2.1.4 ÁCIDOS E BASES EM SOLUÇÃO AQUOSA

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1 80 QUÍMICA. 0 ANO..4 ÁCIDOS E BASES EM SOLUÇÃO AQUOSA IONIZAÇÃO DE ÁCIDOS E BASES EM ÁGUA Ionização de ácidos em água Ionização significa formação de iões. Os ácidos são geralmente compostos moleculares, cujas unidades estruturais são moléculas. Quando dissolvidos em água, ocorre uma reação de ionização, uma vez que há formação de iões. Quando se dissolve cloreto de hidrogénio, HC, em água, ocorre uma reação de ionização (Fig..8), produzindo-se os iões oxónio e cloreto. HC (g) + H O ( ) H 3 O + (aq) + C (aq) Molécula de HC HC gasoso Ião H 3 O + FIG..8 Ionização de HCm solução aquosa. Ião C (hidratado) Quebra de ligações na molécula de HC devido a interação com as moléculas de água Ionização ou dissociação de bases em água Bases que são compostos moleculares reagem com a água ionizando-se. Exemplo: reação de ionização do amoníaco. NH 3 (g) + H O ( ) NH + 4 (aq) + OH (aq) Algumas bases são compostos iónicos. Quando estas entram em contacto com a água, os iões que já existem no composto separam-se: ocorre uma dissociação. As ligações existentes entre os iões do sólido, que formavam a rede cristalina, quebram-se e os iões separados são solvatados (hidratados) pelas moléculas do solvente (água). O exemplo da dissociação do hidróxido de sódio em água (Fig..9) pode traduzir-se pela equação: NaOH (s) 7 H O 7d Na + (aq) + OH (aq) Cristal de NaOH (s) (composto iónico) + + Moléculas Ião Na Ião OH de H O + + Ião Na rodeado por moléculas de água (hidratado) + + Ião OH rodeado por moléculas de água (hidratado) Desagregação da estrutura iónica cristalina FIG..9 Dissociação do hidróxido de sódio em água.

2 DOMÍNIO Reações em sistemas aquosos 8 PARES CONJUGADOS ÁCIDO-BASE O conceito de par conjugado ácido-base é uma consequência natural da definição de ácido e base segundo Brønsted-Lowry. A base conjugada de um ácido de Brønsted-Lowry é a espécie que se forma quando um ião hidrogénio, H +, é retirado ao ácido. Reciprocamente, um ácido conjugado é a espécie que se forma a partir da adição de um ião H + a uma base de Brønsted-Lowry. Exemplo: ionização do ácido acético, CH 3 COOH, em água. Dador de H + (ácido) Recetor de H + (base) Novo ácido formado Nova base formada CH 3 COOH (aq) + H O ( ) H + CH 3 COO 3 O + (aq) (aq) Ácido Base Diferença de um ião H + Ácido Base O e o designam os dois pares conjugados ácido-base, ou seja, um ácido e uma base que diferem apenas num ião H +, que, neste caso, se representam por CH 3 COOH/CH 3 COO e H 3 O + /H O. Assim, o ião acetato, CH 3 COO, é a base conjugada de CH 3 COOH e o ião H 3 O + é o ácido conjugado de H O. Na ionização do amoníaco em água NH 3 (g) + H O ( ) NH 4 + (aq) + OH (aq) Base Ácido Ácido Base os dois pares conjugados são: NH 4 + /NH 3 eh O/OH. ESPÉCIES QUÍMICAS ANFOTÉRICAS Na reação de ionização do ácido acético, CH 3 COOH, a água funcionou como base; na reação de ionização do amoníaco, NH 3, funcionou como ácido. As espécies químicas que, como a água, podem funcionar ora como ácidos, ora como bases, conforme as condições em que reagem, dizem-se anfotéricas ou anfipróticas. QUESTÃO RESOLVIDA.5 Alguns dos processos mais importantes nos sistemas químicos e biológicos são reações ácido-base em solução aquosa. As equações seguintes traduzem alguns exemplos. (A) H CO 3 (aq) + H O ( ) (aq) + (aq) (B) NH 3 (aq) + H O ( ) (aq) + (aq) (C) HCO 3 (aq) + H O ( ) (aq) + (aq) (D) F (aq) + H O ( ) (aq) + (aq).5. Complete as equações anteriores prevendo os produtos formados..5. As reações apresentadas são reações ácido-base, segundo Brønsted-Lowry. Segundo Brønsted-Lowry, o que são reações ácido-base?.5.3 Indique os pares conjugados ácido-base para cada reação..5.4 Identifique as espécies que apresentam caráter anfotérico.

