ENERGIA Energia é um conceito abstrato

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2 ENERGIA Energia é um conceito abstrato. Não é definida como algo material, mas como um processo, percebido por seus efeitos sobre a matéria. Costuma-se classificá-la em diferentes tipos em virtude da sua forma de captação ou pela associação a um conceito físico. De certa forma, também pode-se entender energia como uma quantidade adotada para descrever certos processos dinâmicos.

3 TIPOS DE ENERGIA Energia Cinética: velocidade de um corpo; Energia Potencial: - Gravitacional: separação (altura) de um corpo em relação a uma referencial; - Elástica: separação (estiramento ou compressão) de um corpo elástico; - Elétrica: separação (distância) entre cargas elétricas; Energia Mecânica: combinação entre energia cinética e energia potencial energia de movimento.

4 Energia Eletromagnética: presente na radiação eletromagnética (luz, micro-ondas, raios-x, ultravioleta etc.); Energia Térmica: vibração dos átomos ou moléculas; Energia Química: ligação química entre moléculas (alimentação, queima de combustíveis); Energia Nuclear: ligação do núcleo dos átomos (prótons e nêutrons); Energia por Aniquilação de pares: reação entre matéria e antimatéria.

5 PRINCÍPIO DE CONSERVAÇÃO DA ENERGIA Não existe produção de energia no universo. O que ocorre é a transformação de uma forma de energia em outra. A quantidade de energia no início de um processo será a mesma do final (em um sistema isolado).

6 FONTES DE ENERGIA: meios de transformar uma forma de energia em outra. Alimentação: Química Térmica Automóvel: Química Térmica Cinética Usina Hidrelétrica Potencial Gravitacional Cinética (água) Cinética (Turbina) Elétrica Usina Termelétrica Química Térmica Cinética Elétrica

7 Usina Nuclear Nuclear Térmica Cinética Elétrica Placa Solar Luminosa Elétrica Cata-vento (Parque eólico) Cinética Elétrica Ventilador Elétrica Cinética

8 TRABALHO (W) Situação através do qual a ação de uma força, que atua durante certo deslocamento, transforma uma tipo inicial de energia em energia cinética, ou vice-versa. Assim, se pode interpretar o trabalho como um processo de transformação de energia.

9 Como Medir o Trabalho? O trabalho depende de duas grandezas físicas: Da força que atua em um movimento e transforma a energia. Quanto maior a força aplicada, maior o trabalho. Do deslocamento ao longo do qual a força atua. Quanto maior o deslocamento, igualmente maior será o trabalho. W = F d A unidade de medida do trabalho é o Newton vezes metro [N.m], que recebe o nome de Joule [ J ].

10 Essa relação é válida somente em casos em que os vetores força e deslocamento possuem mesma direção e sentido. Caso isso não ocorra, é necessário utilizar que: W = F. d W = F d cosθ Portanto, o trabalho é uma grandeza escalar. Onde θ é o ângulo entre os vetores F e d, medido em graus. W = Fd W = Fdcosθ

11 Exemplo 1 Uma pessoa arrasta um refrigerador por 4 m sobre uma superfície horizontal, exercendo uma força constante de 100 N. Sabendo que entre a força e o deslocamento há um ângulo de 30, qual o valor do trabalho realizado pela força? Exemplo 2 Um elevador, cuja massa é igual a 300 kg, se desloca 15 m para baixo entre os cinco andares de um prédio. Determine o trabalho realizado pela força peso quando: a) o elevador sobe. b) o elevador desce.

12 Exemplo 3 Um fazendeiro engata um trenó carregado de madeira ao seu trator e o puxa até uma distância de 20 m ao longo de um terreno horizontal. O peso total do trenó carregado é de N. O trator exerce uma força constante de 5000 N, formando um ângulo de 36,9 acima da horizontal. Existe também uma força de atrito de 3500 N. Calcule o trabalho que cada força realiza sobre o trenó e o trabalho total realizado por todas as forças.

