Química e Física dos Materiais IQuímica e Física dos Materiais I

Tópicos de Física– Grandezas e unidades físicas

– Ondas eletromagnéticas

– Estrutura da matéria

Jorge Miguel Sampaio

Endereço eletrónico: jmsampaio@fc.ul.pt

Gabinete: C8.5.19

Precedências (matemática)Precedências (matemática)Operações com números

Operações com números reais:Inteiros, Racionais e irracionais (positivos e negativos)Operações com frações;Raiz de um número (quadrada, cúbica, ...)Operações com potências (quadrado, cubo, …)

GeometriaCálculo de áreas e perímetros de figuras geométricas;Cálculo de volume de sólidos geométricos.

TrigonometriaTeorema de Pitágoras;Círculo trigonométrico;Funções trigonométricas (sen(x), cos(x), tan(x), cot(x));

Equações1º grau e regras de proporcionalidade;

2º grau (fórmula resolvente);

Precedências (física)Precedências (física)Movimento e forças

Posição;Velocidade;Aceleração;Quantidade de movimento = momento linear;Noção de força;Trabalho de uma força;Leis de Newton;Energia cinética;

Eletricidade e magnetismoIntensidade da corrente elétrica;Potencial elétrico;Resistência elétrica;Energia e potência elétrica;

Estrutura atómica Modelo da nuvem atómica

Configuração eletrónica Número atómico

Número de massa e isótopos Tabela periódica

Grandezas e Unidades FísicasGrandezas e Unidades Físicas

Newton (1795-1805), William Blake

Jorge Miguel Sampaiojmsampaio@fc.ul.pt

Teorias e experiênciasTeorias e experiências

O objetivo da física é desenvolver teorias baseadas em experiências que

permitam descrever propriedades mensuráveis dos sistemas físicos;

Uma teoria física é um modelo matemático sobre o funcionamento do

sistema físico;

Uma boa teoria física deve fazer previsões sobre o comportamento do

sistema físico em determinadas condições;

As experiências/observações avaliam se as previsões estão corretas;

Todas as teorias físicas são work in progress.

1. O que é uma grandeza física?1. O que é uma grandeza física?

É uma propriedade de um objeto ou substância que pode ser quantificada

e medida;

Uma grandeza física expressa-se pelo produto de um valor numérico e

uma unidade de medida;

Associada a uma grandeza física deve existir um instrumento ou conjunto

de instrumentos de medida que a possam medir;

As unidades de uma grandeza física expressam-se num determinado

sistema de dimensões.

ExemploExemplo

Hill house chair (1903), R. Mackintosh

Grandeza física Valor numerico Unidade

Altura 1.4 m

Largura 42 cm

Profundidade 350 mm

Dimensões: comprimento

Grandeza Grandeza físicas e instrumentos de medida físicas e instrumentos de medida (exemplos)(exemplos)

Grandeza física Instrumento de medida

Comprimento Régua, fita-métrica, odómetro, ...

Massa Balança

Tempo Cronómetro

Temperatura Termómetro

Corrente eléctrica Amperímetro

Intensidade luminosa Fotómetro

Pressão (atmosférica) Barómetro

Húmidade (do ar) HigrómetroEtc... Etc..

Dimensões físicasDimensões físicas fundamentaisfundamentais

Definem-se 7 dimensões físicas fundamentais:

• Comprimento (L);

• Massa (M);

• Tempo (T);

• Temperatura (Θ);

• Corrente elétrica (I);

• Quantidade de matéria (N);

• Intensidade luminosa (J).

Todas as outras dimensões físicas podem ser construídas a partir destas.

Dimensões físicas derivadas (exemplos)Dimensões físicas derivadas (exemplos)

• Área = LxL=L2;

• Volume = LxLxL=L3;

• Velocidade = L/T;

• Aceleração = v/T=L/T2;

• Densidade (mássica) = M/Volume = M/L3;

• Luminância (brilho) = J/Área = J/L2;

• Carga elétrica = I x T;

• Energia = MxL2/T2;

• Potência = Energia/T = ML2/T3;

• Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = ML2/(IT3);

• Etc...

Exercícios de revisão IExercícios de revisão IRelacione as dimensões das seguintes grandezas físicas com as

dimensões fundamentais, tendo em conta as equações físicas:

• Lei fundamental da dinâmica: F = ma (= massa x aceleração);

• Momento linear: p = mv (= massa x velocidade);

• Trabalho de uma força: W = Fd (= força x distância);

• Energia cinética de um corpo: E = mv2/2;

• Pressão sobre um corpo: P=F/S (força a dividir pela área);

• Resistência eléctrica: R =V/I (= tensão a dividir pela corrente);

• Entropia: S = Q/T (= energia transferida a dividir pela temperatura);

• Campo elétrico: E = V/d = F/q (= tensão a dividir pela distância = força

a dividir pela carga).

Análise dimensionalAnálise dimensionalÉ um método que permite verificar se uma relação entre duas grandezas

físicas é correta do ponto de vista dimensional. Consideremos a relação

Y = aX + b

onde Y = “alhos” e X = “bugalhos”

Não se pode misturar “alhos” e “bugalhos”, logo:

b = “alhos”

a = “alhos”/”bugalhos”

E se a relação fôr

Y = a x2 - b ?

2. Sistemas de unidades físicas2. Sistemas de unidades físicasQuando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é

necessário especificar a unidade em que ela foi medida.

Quantos giraçois existem nesta versão de V.

van Gogh?

