornecer a 1 Kg de cobre para elevar a sua temperatura de 1ºC? b) Um bloco de cobre, cuja massa é de 10 kg, arrefeceu. A temperatura desceu de 100 ºC para 50 ºC. Qual é o valor da energia interna que perdeu?

51 Potência e Energia A energia que é cedida ou recebida em cada unidade de tempo chama-se potência: É a rapidez da transferência de energia mecânica entre sistemas. É a rapidez com que se realiza trabalho. Potência Energia Tempo É uma grandeza escalar

52 Potência e Energia Potência Energia E P E P t t

53 Unidade SI de Energia e de Potência A unidade SI de energia chama-se Joule, símbolo J, em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule. James Joule A unidade SI de potência chama-se Watt, símbolo W, em homenagem ao inventor James Watt. James Watt

54 Unidade SI de energia No sistema internacional de unidades: E P t J W s 1 J = 1 W x 1 s

55 Outras Unidades de Energia Quando queremos falar de energia elétrica utilizamos a unidade quilowatt-hora, kwh. E P t 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

56 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 = 4,18 J 1 kcal = J 1 kcal = 4,18 kj

57 Múltiplos e submúltiplos do watt (W) O termo cavalo vapor foi aplicado, pela primeira vez, por James Watt para demonstrar quantos cavalos correspondia à máquina a vapor que ele inventou. James Watt observou e propôs que um cavalo podia elevar um peso de 735 N a um metro de altura em um segundo, pela equação: P=F. d/ t P= 735 (N). 1 (m) / 1 (s) = 735W Essa potência de 735 Watt é dada como 1 cavalo vapor (cv).

58 Qual a potência necessária?

59 Exercício: 1. Um secador de cabelo de potência 1200W funciona durante 20 s. Calcula a energia recebida pelo secador. 2. Se a energia recebida pelo secador for de 30 kj, durante quanto tempo esteve a funcionar o secador?

60 Exercício: A intensidade da resultante das forças que atuam no elevador é 2,15 x 10 4 N. Supõe que o elevador se move com velocidade constante, percorrendo 10 metros em 5 segundos. Qual é a potência média do motor que aciona o elevador?

61 Exercício:

62 Como podemos identificar Transferência de energia entre sistemas? As transferências de energia entre sistemas pode identificar-se de três maneiras diferentes: Calor Se houver transferência de energia entre corpos. Trabalho Quando atuam forças que deslocam o seu ponto de aplicação. Radiação Se houver transporte de energia por ondas eletromagnéticas.

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65 Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro? Num diagrama de energia devemos representar a: Energia útil que é a energia que durante a transferência é realmente utilizada. Energia dissipada que é a energia que durante a transferência é perdida. Energia útil Energia fornecida Sistema Energia dissipada

66 Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro? Exemplo 1: Energia utilizada para o movimento Energia armazenada no motor Energia dissipada no aquecimento das peças do motor, etc.

67 Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro? Exemplo 2: Energia utilizada para aquecer o ambiente Energia armazenada na lenha Energia dissipada sob a forma de luz Energia dissipada pela chaminé

68 Princípio da Conservação da Energia Podemos concluir que numa transferência de energia: E E E fornecida útil dissipada Esta expressão traduz o Princípio da Conservação de Energia: a quantidade de energia que temos no final de um processo é sempre igual à quantidade de energia que temos no início desse mesmo processo. Ou seja, a energia não se cria nem se destrói; apenas se transfere. A energia total do Universo é sempre constante.

69 Exercício Completa o diagrama de energia para uma lâmpada de incandescência em funcionamento: Energia eléctrica Energia dissipada sob a forma de calor Energia radiante Se fornecermos ao sistema 50 J de energia e se a lâmpada tiver uma perda de 15 J, qual será o valor da energia útil?

70 Lei da conservação Balanços energéticos Quando ocorrem transferências e transformações de energia, a energia total permanece constante. O balanço energético é facilitado pela construção de diagramas da respectiva cadeia energética. Na construção de uma cadeia energética começase por identificar os extremos da cadeia. Em seguida, identificam-se os sucessivos sistemas e a sua vizinhança.

71 Lei da conservação Balanços energéticos Efectua-se a representação do diagrama da cadeia tendo em conta: As fontes de energia e a vizinhança dos sistemas (exterior) representam-se por rectângulos; Os sistemas esquematizam-se por círculos; As transferências de energia traduzem-se por setas; A extremidade da seta mostra para onde se transfere a energia.

72 EXEMPLO Lei da conservação Balanços energéticos Considere dois sistemas S e S. O sistema S recebeu 80 J de uma fonte de energia. Dessa energia, dissipou 10 J como calor e transferiu 70 J para o sistema S. A representação do diagrama em cadeia e o balanço energético é: Nome da Fonte 80 J 70 J Sistema S 10 J Sistema S Nome da vizinhança de S 80 J = 70 J + 10 J 80 J 70 J -10 J = 0

73 Exercício