13 ENERGIA CINÉTICA E O TEOREMA TRABALHO-ENERGIA A Energia Cinética K é a forma de energia associada à velocidade dos corpos. Sua definição matemática é fornecida por: K = 1 2 mv² Onde K é a energia cinética, medida Joules [ J ]. V representa a velocidade, medida em metros por segundo [m/s], e m é a massa, em quilogramas [kg].

14 É possível relacionar a energia transformada pelo trabalho W coma variação da energia cinética da seguinte forma: W = K K 0 W = K Sendo esse resultado conhecido como Teorema Trabalho-Energia.

15 Exemplo 4 Para o exemplo do trenó puxado por um trator, se sua velocidade inicial era igual a 2 m/s, qual sua velocidade após o deslocamento de 20 m?

16 Exemplo 5 Em um bate estaca, um martelo de aço de 200 kg é elevado a uma altura de 3 m acima do topo de uma viga vertical que deve ser cravada no solo. Quando o martelo é solto, enterra a viga em 7,4 cm. Os trilhos verticais que guiam a cabeça do martelo exercem uma força de atrito constante de 60 N. a) Qual a velocidade do martelo ao encontrar a viga? b) Qual a força média feita pela cabeça do martelo sobre a viga?

17 POTÊNCIA (P) Quando um guindaste ergue algum corpo há diferentes forças atuando ao longo do deslocamento, como o peso ou a tração nos cabos, por exemplo. Dessa forma, tais forças realizam trabalho. Tração Peso

18 Em um mesmo deslocamento, o trabalho realizado por uma força constante será sempre igual, porém o tempo no qual esse trabalho foi efetuado pode ser maior ou menor. Se um guindaste demora 15 minutos para erguer uma caminhão será menos eficiente que outro que o faz em 10. Nesse caso o segundo guindaste possui maior potência P, pois realiza o mesmo trabalho em menor tempo. Assim, define-se potência como a capacidade de realizar trabalho em determinado intervalo de tempo. P = W t A unidade de medida da potência no SI, Joule por segundo, é denominada Watt [W].

19 Equipamentos que possuem maior potência têm capacidade de realizar maior trabalho (transformar mais energia) em menos tempo. Por exemplo, um automóvel Uno Mille Fire 1.0 (55 cv) consegue atingir a velocidade de 100 km/h em 17,8 s, enquanto um Gol Power 1.6 (104 cv), com maior potência, faz o mesmo em 11,9 s. Uma BMW 645 CI (333 cv) necessita de 7,1 s. 55 cv 40452,4 W 104 cv 76491,9 W 333 cv W Fator de conversão: 1 cv = 735,499 W

20 Já um chuveiro com 3000 W de potência, frente a um de 5500 W, demoraria mais para aquecer a água a mesma temperatura que o segundo, pois necessita de mais tempo para transformar a mesma quantidade de energia (realizar trabalho).

21 É possível reescrever a definição de potência para a seguinte forma, quando se trabalha com forças constantes: P = F. v Para velocidade constante Onde F é a força constante que atua sobre determinado corpo, medida em Newtons [N], e v é a velocidade desse corpo, em metros por segundo [m/s]

22 Exemplo 6 Duas donas de casa pegam água em um poço comunitário de 20 m de profundidade. O balde, preso à corda tem capacidade para 15 litros de água (equivalente a 15 kg de água) e sobe pelo poço praticamente cheio. Uma delas sobe o balde em 1 min e a outra consegue fazê-lo em 45 s. Determine a potência que cada uma delas emprega nessa tarefa. Exemplo 7 Cada um dos dois motores a jato de um avião Boeing 767 desenvolve uma propulsão igual a N. Quando o aviao está voando a 250 m/s (900 km/h), qual é a potência que cada motor desenvolve?

23 ENERGIA POTENCIAL Forma de energia definida a partir da separação entre dois refenciais. Tem esse nome devido à potencialidade de realizar trabalho.