Respostas:

15;

1.25 (1 e ¼);

1.5 (1 e ½).

2. Sistemas de unidades físicas2. Sistemas de unidades físicasQuando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é

necessário especificar a unidade em que ela foi medida.

Quantos giraçois existem nesta versão de V.

van Gogh?

Respostas:

15 giraçóis;

1.25 dúzias de giraçóis;

1.5 dezenas de giraçóis

Sistema Internacional (S.I.)Sistema Internacional (S.I.)

É forma moderna do sistema métrico e foi estabelecido em 1960 (é também

conhecido por sistema MKS). As suas unidades fundamentais são:

• Comprimento: L = m (metro);

• Massa: M = kg (quilograma);

• Tempo: T = s (segundo);

• Temperatura: Θ = K (kelvin);

• Corrente eléctrica: I = A (ampère);

• Quantidade de matéria: N = mol (mole);

• Intensidade luminosa: J = Cd (candela).

O quilogramaO quilograma

A história do sistema métrico está intimamente ligada à história da

Revolução Francesa e da expansão do iluminismo na Europa. Na versão

atual do S.I. todas as unidades fundamentais são definidas a partir de

propriedades físicas conhecidas: velocidade da luz no vácuo, transições

atómicas, temperatura de fusão da água, etc... O quilograma é única

unidade cuja definição refere-se a um artefacto (objeto construído pelo

homem) desde 1875.

Quilograma padrão, BIPM(liga de platina (90%) e irídio (10%))

O kelvinO kelvin

O kelvin é a unidade do S.I. para a grandeza temperatura. A temperatura 0 K

corresponde ao zero absoluto, isto é, à situação em que não existe qualquer tipo de

energia térmica no meio material.

Temperatura kelvin Graus centígrados

GrausFarenheiht

Símbolo K ºC ºF

Zero absoluto 0 -273.15 -459.67

Ponto de congelamento da

água273.15 0 32

Ponto de ebulição da água

373.15 100 212

Unidades físicas derivadas no S.I.Unidades físicas derivadas no S.I.• Área = 1 m x 1 m = m2 (metro quadrado);

• Volume = 1 m x 1m x 1m = m3 (metro cúbico);

• Velocidade = 1m / 1 s = m/s (metro por segundo);

• Aceleração = (1 m/s)/1 s= m/s2 (metro por segundo quadrado);

• Densidade (mássica) = 1 kg/1 m3 = kg/m3 (quilograma por metro cúbico);

• Luminância (brilho) = 1 Cd/1 m2 = Cd/m2 (candela por metro quadrado);

• Carga elétrica = 1 A x 1 s = C (coulomb);

• Energia = 1 kg m2/s2 = J (joule)

• Potência = 1 kg m2/s3 = 1 J/s = W (watt)

• Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = 1 J/C = V (volt);

• Etc...

Exercícios de revisão IIExercícios de revisão IIEscreva no S.I. as unidades das seguintes grandezas físicas;

• Força (F=ma);

• Momento linear (p=mv);

• Trabalho de uma força (W=Fd);

• Energia cinética de um corpo (E=mv2/2);

• Pressão sobre um corpo (P=F/S);

• Resistência elétrica (R=V/I);

• Entropia (S=Q/T);

• Campo elétrico (E=V/d=F/q).

Unidades derivadas do S.I. com nome Unidades derivadas do S.I. com nome especialespecial

Grandeza física Nome da unidade

Símbolo Relação c/ unidades S.I.

Força newton N kg m/s2

Energias, trabalho, calor joule J kg m2/s2 = CV = W s

Potência watt W kg m2/s3 = VA = J/s

Carga eléctrica coulomb C As

Potencial eléctrico volt V kg m2/(As3) = J/C = W/A

Pressão pascal Pa kg /(ms2) = N/m

Resistência eléctrica ohm Ω kg m2/(A2s3) = V/A

Frequência hertz Hz 1/s = s-1

Sistema cgsSistema cgs

É um sistema cujo uso tem vindo a diminuir e baseia-se nas seguintes unidades

básicas (mecânica):

Comprimento: L = cm (centímetro);

Massa: M=g (grama);

Tempo: T = s (segundo).

Exemplos de unidades derivadas são:

Força: 1 dyne = 1 g cm/s2

Energia: 1 erg = 1 g cm2/s2

3. Conversão entre unidades3. Conversão entre unidades

Grandeza física Conversão SI para cgs

Força 1 N = 100000 dyne = 105 dyne

Energia 1 J = 10000000 erg = 107 erg

Número Potência de 10

Prefixo Símbolo

0.00000000001 10-12 “pico” p

0.00000001 10-9 “nano” n

0.000001 10-6 “micro” μ

0.001 10-3 “mili” m

1 100 - -

1000 103 “quilo” k

1000000 106 “mega” M

1000000000 109 “giga” G

1000000000000 1012 “tera” T

Exercícios de revisão IIIExercícios de revisão IIIEscreva usando potências de 10 os valores seguintes em unidades SI:

• l=1.23 pm (picómetros)

• m=34765 g (gramas);

• 1 hp (cavalos)=0.746 kW (kilowatts);

• 1 atm (atmosfera) = 101325 Pa (pascal);

• 1 bar (bar)= 0.1 MPa (megapascal);

• R = 0.1 mΩ (miliohms);

• I=1.2 μA (microampères);

• c (velocidade da luz no vácuo) = 299.792458 km/s

• f=89.5 MHz (megahertz)

Potências de 10Potências de 10

Powers of ten, Charles and Ray Eames (1977)