Fisica geral

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Fisica geral

  1. 1. IntroduçãoEm geral, o conceito e uso da palavra energia se refere "ao potencial inato paraexecutar trabalho ou realizar uma ação", O termo energia também pode designar asreações de uma determinada condição de trabalho, por exemplo, o calor, trabalhomecânico (movimento) ou luz. Estes que podem ser realizados por uma fonteinanimada (por exemplo, motor, caldeira, refrigerador, alto-falante, lâmpada, vento) oupor um organismo vivo (por exemplo, os músculos, energia biológica).O conceito de Energia é um dos conceitos essenciais da Física. Nascido no séculoXIX pode ser encontrado em todas as disciplinas da Física (mecânica, termodinâmica,eletromagnetismo, mecânica quântica, etc.) assim como em outras disciplinas,particularmente na Química.Energia mecânicaEnergia mecânica é, resumidamente, a capacidade de um corpo produzir trabalho.Energia mecânica é a energia que pode ser transferida por meio de força. A energiamecânica total de um sistema é a soma da energia potencial com a energia cinética.Se o sistema for conservativo, ou seja, apenas forças conservativas atuam nele, aenergia mecânica total conserva-se e é uma constante de movimento. A energiamecânica "E" que um corpo possui é a soma da sua energia cinética "c" mais energiapotencial "p".Uma força é classificada como sendo conservativa quando um trabalho realizado porela para movê-lo de um lugar a outro independentemente do percurso, isto é, docaminho escolhido. Esclarecendo: para carregar um saco de batatas e transportá-lomorro acima, o caminho escolhido pode ser mais longo, caminhando circularmente ouum caminho mais curto e reto, mas através de uma ladeira íngreme. A forçagravitacional é um tipo de força conservativa. Um exemplo de força não conservativa éa força de atrito que também é chamada força dissipativa.Há uma lei fundamental da Física que é a da conservação da energia mecânica de umcorpo: E = K + U = constante, se um corpo está sob a ação somente de forçasconservativas. Isso equivale a dizer que se a energia cinética de um corpo aumenta, aenergia potencial deve diminuir e vice-versa de modo a manter E constante.Considere que uma bola com massa m = 0,6 kg, na mão de uma pessoa está a umaaltura h = 4 m do chão. Sua energia potencial é U = mgh = 24 joules sendo g = 10m/s², a aceleração da gravidade. Nesse lugar, como a bola está parada, sua
  2. 2. velocidade = 0 e, portanto sua energia cinética também é igual à zero: K = 1/2(mv²) =0. Assim sua energia mecânica total é E = 24 J. Ao ser lançada, essa bola atinge osolo e sua altura ficará igual à zero, e sua U = 0. Como há conservação de energiamecânica, sua energia cinética ficará sendo K = 24 J. Deste valor podemos obter ovalor da velocidade instantes antes de atingir o solo: v = 8,94 m/s. Quanto maior aaltura de onde é lançada a bola, maior a velocidade atingida ao atingir o chão. Vale ocontrário, isto é, quanto maior a velocidade, maior a altura atingida.Assim, se um atleta quer saltar uma boa altura h, é preciso correr muito para atingiruma velocidade alta. É isso que fazem os atletas que praticam salto em altura, saltotríplice, saltos com evoluções em ginástica olímpica. Também pode ser dividida em:Energia Cinética, Energia Potencial Gravitacional e Energia Potencial Elástica. Aenergia mecânica é a energia de movimento.Onde:K energia cinéticaU energia potencial gravitacionalk constante elásticam massa (kg)g aceleração da gravidade (~9.8m/s²) (constante)h altura(m)v velocidade(metros por segundo)FórmulasEnergia Mecânica = Ec+ EpPara:Energia Cinética = mv2Energia Potencial Gravitacional(Epg) = mghEnergia Potencial Elástica(Epe) = kx2
  3. 3. Atenção: podem ocorrer as duas energias potenciais, então a fórmula será:Energia Mecânica = Ec+ Epe+ Epg (exemplo de energia mecânica) Energia química É a energia que está armazenada num átomo ou numa molécula. Existem várias formas de energia, mas os seres vivos só utilizam aenergia química.A Energia Química está presente nas ligações químicas. Existemligações pobres e ricas em energia. A água é um exemplo de molécula com ligaçõespobres em energia. A glicose é uma substância com ligações ricas em energia.Os seres vivos utilizam a glicose como principal combustível (fonte de energiaquímica); entretanto, esta molécula não pode ser utilizada diretamente, pois suaquebra direta libera muito mais energia que o necessário para o trabalho celular. Porisso, a natureza selecionou mecanismos de transferência da energia química daglicose para moleculas tipo ATP (adenosina trifosfato). Os primeiros seres vivoscriaram o primeiro destes mecanismos: a fermentação. A fermentação anaeróbia, alémdo ATP, gera também etanol e dióxido de carbono (CO2). A presença de CO2 naatmosfera possibilitou o surgimento da fotossíntese. Este processo fez surgir o O2(oxigênio) na atmosfera. Com o oxigênio, outros seres vivos puderam desenvolver umnovo mecanismo de transferência de energia química da glicose para o ATP: arespiração aeróbica.As reacções químicas geralmente produzem também calor: um fogo a arder é umexemplo. A energia química também pode ser transformada em qualquer forma deenergia, por exemplo em electricidade (numa bateria) e em energia cinética (nosmúsculos ou nos motores a gasolina).
