Física e Química A

Física e Química A

terça-feira, 15 de fevereiro de 2011

Revisões de Física A 10º ano


Unidade 0 - Das Fontes de Energia ao Utilizador

0.1 Situação Energética Mundial


Fontes de Energia não renováveis:
Combustíveis Fósseis (Petróleo, Carvão, Gás natural)
Combustíveis Nucleares (Urânio, Plutónio)

Fontes de Energia renováveis:
Hídrica
Eólica
Geotérmica
Ondas e Marés
Biomassa
Biogás
Resíduos Sólidos Urbanos
Sol

Fig.1 Utilização de Fontes de Energia em Portugal em 2003.



Energia Total Fornecida:
Eforn = Eútil + Ediss

Rendimento:
η = (Eútil / Efonr) * 100

Fig.2 Transferências de Energia




0.2 Conservação da Energia



Sistema Aberto: Podem ocorrer trocas de matéria e energia.
Sistema Fechado: Só podem ocorrer trocas de Energia.
Sistema Isolado: Não podem ocorrer trocas nem de matéria nem de Energia com o exterior.

Lei da Conservação da Energia: A Energia de um Sistema Isolado mantém-se constante.


Centro de Massa: Ponto ao qual se associa toda a massa do sistema. Só podemos reduzir o sistema a uma partícula quando a sua constituição não interessa.


Energia Cinética:



Energia Potencial:
Ep = mgh
Energia Mecânica:
Em = Ep + Ec


Energia total do Sistema:
Etotal = Einterna + Ep do CM + Ec do CM
E = Eint + Ep + Ec



Processos de Transferência de Energia:
Calor (E transferida entre sistemas a Tmpt diferentes quando postos em contacto térmico).
Trabalho (E transferida por acção de forças q a vizinhança exerce sobre um sistema).
Radiação (E transferida através da propagação de luz).


Energia Transferia através de Calor:
Q = m c ∆T


Potência: Rapidez com que se dá uma transferência de energia.
600 W: Transferência de 600J de energia por segundo.
P = E / ∆t

Potência dissipada por Efeito de Joule:
P = V * I




Unidade 1 - Sol e Aquecimento

1.1 Energia - Do Sol para a Terra


Onda: Propagação de uma perturbação.


Fig.3 Evolução no espaço de uma onda.




Fig.4 Evolução no tempo de uma onda.




Amplitude (A): Distância do pico da onda ao nível de equilíbrio.

Comprimento de onda (λ): Distância entre os dois pontos mais próximos em condições idênticas.

Período (T): Tempo de um ciclo completo.

Frequência (f) : Número de ciclos efectuados por uma partícula numa unidade de tempo.


Frequência de uma onda:
f = 1 / T (Hz)
f = v / λ



Velocidade:
v = λ / T (m/s)

Comprimento de onda:
λ = v / f (m)


Energia de uma onda depende da sua amplitude e frequência.

Ondas com a mesma amplitude: Tem maior energia a que tiver maior frequência ou menor comprimento de onda.
Ondas com a mesma frequência ou mesmo comprimento de onda: Tem maior energia a que tiver maior amplitude.


Fig.5 Conjunto das radiações Electromagnéticas.






Radiação Incidente divide-se em Radiação Reflectida, Radiação Absorvida e Radiação Transmitida.



Fig.6 Radiação Incidente


Constante Solar: Radiação solar que incide perpendicularmente no topo da atmosfera terrestre, em todos os comprimentos de onda.
Constante Solar = 1370 W/m^2


Albendo: Percentagem de Radiação reflectida pelo planeta.
Albendo da Terra = 30%
                                        20% pelas núvens;
                                        6% pela atmosfera;
                                        4% pelas superfície.

Energia do Sol recebida pela Terra:
30% é reflectida (albendo);
19% é absorvida pela atmosfera;
25% é transmitida (radiação directa do Sol);
26% é transmitida (radiação que é reflectida e dispersa para a superfície da Terra pelas nuvens e pela atmosfera).