24 Energia Potencial Gravitacional (U g ) Depende da altura que determinado corpo possui em relação a um referencial. A energia potencial gravitacional é definida a partir do trabalho realizado pela força peso. Se a força peso possui mesma direção e sentido oposto ao deslocamento (corpo que sobe): W = F. d. cosθ W = P. y. cos180 W = mg(y y 0 ). ( 1) W = mgy 0 mgy PESO

25 A quantidade mgy, que possui como unidade de medida o Joule, é definida como a energia potencial gravitacional U g : U g = mgy Onde U g é a energia potencial gravitacional, medida em Joules [ J ], m a massa do corpo, em quilogramas, e y a sua altura, em metros [m]. g é a aceleração da gravidade [ g = 9,8 m/s²]. Já para o teorema trabalho-energia, temos: W = U g

26 Se a força peso tem a mesma direção e o mesmo sentido que o deslocamento (corpo que desce): W = F. d W = P. y W = mg(y 0 y) W = mgy 0 mgy = U g Ou seja, se obtém o mesmo resultado para o teorema trabalhoenergia. PESO

27 Energia Potencial Elástica (U e ) A separação que qualifica essa forma de energia provém da distensão ou compressão de corpos elásticos, como molas, borrachas, tiras elásticas etc.

28 A definição da energia potencial elástica U e é deduzida a partir do trabalho realizado pela força elástica, sendo: U e = 1 2 kx² Onde U e é a energia potencial elástica, em Joules [J]. k é a constante elásticas, em Newtons por metro [N/m], e x a deformidade elástica, em metros [m]. Para o teorema trabalho-energia: W = U e0 U e W = U e

29 Exemplo 8 Na usina hidrelétrica de Itaipu, durante apenas 1 s, kg de água iniciam uma queda de 118,4 m de altura para chegarem às turbinas, isso em cada uma das 14 unidades geradoras. a) Qual a quantidade de energia fornecida pela água para cada turbina em apenas 1 s? b) Se toda a energia que a água fornece para a turbina pudesse ser convertida em energia elétrica, qual seria a potência, por turbina, em somente 1 s?

30 Exemplo 9 Em seu treinamento, uma arqueira opta por um arco cuja corda, ao ser esticada em 50 cm, consegue armazenar uma energia potencial elástica equivalente a 300 J. a) Antes de ser esticada, qual o valor da energia potencial elástica que a corda do arco armazena? b) Qual o valor da constante elástica da corda do arco? c) Quanto foi o valor do trabalho realizado nessa situação?

31 ENERGIA MECÂNICA E CONSERVAÇÃO A Energia Mecânica E é a forma de energia relacionada ao movimento que combina energia cinética e potencial: E = K + U Do teorema trabalho-energia Desse modo: W = K e W = U K = U K K 0 = U 0 U K 0 + U 0 = K + U E 0 = E A energia mecânica em um sistema isolado é conservada em qualquer ponto do movimento (desprezando-se as perdas por atrito).

32 Exemplo 10 Você arremessa uma bola de beisebol de 0,145 kg verticalmente de baixo para cima, fornecendo-lhe uma velocidade inicial de módulo igual a 20 m/s. Usando a conservação de energia, calcule a altura máxima que ela atinge, supondo que a resistência do ar seja desprezível. Exemplo 11 Um atílio está esticado em 25 cm quando é lançado com velocidade de 50 m/s. Se sua constante elástica vale 400 N/m, qual a massa do atílio?

33 Exemplo 12 Um carrinho de massa 100 kg parte do repouso e desce por uma montanha-russa, como mostra a figura a seguir. Admitindo que o atrito possa ser desprezado, determine a velocidade desse carrinho nos pontos A, B e C.

34 Referências Hewitt. Fundamentos de Física Conceitual. Bookman, Porto Alegre, Máximo e Alvarenga. Curso de Física Volume 1. Scipione, São Paulo, Pietrocola et al. Física em Contextos Volume 1. FTD, São Paulo, Young, H.D. Física I Mecânica. Pearson, São Paulo As imagens e exemplos foram extraídos das fontes, do banco de dados do Google Imagens ou elaborados pelo autor.