3 8 QUÍMICA. 0 ANO.5. (A) HCO 3 e H 3 O + (B) NH + 4 e OH (C) CO 3 e H 3 O + (D) HF e OH.5. Reações ácido-base, segundo Brønsted-Lowry, são reações em que há transferência de iões hidrogénio (H + ) de uma espécie que se comporta como ácido (espécie dadora) para outra que se comporta como base (espécie recetora)..5.3 (A) H CO 3 / HCO 3 e H 3 O + / H O (C) HCO 3 / CO 3 e H 3 O + / H O (B) NH + 4 / NH 3 e H O / OH (D) HF / F e H O / OH.5.4 HCO 3 e H O...5 CONSTANTES DE ACIDEZ A lei do equilíbrio químico aplica-se às reações entre um ácido, ou uma base, e a água. Nas expressões das constantes de equilíbrio não é considerado o valor da concentração da água, por se tratar de soluções diluídas. Reação de ionização do ácido acético: CH 3 COOH (aq) + H O ( ) CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) K a = CH 3 COO H 3 O + CH 3 COOH K a é a constante de equilíbrio e designa-se por constante de ionização do ácido, ou constante de acidez. Reação de ionização do amoníaco (base): NH 3 (g) + H O ( ) NH 4 + (aq) + OH (aq) K b = NH 4+ OH NH 3 K b é a constante de equilíbrio e designa-se por constante de ionização da base, ou constante de basicidade...6 CONSTANTES DE ACIDEZ (AL.) A constante de ionização de um ácido define-se como constante de equilíbrio para a reação de ionização do ácido em solução aquosa. O ph da solução resultante da ionização de um ácido depende do valor dessa constante. A constante de acidez pode ser determinada a partir da medição do ph de uma solução aquosa do ácido com uma dada concentração. QUESTÃO RESOLVIDA.6 Com o objetivo de determinar a constante de acidez do ácido acético, CH 3 COOH (aq), a uma dada temperatura, um grupo de alunos realizou uma atividade laboratorial. Os alunos prepararam três soluções, X, Y e Z, com concentrações diferentes a partir de ácido acético glacial, cujo frasco apresenta o seguinte rótulo. Ácido acético glacial ρ =,05 kg dm 3 99,5% (m/m) M = 60,06 g mol - I II III

4 DOMÍNIO Reações em sistemas aquosos 83 Posteriormente, mediram o ph de cada uma das soluções preparadas, utilizando um sensor ligado a uma calculadora gráfica. Na tabela seguinte estão registados os valores obtidos. Solução [CH 3 COOH]/mol dm 3 ph X 0,500,54 Y 0,00,88 Z 0,0500 3,0.6. Determine a concentração do ácido acético glacial utilizado pelos alunos..6. Aos pictogramas que constam do rótulo do frasco do ácido acético glacial utilizado pelos alunos podem associar- -se as palavras seguintes: (A) I oxidante II inflamável III irritante (B) I corrosivo II irritante III nocivo (C) I corrosivo II inflamável III perigo para a saúde (D) I oxidante II irritante III perigo para a saúde.6.3 Determine o fator diluição da solução Y, considerando que esta solução foi preparada a partir da solução X..6.4 Determine o valor da constante de acidez, K a, do ácido em estudo para cada uma das soluções e compare-o com o valor tabelado nas condições em que foi realizada a atividade. Dado: K a (CH 3 COOH) tabelado =, O que pode concluir-se acerca