Fig.7 Distribuição Aproximada da Radiação incidente na Terra.



Fig.8 Camadas da Atmosfera





Sistema Mecânico: É composto por massas, mola e amortecedores, conectados entre si, ou a uma estrutura fixa.
Ex: Pêndulo de um relógio; Sol no seu movimento.

Sistema Termodinâmico: É uma região precisa do Universo que é estudada usando os princípios da Termodinâmica.
Ex: Gás contido numa Garrafa; Sol como fonte de Energia.


Espectro de Radiação Térmica: Espectro Contínuo que é o resultado da emissão de radiação.


Corpo Negro:
Corpo Ideal;
Absorsor perfeito (Absorve tudo);
Emissor perfeito (o que mais emite);
Radiação que emite não depende da sua constituição ou forma;
Intensidade máxima de emissão para um comprimento de onda bem definido, o qual depende da sua temperatura;
Intensidade da sua emissão tende para zero para comprimentos de onda pequenos e para comprimentos de onda grandes;
Estrelas são uma boa aproximação de um corpo negro.


Fig.9 Espectro de Radiação térmica de um corpo negro a 5800K.




Intensidade total da radiação: Área por baixo da curva do espectro de radiação térmica do corpo negro.

Intensidade total da radiação emitida por um corpo negro:



Lei de Stefan-Boltzmann: A intensidade total da radiação emitida por um corpo negro varia com a quarta potência da Tmpt absoluta.

Intensidade da Radiação: Energia emitida por unidade de tempo e por unidade de área, ou seja, potência por unidade de área.
I = E / (A * ∆t)
I = P / A

Potência total da Radiação Emitida pelo Corpo Negro:



Energia Emitida pelo Corpo Negro num dado Intervalo de Tempo:
Se T = 0k --> E = 0j



Lei de Stefan-Boltzmann para corpos reais:



Emissividade: Reflector Perfeito --> e = 0
                         Absorsor Perfeito --> e = 1


Quanto maior a emissividade de um corpo, mais radiação absorve e mais radiação emite.



Fig.10 Espectros de Radiação térmica para corpor negros às Temprraturas 7000K, 5800K, 3200K.




Quanto maior for a temperatura do corpo negro maior será a intensidade de radiação emitida.



Lei de Wien: O comprimento de onda a que corresponde a intensidade máxima da radiação varia inversamente com a temperatura absoluta.
λmáx = B / T
B = 2,898 × 10­^3 m K



Fig.11 Alteração da cor de um corpo com o aumento de temperatura.





Objecto luminoso: Mesmo no escuro é visível pq emite radiação visível.

Objecto comum: Torna-se visível quando iluminado e a sua cor resulta da reflexão de luz visível. Por isso, a sua cor é o resultado da luz visível reflectida e não da luz emitida!



Lei Zero da Termodinâmica: dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo ficarão em equilíbrio térmico um com o outro.



Variação de energia interna de um sistema, devida unicamente à radiação:


Equilíbrio térmico: ∆I = 0



1.2 Energia no Aquecimento/Arrefecimento de Sistemas

Condução Térmica: Os corpúsculos (átomos, iões, moléculas) que constituem o objecto, ao receberem energia, agitam-se mais (mas afastam-se pouco das suas posições de equilíbrio), propagando-se a agitação aos outros corpúsculos ao longo do objecto. Ocorre nos sólidos.

Convecção Térmica: A transferência da energia dá-se por deslocamentos de partes do fluido de um lugar para outros devido a diferenças de massa volúmica entre partes do sistema. Ocorre nos líquidos e gases (que se designam, em geral, por fluidos).

Correntes de convecção na renovação do ar: As correntes de convecção são importantes para a renovação do ar junto ao solo e a eventual dispersão de gases poluentes provenientes de veículos e de fábricas.
Ar frio desce.
Ar quente sobe.


Fig.12 Esquema da circulação do ar na atmosfera junto ao solo.





