Conservação de Energia

Sistemas físicos

Um sistema físico é uma porção do universo que escolhemos para analisar e estudar.

O que é um sistema físico?

Sistema

Fronteira

Exterior

Sistema

Um sistema físico é um corpo, ou conjunto de corpos, limitado por uma fronteira real ou imaginária.

Fronteira e Vizinhança

Como se pode identificar o sistema “Terra”?

- Fronteira – superfície do planeta (Real).

- Vizinhança pode ser:

- a atmosfera terrestre.

- o espaço exterior com todos os astros.

Se a Terra for o objecto de estudo, então é um sistema com 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.

Fronteira e Vizinhança

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.

Fonte e Receptor de Energia

- Fonte de energia –

- Receptor de energia –

pilha

lâmpada

Fonte, receptor e transferência de energia

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.

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.

Formas fundamentais de energia

Energia cinética

As diferentes designações atribuídas à energia correspondem apenas a:

duas formas fundamentais de energia:

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.

Energia potencial

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.

Energia potencial

O sistema de corpos electrizados têm energia potencial eléctrica.

Energia potencial

O sistema de iman-pregos e iman limalha de ferro têm

energia potencial magnética.

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.

Energia potencial

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.

Alpinismo Bungee-Jumper

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.

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.

Quanto maior for a massa maior é a energia potencial gravítica.

Quanto maior for a altura maior é a energia potencial gravítica.

A energia potencial gravítica depende de quê?

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.

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!

Evidencias macroscópicas da energia cinética

Translação

Translação e rotação

Translação e rotação

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.

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.

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.

Energia cinética e energia potencial A energia cinética depende da massa e da velocidade.

Maior massa

Maior velocidade

Maior energia cinética

A energia potencial gravítica depende da massa e da altura.

Maior massa

Maior altura

Maior energia potencial gravítica

A energia potencial elástica depende da deformação.

Maior deformação Maior energia potencial elástica

Energia Mecânica

A energia mecânica de um sistema num dado referencial é a soma da energia cinética (Ec)

macroscópica do sistema nesse referencial e da sua energia potencial (Ep).

Energia Mecânica

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.

A energia mecânica de um sistema é devida:

Energia Mecânica Escolhe, entre as afirmações seguintes, a única

que é falsa (F)

F

Energia Interna A energia interna de um sistema macroscópico é a soma das energias cinética e potencial dos seus corpúsculos. Representa-se simbolicamente por Ei.

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;

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.

Temperatura

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

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.

Escalas de Temperatura

Escalas de Temperatura

Trabalho calor e potência

Física

Energia

Potência Trabalho

Energia

Calor Radiação

Trabalho Mecânico

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

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.

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

Trabalho realizado por uma força constante

Exercício

.

Calor sob o ponto de vista físico

Exemplos nos quais o aquecimento provém da

transformação de Em em calor

Esfregar as mãos; Travagem dos carros; Compressão do ar nos pneus; Marteladas que ocorrem com choques mecânicos;

Calor

Fonte de calor

Qualquer sistema que esteja mais quente que a sua

vizinhança.

É a energia interna que se transfere entre corpos a temperaturas diferentes.

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.

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

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.

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

Calor

ΔEi = m c ΔT

Tf >Ti o corpo recebe calor (Q>0)

Ti>Tf o corpo cede calor (Q<0)

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?

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.

EnergiaPotência

Tempo

É uma

grandeza

escalar

Potência e Energia

Potência

Energia

EP

t E P t

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.

A unidade SI de potência chama-se Watt, símbolo W, em homenagem

ao inventor James Watt.

James Watt 1736-1819

James Joule 1818-1889

Unidade SI de energia

No sistema internacional de unidades:

E P t

J W s

1 J = 1 W x 1 s

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 = 3 600 000 J

Outras Unidades de Energia Quando queremos falar em valores energéticos de

alimentos utilizamos a caloria.

A caloria relaciona-se com o Joule da seguinte forma:

1 cal = 4,18 J

1 kcal = 4 180 J

1 kcal = 4,18 kJ

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

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).

Qual a potência necessária?

1. Um secador de cabelo de potência 1200W funciona durante 20 s.

Calcula a energia recebida pelo secador.

Exercício:

2. Se a energia recebida pelo secador for de 30 kJ, durante quanto tempo esteve a funcionar o secador?

Exercício:

A intensidade da resultante das forças que atuam no elevador é 2,15 x 104 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?

Exercício:

Como podemos identificar Transferência de energia entre sistemas?

As transferências de energia entre sistemas pode identificar-se de três maneiras diferentes:

Trabalho

Calor

Radiação

Quando atuam forças que deslocam o seu ponto de aplicação.

Se houver transporte de energia por ondas eletromagnéticas.

Se houver transferência de energia entre corpos.

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 fornecida

Energia dissipada

Energia útil

Sistema

Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro?

Exemplo 1:

Energia armazenada no motor

Energia dissipada no aquecimento das

peças do motor, etc.

Energia utilizada para o movimento

Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro?

Energia utilizada para aquecer o

ambiente

Energia dissipada sob a forma de luz

Energia dissipada pela chaminé

Energia armazenada na lenha

Será que alguma energia se perde ao ser transferida de um sistema para outro?

Exemplo 2:

Princípio da Conservação da Energia

Podemos concluir que numa transferência de energia:

fornecida útil dissipadaE E E

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.

Exercício Completa o diagrama de energia para uma lâmpada de incandescência em funcionamento:

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?

Energia dissipada sob a forma de calor

Energia radiante

Energia eléctrica

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 começa-se por identificar os extremos da cadeia.

Em seguida, identificam-se os sucessivos sistemas e a sua vizinhança.

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.

Lei da conservação Balanços energéticos

EXEMPLO 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

Nome da

vizinhança

de S

Sistema

S

Sistema

S´

80 J 70 J

10 J

80 J = 70 J + 10 J 80 J – 70 J -10 J = 0

Exercício