da influência da concentração do ácido acético na respetiva constante de ionização?.6.6 Um outro grupo de alunos esqueceu-se de calibrar o medidor de ph antes de iniciar as medições de ph para cada uma das soluções. Os valores medidos foram superiores aos valores de ph previstos teoricamente. A ocorrência deste erro implica um valor para a quantidade de ácido ionizado, em relação ao valor teórico, o que determina um erro por para o valor da constante de acidez determinada a partir dos resultados experimentais. (A) inferior excesso (B) inferior defeito (C) superior excesso (D) superior defeito.6. Cálculo da quantidade de CH 3 COOH: 99,5% (m/m) 00 g de solução contêm 99,5 g de CH 3 COOH.6. (C). m CH3 COOH 99,5 g n CH3 COOH = = =,657 mol M(CH 60,06 g mol 3 COOH) Cálculo do volume de solução que contém a quantidade de CH 3 COOH determinada: m solução 00 g ρ solução = V solução = = 0,0954 dm V g dm 3 solução Cálculo da concentração de ácido acético glacial: n CH3 COOH,657 mol c CH3 COOH = = = 7,4 mol dm 3 0,0954 dm 3 V solução c solução concentrada 0, f = = = 5 c solução diluída 0,0.6.4 A reação de ionização do ácido acético pode ser traduzida por: CH 3 COOH (aq) + H O ( ) H 3 O + (aq) + CH 3 COO (aq) Atendendo à estequiometria da reação, mol de H 3 O + é estequiometricamente equivalente a mol de CH 3 COO, pelo que [CH 3 COO ] e = [H 3 O + ] e = 0,54 mol dm 3 = 0,00884 mol dm 3 [CH 3 COOH] e = [CH 3 COOH] inicial [CH 3 COOH] que reagiu = 0,500 0, ,500 mol dm -3

5 84 QUÍMICA. 0 ANO Atendendo que a reação de ionização é pouco extensa e ao valor da concentração inicial, pode considerar-se como válida a aproximação [CH 3 COOH] e [CH 3 COOH] inicial H ( H Cálculo da constante de equilíbrio: K a = = 3 O + e ) 3 O + e CH 3 COO e CH 3 COOH e CH 3 COOH e ( H (O,00884) Solução X: K a = 3 O + e ) = =, CH 3 COOH e 0,500 ( H (0,88 ) Solução Y: K a = 3 O + e ) = =, CH 3 COOH e 0,00 ( H (0 3,0 ) Solução Z: K a = 3 O + e ) = =,8 0 5 CH 3 COOH e 0,0500 Os valores obtidos para a constante de acidez do ácido acético são próximos do valor tabelado: K a (CH 3 COOH) tabelado =, Os valores obtidos para a constante de acidez permitem concluir que, para a mesma temperatura, o valor da constante de equilíbrio não depende da concentração inicial do ácido..6.6 (B). Valores de ph superiores implicam concentrações de H 3 O + menores, ou seja, menores quantidades de ácido ionizado. Consequentemente, valores inferiores ao tabelado para a constante de acidez...7 FORÇA RELATIVA DE ÁCIDOS E BASES As reações de ionização de ácidos e bases ou de dissociação de bases em solução aquosa não são igualmente extensas, à mesma temperatura. As designações «forte» e «fraco(a)» são um indicador da força de um ácido ou de uma base, ou seja, da capacidade de originarem iões H 3 O + ou OH, respetivamente. Ácidos fortes: ácidos cuja reação de ionização em solução aquosa é muito extensa, ou seja, K a é muito elevada. Reação K a (a 5 o C) HC + H O H 3 O + + C Muito grande A maior parte dos ácidos são