Inversão térmica: O ar junto ao solo está mais frio do que o ar das camadas superiores. Neste caso, não há correntes de ar verticais e os gases poluentes ficam «aprisionados» junto ao solo. Esta situação é potencialmente perigosa quando ocorre em grandes cidades industriais.


Corrente térmica: Energia transferida como calor, por unidade de tempo.
(J/s)



Fig.13 Barra metálica de comprimento l e secção A com as duas extremidades a temperaturas diferentes.




Lei de Fourier (Condutividade térmica de uma barra):
- É directamente proporcional à diferença de temperatura, ∆T, entre as extremidades;
- É directamente proporcional à área da secção recta da barra, A;
- É inversamente proporcional ao comprimento da barra, l;
- Depende da condutividade térmica, k.


Corrente térmica:
  (J /s)



Condutividade térmica (k) = 80 joules por segundo, por metro e por kelvin: Transferem-se 80 joules em cada segundo e por metro quadrado de secção de uma extremidade para outra de uma barra com um metro de comprimento, se a diferença de temperatura entre as duas extremidades for de 1 kelvin (ou 1ºC).



Fig.14 Condutividades térmicas de alguns materiais.








Colector solar: Aproveita a radiação solar para aquecer fluidos.


Fig.15 Componentes de um Colector Solar.





Painéis Fotovoltaicos: Utilizam a radiação solar para produzir electricidade com baixo rendimento (12 a 16%). Formados por Célula Fotovoltaica (semicondutor).

Radiação --> Célula Fotovoltaica --> Energia transferida para os electrões --> Corrente eléctrica contínua --> Corrente eléctrica mantém-se enquanto houver luz a incidir na célula.




1º Lei da Termodinâmica (Lei da conservação da Energia): A variação da Eint de um sistema é igual à Energia transferida de e para o mesmo sistema.
∆Eint = W + Q + R


Energia Interna (Propriedade do sistema): Varia se entrar ou sair energia através da fronteira do sistema como trabalho, calor ou radiação.
Energia que entra: + (aumenta a Eint)
Energia que sai: - (diminui a Eint)

Variação da Energia Interna de um Sistema Isolado:
∆Eint = 0

Variação da Energia Interna de um Sistema:
∆Eint = W + Q + R



Variação do Volume:
Se o volume do sistema diminuir, a energia interna do sistema aumentará.
Se o volume do sistema aumentar, a energia interna do sistema diminuirá.




Capacidade térmica mássica (c): Características térmicas de cada material (Substância).

Capacidade Térmica (C): Diz respeito às características do corpo.
C = m c


Energia fornecida a pressão constante:
E = m c ∆T
E = C ∆

Quanto maior for a capacidade térmica (C) de um corpo menor é a sua variação de temperatura para a mesma energia transferida.


Fig.16 Capacidades Térmicas Mássicas de alguns materiais.






Durante uma mudança de estado a temperatura não varia.

Variação da Entalpia: Energia que tem de ser fornecida a uma sistema para que este passe da fase sólida para a fase líquida.
E = m ∆H


Fig.17 Mudanças de fase de uma certa massa de água.




2º Lei da Termodinâmica (Lei da não diminuição da Entropia): ­ A entropia de um sistema isolado não pode diminuir. A entropia do Universo nunca diminui.

Fenómenos irreversíveis: Entropia aumenta.
Sistemas isolados: Evoluem no sentido da desordem.
Dois corpos com temperaturas diferentes em contacto térmico: Entropia do sistema aumenta.




Unidade 2 - Energia e Movimentos


2.1 Transferências e Transformações de Energias


Fig.17 Utilização de Energia proveniente da gasolina num automóvel.



Rendimento do automóvel é menor ou igual a 25%.


Motores turbo: Gases de escape antes de serem expelidos, são reaproveitados para fazer rodar uma turbina que, por sua vez, faz funcionar um compressor do ar de admissão. Esta compressão permite uma maior potência, pois «queima-se» mais combustível em cada ciclo do motor.