  4. 4. Energia química é a energia potencial das ligações químicas entre os átomos. Sualiberação é percebida, por exemplo, numa combustão.A energia potencial química (dos alimentos) é quando nós comemos e não usamos aenergia, ou seja, ela está armazenada (não está em uso). A energia química (dosalimentos) é a energia que está em uso, sendo uma parte transformada e a outrasendo liberada para a natureza em forma de calor.A variação de energia em reações químicas sendo endoenergéticas e exoenergéticasou seja vindo de dentro ou de fora (respectivamente, absorvem ou libertam energia)está relacionada com a ruptura e formação destas ligações químicas entre os átomosdas moléculas.A título de exemplo, tome-se o caso da combustão de hidrogênio com oxigênio. Pelosdevidos cálculos, pode-se concluir que esta reação liberta 235 kJ por mol de águaformada. Rever os procedimentos abaixo.kJ mol-1 ( mil Joule por cada mol de partículas/átomos/moléculas - neste caso falamosem mol de moléculaA ruptura da ligação simples de uma molécula de hidrogênio (H-H em H2) consome436 kJ mol-1.H-H E= 436 kJ mol-1A ruptura da ligação dupla de uma molécula de oxigênio (O=O em O2) consome 499kJ mol-1.O=O E= 499 kJ mol-1A formação das duas ligações simples numa molécula de água (H-O em H2O) liberta2*460 kJ mol-1.H-O E= 460 kJ mol-1(a energia de dissociação de HO-H e H-O é diferente, pelo que este valor é a média deambos)Tomando a equação química com as devidas estequiometrias:H2 + 1/2O2 --> H2O
  5. 5. Pode-se concluir (subtraindo a energia libertada e somando a energia consumida ouabsorvida) que a variação energética é:( 436 +499/2 -2*460 ) kJ mol-1 = - 235 kJ mol-1ou seja, o sistema liberta 235 kJ por cada mol de água formada. (exemplo de energia quimica) Energia térmica Energia térmica ET é uma forma de energia que está diretamente associada à temperatura absoluta T de um sistema, e corresponde à soma das energias cinéticas Eci que suas partículas constituintes possuem em virtude de seus movimentos de translação, vibração ou rotação. Assume-se um referencial inercial sob o centro de massa do sistema. A energia térmica de um corpomacroscópico corresponde à soma das energias cinéticas de seus constituintesmicroscópicos. À transferência de energia térmica de um sistema termodinâmico aoutro se dá o nome de calor.Na maioria das reações químicas expontâneas exoenergéticas a energia inicialmentearmazenada na forma de energia potencial elétrica na distribuição eletrônica doselétrons na estrutura dos reagentes é convertida em energia térmica armazenada naspartículas dos produtos, o que martém a energia interna do sistema formado pelosreagentes e/ou produtos constante em obediência à lei da conservação da energiamas leva a um considerável aumento na temperatura absoluta do sistema como umtodo. Esta sistema aquecido é então utilizado como a fonte quente (fonte de calor) emuma máquina térmica que tenha por função transformar a energia térmica da fontequente em trabalho. No processo energia térmica acaba renegada à fonte fria.O calor na verdade é o fluxo de energia que se dá entre dois sistemas devidoexclusivamente à diferença de temperatura entre esses sistemas ou corpos.A energia térmica (e o calor) medem-se em unidade de energia: o Joule no sistema SI,ou de forma habitual a caloria.A definição de caloria é a quantidade de calor (energia) necessária para elevar em 1grama de água de 14,5 graus Celsius (oC) para 15,5oC.