ácidos fracos porque em solução aquosa estão parcialmente ionizados. A uma dada temperatura, a força do ácido pode ser medida pelo valor de K a, ou seja, quanto maior for o valor de K a, mais forte é o ácido e mais extensa é a sua ionização e, consequentemente, maior é, para uma dada concentração do ácido, a concentração de iões H 3 O + no equilíbrio. Bases fortes: bases que têm uma grande tendência para receber iões hidrogénio, H +. HNO 3 + H O H 3 O + + NO 3 H SO 4 + H O H 3 O + + HSO 4 Reação K a (a 5 o C) HF + H O H 3 O + + F 7, 0 4 HNO + H O H 3 O + + NO Muito grande Muito grande Nota: para reações muito extensas usa-se, geralmente, em vez de. 4,5 0 4 CH 3 COOH + H O H 3 O + + CH 3 COO,8 0 5 O ião OH, por exemplo, resultante da dissociação completa dos hidróxidos de metais alcalinos em solução aquosa, como NaOH e KOH, e o ião amideto, NH, são bases fortes. Bases fracas: bases que têm pouca tendência para receber iões hidrogénio, H +. O amoníaco, NH 3, e o ião acetato, CH 3 COO, são exemplos de bases fracas. A uma dada temperatura, a força da base pode ser medida pelo valor de K b : quanto maior for o valor de K b, mais forte é a base e mais extensa é a reação com a água; consequentemente, é maior, para uma dada concentração do ácido, a concentração de iões OH no equilíbrio.

6 DOMÍNIO Reações em sistemas aquosos 85 A força de um ácido e a força da respetiva base conjugada estão relacionadas. Exemplo: HCN / CN (ácido cianídrico / ião cianeto) CN HCN (aq) + H O ( ) CN (aq) + H 3 O + e H 3 O + (aq) K a = HCN Multiplicando K a por K b tem-se: CN (aq) + H O ( ) HCN (aq) + OH (aq) K b = HCN OH CN CN HCN OH e H 3 O + K a K b = = H 3 O + e OH HCN CN e e K a K b = H 3 O + e OH e = K w QUESTÕES RESOLVIDAS.7 O aumento da acidez da água da chuva ocorre principalmente devido ao aumento da concentração dos óxidos de enxofre e nitrogénio na atmosfera. Em contacto com a água, estes formam os ácidos sulfuroso (H SO 3 ) e nitroso (HNO ), respetivamente. As constantes de equilíbrio, a 5 o C, são: H SO 3 + (aq) + H O ( ) H 3 O + (aq) + HSO 3 (aq) K a =,7 0 HNO (aq) + H O ( ) H 3 O + (aq) + NO (aq) K a = 5, Classifique como verdadeira (V) ou falsa (F) cada uma das afirmações seguintes. (A) O ácido sulfuroso ioniza-se em maior extensão. (B) HNO e H SO 3 são dois ácidos igualmente fracos. (C) Para soluções com igual concentração inicial, o ácido sulfuroso apresenta menor valor de ph. (D) O ácido sulfuroso é o que apresenta a base conjugada mais forte. (E) O valor da constante de basicidade da base conjugada do ácido nitroso é, Entre as concentrações de H 3 O +, em solução, provenientes da ionização de cada um dos ácidos, verifica-se a relação H H 3 O + 3 O + K a H SO 3 NO (A) = (C) = K H3 O + H3 O + a HNO HSO 3 K a H SO 3 K a HNO HSO 3 H H 3 O + 3 O + K b H SO 3 NO (B) = (D) = H3 O + K H3 O + e b HNO HSO 3 K b H SO 3 K b HNO.7.3 Uma solução aquosa de ácido sulfuroso tem ph igual a,47, a 5 C. Calcule a concentração dessa solução em ácido sulfuroso..7. Verdadeiras: (A) e (C). Falsas: (B), (D) e (E). O valor de K a para o ácido sulfuroso é mais elevado, a ionização do ácido é mais extensa e, consequentemente, a concentração de iões H 3 O + no equilíbrio é maior. Logo, este ácido é mais forte. Para valores iguais de concentração inicial dos ácidos, terá menor valor de ph aquele em que, no equilíbrio, a concentração de H 3 O + seja maior, daí que o ácido sulfuroso apresente menor valor de ph. Atendendo aos valores de K a, o ácido nitroso é mais fraco do que o ácido sulfuroso. Assim, a respetiva base conjugada será mais forte do que a base conjugada do ácido sulfuroso. Par conjugado ácido-base: HNO / NO K w,0 0 4 K b = = =,96 0 5, 0 4 Ka K a K b = H 3 O + e OH e = K w

7 86 QUÍMICA. 0 ANO.7. (B). HSO 3 H 3 O + K a H SO 3 K a = H 3 O + e = H HSO3 SO 3 NO H 3 O + K K a = H 3 O + a HNO e = HNO NO e H K H K b H SO 3 NO = Como K a = = 3 O + a H SO 3 NO 3 O + e K w e e H3 O + H3 O + K a HNO HSO 3 Kb K b HNO HSO Cálculo da concentração de H 3 O + na solução: [H 3 O + ] = 0 ph = 0,47 = 0,0339 mol dm 3 Cálculo da concentração de H SO 3 (aq) presente na solução: [H 3 O + ] = [HSO 3 ] = 0,0339 mol dm 3 de acordo com a estequiometria da reação H H 0, O + HSO K a = H SO 3 e = 3 O + HSO 3 e 3 e = = 0,0676 [H SO 3 ] e = 0,0676 mol dm -3,7 O H SO 3 Ka Em dm 3 de solução existem 0,0676 mol de H SO 3 e 0,0339 mol de HSO 3 em equilíbrio, logo, a concentração inicial em ácido sulfuroso é (0, ,0339) mol [H SO 3 ] inicial = = 0,0 mol dm 3 dm 3.8 As substâncias responsáveis pelo cheiro característico de alguns alimentos deteriorados são, na sua maioria, compostos orgânicos pertencentes à família das aminas. Uma dessas substâncias é a metilamina, CH 3 NH, responsável pelo cheiro característico do peixe estragado. A metilamina em solução aquosa apresenta caráter básico, que se pode traduzir pela seguinte equação química: CH 3 NH (g) + H O ( ) CH 3 NH + 3 (aq) + OH (aq).8. Numa solução aquosa de concentração 0,6 mol dm 3 de metilamina, esta encontra-se 4,0% ionizada, a 5 C. Calcule: a) o ph da solução; b) a constante de basicidade;.8. Explique porque é que para diminuir o cheiro desagradável que fica nas mãos após o manuseio do peixe, é comum a utilização de limão. Apresente num texto a explicação solicitada..8. a) Cálculo da concentração de OH (aq) na solução: 4,0 n CH3 NH 4,0% (de CH 3 NH ionizada) = ionizada [CH 3 NH ] ionizada [CH 3 NH ] ionizada = = 00 nch3 NH [CH3 inicial NH ] inicial 0,6 [CH 3 NH ] ionizada = 0,004 mol dm -3 De acordo com a estequiometria da reação: [OH - ] = [CH 3 NH ] ionizada = 0,004 mol dm -3 poh = log 0,004 =,98 ph = 4 poh = 4,98 = CH 3 NH + b) Constante de basicidade: K b = 0,004 0,004 3 e OH = 0,6 0,004 = 4,3 0 4 CH3 NH.8. A acidez do limão contribui para a diminuição da concentração dos iões OH (aq). De acordo com o Princípio de Le Châtelier, é favorecida a reação direta, pelo que a concentração de metilamina diminui. Assim, a diminuição da concentração de metilamina implica a redução do cheiro desagradável.