Injectores: permitem um melhor aproveitamento do combustível, extraindo o máximo de energia da mesma quantidade de matéria-prima.




Movimento num sistema mecânico:
Translação
Rotação
Translação + Rotação


Corpos Rígidos: Corpos formados por partículas que mantêm as suas posições relativas durante o movimento. Nos movimentos de translação destes corpos todas as suas partículas têm a mesma velocidade.


Centro de Massa: Ponto a que se associa toda a massa e onde se aplicam as forças que actuam sobre o sistema.
Massa = massa do corpo;
Vel = vel das partículas;
Só tem movimento de translação;
Não interessa a ∆Eint.


Força Resultante: Soma de todas as forças que actuam no corpo. 


Limitações do uso do Centro de Massa:
Não se podem estudar os movimentos de rotação nem as deformações;
Não se podem estudar as variações de energia interna do sistema.


Força Constante: Mantém o seu valor, direcção e sentido.



Fig.18 Livro assente sobre uma mesa representado por um ponto.





Peso ou Força gravítica:
Fgrav = m g


Trabalho de uma força constante:
W = F * d


W = 1J: Trabalho realizado por uma força de 1N quando se desloca o seu ponto de aplicação de 1m na direcção e sentido da força.


Força aplicada no Centro de Massa:
Sentido do Deslocamento = Sentido da Força (W > 0; aumento Ec);
Sentido do Deslocamento oposto ao Sentido da Força (W < 0; diminui Ec);
Sentido do Deslocamento perpendicular ao Sentido da Força (W=0).



Fig.19 Decompor uma força num referencial.

F = Fx + Fy



Componente eficaz: Componente de uma força segundo a direcção do deslocamento.


Fig. 20 Força eficaz.

Fef = Fx


Trabalho de uma força constante:









Fig. 21 Trabalho Potente, Resistente e Nulo.

Potente                      Resistente                  Nulo



Potência de uma Força:
P = W / ∆t


Rendimento:
η = (Pútil / Pfonr) * 100
Pforn > Pútil





Fig. 22 Forças num Plano Inclinado.











Reacção Normal (N): Não realiza trabalho (perpendicular ao deslocamento).

Trabalho da Força Eficaz:
WAB = Fef * d
WAB = m g cos α d
como cos α = h/d
WAB = m g h



Num plano inclinado:
Trabalho realizado pelo peso quando o corpo desce: W = m g h (h = d sin α)
Trabalho realizado pelo peso quando o corpo sobe: W = - m g h (h = d sin α)
Trabalho no peso não depende da distância depnde apenas da altura.



Inclinação de 10%: Desce ou sobe 10m por cada deslocamento de 100m.
sin α = 10% = 0,10



Força de atrito constante: W atrito é sempre negativo (diminui a Ec do sistema).




2.2 Energia de Sistemas com Movimento de Translação


Lei do Trabalho-Energia: A variação da energia cinética de uma partícula é igual à soma dos trabalhos ralizados por todas as forças que actuam nessa partícula:
∆Ec = Wtotal




Variação da Energia Potencial Gravítica:
∆Ep = - W(Fgrav)
∆Ep = - m g h
Ep = m g h



Trabalho de uma força conservativa ao longo de uma trajectória fechada = 0.
Trabalho é independente da trajectória.
Ex: Força gravítica.

Trabalho das Forças Conservativas:
Wfc = - ∆Ep
Wfc + Wfnc = ∆Ec


Se só houver forças conservativas ou Wfnc = 0:
Wfc = ∆Ec
Wfc = - ∆Ep
Ec + Ep = Em
∆Em = 0


Sistema conservativo:
∆Em = 0


Forças Não Conservativas: Trabalho não é independente da trajectória.
Ex: Forças de atrito cinético.

Trabalho das Não Forças Conservativas:
Wfnc = ∆Em
Wfc + Wfnc = ∆Ec



Forças dissipativas: Realizam sempre trabalho negativo.
Ex: Forças de atrito.


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