  6. 6. Em linguagem matemática a energia térmica é definida como:Etermica = Σi Ec_iPara sistemas onde vale o princípio da equipartição da energia, o que corresponde àmaioria dos sistemas termodinâmicos, ela pode ser expressa por:Etermicaonde KB corresponde à constante de Boltzmann, N corresponde ao número departículas no sistema, T corresponde à temperatura absoluta do sistema e rcorresponde ao número de graus de liberdade por partícula do sistema, podendo rassumir valores entre r=9 (três graus de translação, três de rotação e três de vibração)para sistemas compostos por partículas mais complexas e r=3 nos sistemastridimensionais mais simples (compostos por partículas puntuais com três graus detranslação apenas). (exemplo de energia térmica)(exemplo de energia térmica – estufa)Energia solarEnergia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa(e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do Sol, e posterior transformaçãodessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente paraaquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica.
  7. 7. No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1 410 W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é refletido pelas nuvens. ‘ Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. As plantas utilizam diretamente essa energia no processo de fotossíntese. Nós usamos essa energia quando queimamos lenha ou combustíveis minerais. Existem técnicas experimentais para criar combustível a partir da absorção da luz solar em uma reação química de modo similar à fotossíntese vegetal - mas sem a presença destes organismos. Tipos Os métodos de captura da energia solar classificam-se em directos ou indirectos: Directo significa que há apenas uma transformação para fazer da energia solar um tipo de energia utilizável pelo homem. Exemplos:o A energia solar atinge uma célula fotovoltaica criando eletricidade. (A conversão a partir de células fotovoltaicas é classificada como directa, apesar de que a energia elétrica gerada precisará de nova conversão - em energia luminosa ou mecânica, por exemplo - para se fazer útil.)o A energia solar atinge uma superfície escura e é transformada em calor, que aquecerá uma quantidade de água, por exemplo - esse princípio é muito utilizado em aquecedores solares. Indirecto significa que precisará haver mais de uma transformação para que surja energia utilizável. Exemplo: Sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de luz do Sol. Também se classificam em passivos e activos: Sistemas passivos são geralmente directos, apesar de envolverem (algumas vezes) fluxos em convecção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica. Sistemas activos são sistemas que apelam ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a efectividade da coleta. Sistemas indirectos são quase sempre também activos. Vantagens e desvantagens
  8. 8. VantagensA energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dosequipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmentecontrolável utilizando as formas de controles existentes atualmente.As centrais necessitam de manutenção mínima.Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vemdecaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamenteviável.A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois suainstalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas detransmissão.Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável empraticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética,sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente aperda de energia que ocorreria na transmissão.DesvantagensUm painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. Aenergia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia geradapor ele.Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia.Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica(chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obrigaa que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locaisonde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul daArgentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de invernodevido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente coberturade nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordocom o grau de nebulosidade.As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quandocomparadas por exemplo aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energiahidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).