8 78 FÍSICA 0. 0 ANO Física 0. o ano DOMÍNIO Energia e sua conservação Na componente de Física, a energia e a sua conservação são as ideias centrais na interpretação de fenómenos mecânicos, elétricos e térmicos, que devem ser enquadradas com diversas aplicações. A energia pode transferir-se entre sistemas. Define-se sistema como a parte do universo que queremos estudar. Essa parte é limitada pela fronteira, que separa o sistema da vizinhança. A vizinhança é o que fica fora do sistema, podendo interagir com ele (Fig..). Fronteira Sistema Vizinhança FIG.. Sistema físico. Os sistemas físicos podem ser (Fig..): abertos: trocam matéria e energia com a vizinhança; fechados: não trocam matéria com a vizinhança, embora troquem energia; isolados: não trocam matéria nem energia com a vizinhança. Como um sistema isolado não troca nem matéria nem energia com o exterior, nele a energia permanece constante. A B C FIG.. Exemplos de um sistema aberto (A), fechado (B) e isolado (C). Lei de Conservação da Energia A energia de um sistema isolado é constante. A energia pode transferir-se entre sistemas físicos mas pode também sofrer transformações num mesmo sistema físico: a energia que se apresenta de uma forma converte-se noutra forma de energia.

9 DOMÍNIO Energia e sua conservação 79. ENERGIA E MOVIMENTOS Neste subdomínio abordam-se os sistemas mecânicos quando podem ser representados pelo seu centro de massa e interpretam-se as transferências de energia como trabalho, os conceitos de força conservativa e de força não conservativa e a relação entre trabalho e variações de energia... SISTEMA MECÂNICO REDUTÍVEL A UMA PARTÍCULA. ENERGIA E TIPOS FUNDAMENTAIS DE ENERGIA. POTÊNCIA. Todos os corpos têm uma propriedade intrínseca, a sua massa, que se relaciona com a sua constituição e que é expressa, no Sistema Internacional, SI, na unidade quilograma (símbolo kg). Se para o estudo do movimento do corpo não nos interessar a sua constituição ou forma, nem deformações ou rotações, podemos representá-lo por um ponto. Este ponto é equivalente a uma partícula com a massa do corpo e denomina-se centro de massa, CM (Fig..3). m = 0 kg CM m = 0 kg FIG..3 A bala de um canhão com movimento de translação pode ser representada por um ponto, o centro de massa (CM). Para uma partícula há dois tipos fundamentais de energia, a energia cinética, E c, associada ao seu movimento, e a energia potencial, E p, associada à sua interação com outras partículas. A energia é uma grandeza escalar (fica completamente caracterizada por um número e por uma unidade). ENERGIA CINÉTICA, E c Um corpo em movimento tem uma energia associada ao seu movimento: energia cinética, E c. A energia cinética de translação aumenta com a massa do corpo, m, e com o quadrado da sua velocidade, v. A expressão matemática que traduz essa relação é: E c = mv J joule kg quilograma m s metro por segundo No SI, as unidades em que são expressas as grandezas físicas são as indicadas no esquema anterior. QUESTÕES RESOLVIDAS. Um carro com a massa de 800 kg viaja à velocidade de 75 km/h. Calcule a sua energia cinética. Para calcular a energia cinética em unidade SI é necessário converter a velocidade para m/s. km 000 m v = 75 = 75 = 0,8 m s e E c = mv = 800 0,8 J =,7 0 5 J h 3600 s