  9. 9. À semelhança de outros países do mundo, em Portugal desde Abril de 2008 umparticular pode produzir e vender energia eléctrica à rede eléctrica nacional, desde queproduzida a partir de fontes renováveis. Um sistema de microprodução ocupa cerca de30 metros quadrados e permite ao particular receber perto de 4 mil euros ano. (exemplo de energia solar – placas)(exemplo de energia solar – como ocorre)Energia nuclearEnergia nuclear é a energia liberada numareação nuclear, ou seja, em processos detransformação de núcleos atômicos. Algunsisótopos de certos elementos apresentam acapacidade de se transformar em outrosisótopos ou elementos através de reaçõesnucleares, emitindo energia durante esse processo. Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa (observado por Albert Einstein), segundo a qual durante reações nucleares ocorre transformação de massa em energia. Foi descoberta por Hahn, Straßmann e Meitner com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio comnêutrons.A tecnologia nuclear tem a finalidade de aproveitar a energia nuclear, convertendo ocalor emitido na reação em energia elétrica. Isso pode acontecer controladamente emreator nuclear ou descontroladamente em bomba atômica. Em outras aplicaçõesaproveita-se da radiação ionizante emitida.Tipos de reacoes nuclearesA reação nuclear é a modificação da composição do núcleo atômico de um elemento,podendo transformar-se em outro ou outros elementos. Esse processo ocorreespontaneamente em alguns elementos. O caso mais interessante é a possibilidade
  10. 10. de provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outrasparticulas.Existem duas formas de reações nucleares: a fissão nuclear, onde o núcleo atômicosubdivide-se em duas ou mais partículas; e a fusão nuclear, na qual ao menos doisnúcleos atômicos se unem para formar um novo núcleo.HistóriaErnest Rutherford, o descobridor do núcleo atômico, já sabia que esses poderiam sermodificados através de bombardeamento com partículas rápidas. Com a descobertado nêutron ficou claro que deveriam existir muitas possibilidades dessas modificações.Enrico Fermi suspeitava que o núcleo ficaria cada vez maior acrescentando neutrons.Ida Noddack foi a primeira a suspeitar que "durante o bombardeamento de núcleospesados com nêutrons, esses poderiam quebrar em pedaços grandes, que sãoisótopos de elementos conhecidos, mas não vizinhos dos originais na tabela periódica"A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 eexplicada por Lise Meitner e Otto Frisch (ambos em exílio na Suéçia) logo depois, coma observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.A primeira reação em cadeia foi realizada em dezembro de 1942 em um reator degrafite de nome Chicago Pile 1 (CP-1), no contexto do projeto "Manhattan" com afinalidade de construir a primeira bomba atômica, sob a supervisão de Enrico Fermi naUniversidade de Chicago.Vantagens e desvantagensA principal vantagem da energia nuclear obtida por fissão é a não utilização decombustíveis fósseis. Considerada como vilâ no passado, a Energia Nuclear passougradativamente a ser defendida por ecologistas de renome como James E. Lovelockpor não gerarem gases de efeito estufa. Estes ecologistas defendem uma viradaradical em direção à energia nuclear como forma de combater o aquecimento global.Desvantagens:Residuos radioativos (pop.: Lixo atômico)Considere-se que já uma quantidade de 300 gramas de Plutônio 239 finamenteespalhada pelo globo terreste levaria a extinção da população humana ao longo prazo.Em um ano, um reator nuclear de 1200 MW produz 265 kg desse material, que temmeia-vida é de 24.000 anos.
  11. 11. AcidentesO acidente no reator de Chernobyl (ex-URSS) contaminou radioativamente uma áreade aproximadamente 150.000 km² (corresponde mais de três vezes o tamanho doestado do Rio de Janeiro), sendo que 4.300 km² possuem accesso interditadoindefinitamente. Até 180 quilómetros distantes do reator situam-se áreas com umacontaminação de mais de 1,5 milliões de Becquerel por km², o que deixá-las de fatoinabitáveis por milhares de anos.SegurançaA Organisação Mundial de Energia Nuclear alerta que terroristas podiam comprarresiduos radioativos, por exemplo de países da ex-USSR ou de países com ditaturasque usam tecnologias nucleares como Irã ou Coreia-Norte e construir uma assímchamada "bomba suja".Quanto fácil é desviar materiais altamente radioativos mostra o exemplo do acidenteradiológico de Goiânia no Brasil em 1987 onde foi furtado uma pedra de sal de decloreto de Césio-137, um isótopo radioativo, de um hospital abandonado.Gases de estufaA produção de gases de estufa de uma usina núclear comum está de 3 a 6 vezesmaior comparada com a energia hídrica e éolica, considerando o processo todonecessário para operá-la. (A produção de gases de estufa de uma usina de carvãotem um fator de 80.) (exemplo de energia nuclear - Bomba atômica)(simbolo usado para indentificar algo comonuclear)
  12. 12. ConclusãoA utilização de energia tem sido crucial para o desenvolvimento da sociedade humanaao ajudá-la a controlar e a adaptar-se ao meio ambiente. Gerir o uso da energia éinevitável em qualquer sociedade funcional. No mundo industrializado odesenvolvimento de recursos energéticos tem se tornado essencial à agricultura,transportes, recolha de desperdícios, tecnologia da informação, telecomunicações quesão hoje pré-requisitos de uma sociedade desenvolvida. O uso crescente de energiadesde a Revolução Industrial trouxe consigo um número de problemas sérios, algunsdos quais, como o aquecimento global, apresentam riscos potencialmente graves parao mundo. Existem varios tipos de energia cada um com um objetivo, com um cargo.

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