10 80 FÍSICA 0. 0 ANO. Dois carros, um verde (B) e outro amarelo (A), movem-se no mesmo sentido numa estrada. O carro verde tem quatro vezes mais massa do B que o amarelo, mas move-se com metade da velocidade do amarelo. Como se relacionam as energias cinéticas dos dois veículos? (A) O de maior massa tem o dobro da energia cinética. m B = 4 m A (B) Como a energia cinética é a energia do movimento, o de maior velocidade tem mais energia. (C) Os dois carros têm a mesma energia cinética. (D) O amarelo tem o dobro da energia cinética do verde, pois tem o dobro da velocidade. v A = v B m A A (C). E mb v B c(b) 4m A v B 4m A v B O quociente das energias cinéticas é: = = = = ma (v B ) Ec(A) ma 4v B ma v A.3 A energia cinética de um rapaz que corre a 8 km/h é 750 J. Qual será a massa do rapaz? km 000 m v = 8 = 8 = 5 m s ; E c = mv 750 = m m = kg = 60 kg h 3600 s 5.4 Dois veículos movem-se como indica a figura. v B = 7 km/h v A = 5 m s m B =,5 0 3 kg m A = 800 kg Calcule a energia cinética de ambos os veículos. Para o veículo A: E c = mv = J =,5 0 5 J Para o veículo B, a velocidade não está em unidades SI. Então, km 000 m v = 7 = 7 = 0 m s ; E c = mv E c =, J = 3,0 0 5 J h 3600 s ENERGIA POTENCIAL, E p A energia potencial resulta da interação de um corpo com outros corpos. Diz-se que a energia potencial é uma energia armazenada, por não estar associada ao movimento mas poder provocar movimento, transformando-se em energia cinética. m Existem diversos tipos de energia potencial, consoante a natureza da interação entre os corpos (elástica, elétrica, gravítica). Por exemplo: Energia potencial gravítica: resulta da interação gravítica entre um astro e um corpo nas suas proximidades (Fig..4). Terra FIG..4 As forças entre massas originam energia potencial gravítica. h

11 DOMÍNIO Energia e sua conservação 8 A expressão que indica as grandezas de que depende a energia potencial gravítica do sistema corpo + + Terra à superfície da Terra é: E p = m g h J joule kg quilograma m s metro por segundo quadrado m metro sendo m a massa do corpo, g o módulo da aceleração gravítica (à superfície da Terra g = 0 m s ) e h a altura do corpo acima do solo. Energia potencial elétrica: resulta da interação entre cargas elétricas; para as ligações químicas é também chamada de energia potencial química (Fig..5) FIG..5 Forças entre os eletrões e os núcleos e entre diferentes núcleos originam energia potencial elétrica. Energia potencial elástica: resulta da interação elástica, associada à deformação dos corpos (Fig..6). A B FIG..6 A energia potencial armazenada na mola (A) ou no arco (B) pode provocar movimento. ENERGIA MECÂNICA, E m À soma da energia potencial, E p, com a energia cinética, E c, dá-se o nome de energia mecânica: E m = E p + E c A energia cinética pode converter-se em energia potencial e vice-versa.

12 8 FÍSICA 0. 0 ANO QUESTÕES RESOLVIDAS.5 Numa competição olímpica, uma flecha de 50 g é disparada a 34 km/h. Considere que toda a energia potencial elástica é convertida em energia cinética e despreze a massa da corda..5. Qual era a energia potencial armazenada antes de a flecha ser disparada?.5. Se a flecha fosse disparada para cima, na vertical, a que altura chegaria se toda a energia cinética fosse convertida em energia potencial gravítica? km 000 m.5. m = 50 g = 0,050 kg ; v = 34 = 34 = 65 m s h 3600 s A energia cinética com que a flecha é disparada é: E c = mv = 0, J = 06 J Como a energia potencial elástica se converteu em energia cinética, a energia potencial era E p =, 0 J..5. A energia potencial gravítica é E p = m g h. Em resultado da conversão de energia, o seu valor máximo é igual à energia cinética com que a flecha foi disparada. 06 J 06 = 0,05 0 h h = =, 0 m 0,050 0 N.6 Atirou-se uma pedra para cima, na vertical. Considerando que o sistema em estudo é constituído pela Terra e pela pedra, classifique como verdadeira (V) ou falsa (F) cada uma das afirmações seguintes. (A) Quando a pedra está a subir tem apenas energia cinética. Só depois de atingir a altura máxima é que fica com energia potencial. (B) Logo depois de sair da mão, a pedra adquire a energia potencial que a faz subir. (C) Quando a pedra está a subir, a energia cinética diminui e transforma-se em energia potencial gravítica, que, por sua vez, aumenta. (D) Durante a subida da pedra, existe apenas energia potencial gravítica. (E) Durante a descida da pedra, existe energia potencial gravítica e energia cinética. (F) Durante a subida, a energia potencial gravítica diminui e transforma-se em energia cinética, que, por sua vez, aumenta. A Falsa. Desde que a pedra suba ligeiramente acima do nível onde se encontrava já tem mais energia potencial. B Falsa. Na subida, a energia cinética vai diminuindo e a energia potencial vai aumentando. C Verdadeira. D Falsa. Desde que a pedra tenha velocidade tem energia cinética. E Verdadeira. F Falsa. A energia cinética diminui, transformando-se em energia potencial gravítica (que aumenta)..7 Uma bola, de massa 00 g, estava parada em cima de um apoio. O apoio foi retirado e a bola caiu, aumentando a sua velocidade à medida que se aproximava do solo..7. Quais foram as transformações de energia que ocorreram na queda?.7. Qual é a energia potencial gravítica da bola no nível A?.7.3 Durante a queda, de A para B, 4% da energia inicial da bola transfere-se para a vizinhança. Determine a velocidade da bola ao embater no solo. h =,5 m A B

13 DOMÍNIO Energia e sua conservação No nível A, a bola tem energia potencial gravítica mas não tem energia cinética, pois inicialmente estava parada. À medida que vai caindo a sua velocidade aumenta, pelo que adquire energia cinética e essa energia vai aumentando. Mas a energia potencial diminui, pois a altura em relação ao solo vai diminuindo. Então, na queda há uma transformação de energia potencial gravítica em energia cinética..7. m = 00 g = 0,00 kg ; g = 0 m s ; h =, 5 m E p = m g h = 0,00 0,5 J = 3,0 J.7.3 Se 4% da energia inicial da bola se transfere, a bola fica com 96% dessa energia % = = 0,96 E final = 0,96 3,0 J =,88 J. A energia final é a energia cinética. 00,88 0,00 E c = mv ; 0,00 v =,88 0,00 v =,88 v = m s = 5,4 m s A potência é a grandeza física que mede a rapidez com que a energia é transferida. A potência, P, pode calcular-se pelo quociente entre a energia transferida, E, e o intervalo de tempo que levou a transferir, t. W watt P = E t J Joule Um watt corresponde à transferência de uma energia de um joule por segundo: W = J = J s. s s segundo Uma expressão equivalente é: E = P t... ENERGIA INTERNA Um corpo parado, mesmo sem ter em conta a sua interação com outros, possui uma certa energia. Essa energia chama-se energia interna, U. A energia interna resulta das energias cinéticas de todas as partículas, E c (partículas), que constituem o corpo, e das energias associadas às interações entre elas, E p (partículas). U = E c (partículas) + E p (partículas) A Energia total = E int v Energia total = E int + m v + m g h FIG..7 A energia total de um sistema pode ser só energia interna (A) ou a soma da energia interna e da energia associada ao centro de massa do sistema (B). B A energia total do sistema que possua apenas movimento de translação é a soma da energia interna, U, do sistema com as energias cinética do centro de massa, E c (CM), e potencial do centro de massa, E p (CM) (Fig..7). E = U + E c (CM) + E p (CM) A temperatura é uma propriedade de um sistema que se mede com um termómetro. Está relacionada com a energia interna. Energia interna e temperatura não são idênticas: a energia interna depende do número de partículas e a temperatura não. Se dois sistemas tiverem a mesma temperatura, tem mais energia interna o que tiver mais partículas.