O que energia Antes de definir o que

O que é energia? Antes de definir o que é energia vamos relembrar algumas unidades de medidas.

Prefixo Símbolo potência yotta У 1024 zetta Z 1021 exa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hecto h 102 deca da 101 deci d 10 -1 centi c 10 -2 mili m 10 -3 micro μ 10 -6 nano n 10 -9 pico p 10 -12 femto f 10 -15 atto a 10 -18 zepto z 10 -21 yocto y 10 -24 Grandezas Fundamentais - Unidades Básicas do SI Grandeza Nome Símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Comprimento: a)1 km = 10³m b)1 cm = 10 -²m c)1 mm = 10 -³m Massa: a)1 kg = 10³ g b)1 g = 10 -³ kg c)1 mg = 10 -³g Tempo: a) 1 hora = 60 min = 60. 60 s = 3600 s b)1 ano = 365 dias = 365. 24 h =365. 24. 60 min = 365. 24. 60 s

Energia, uma presença universal Ø Afinal, o que é energia? Energia é um conceito muito abstrato, que abrange uma série de fenômenos distintos entre si. Mesmo sem conhecer uma definição nós temos uma ideia do que seja energia: quando estamos em nossa casa e todas luzes se apagam de repente, pode ser por falta de energia; o sol, a biomassa, os combustíveis fósseis, o campo gravitacional…são fontes de energia. A energia se manifesta no universo sob as mais diferentes formas e, por isso, recebe diferentes nomes: luz (energia luminosa ou eletromagnética), som (energia sonora), calor (energia térmica ou calorífica), movimento (energia cinética). Manifesta-se também sob outras formas, que recebem o nome de energia química, energia elétrica, energia atômica e nuclear. . . Mesmo a energia que parece sumir, reaparece sob outra forma e com outro nome. Na realidade, a energia jamais é consumida, o que ocorre é uma contínua transformação energética. Na queda d’água de uma cachoeira, por exemplo, a energia potencial gravitacional armazenada na massa de água se trasforma em energia cinética e térmica na queda e nas turbinas, que por sua vez se transformará em energia elétrica nos geradores. Intuitivamente, podemos pensar a energia como alguma coisa que jamais é criada ou destruida, algo que se transforma continuamente, que pode ser transferida de um corpo para outro seja através de uma ação (trabalho) mecânica ou elétrica.

Energia, uma presença universal Julius Robert Mayer (1814 -1878) físico alemão …Na verdade, existe apenas uma única energia. Numa troca perpétua, ela se Manisfesta tanto na natureza viva, quanto na natureza morta. Tanto numa quanto na outra, nada acontece sem a transformação de energia!

ØUsinas (“geradores” de energia elétrica) - “geram” energia a partir de uma outra fonte de energia ü Usinas hidrelétricas - transformam energia mecânica em energia elétrica; - fazem uso do ciclo natural da água; - causam impactos ambientais consideráveis, pois é necessário inundar grandes áreas.

ü Usinas termoelétricas - transformam energia térmica em energia elétrica; - fazem uso de combustíveis como carvão, petróleo e biomassa; - liberam, entre outros gases, CO 2 para atmosfera, o que contribui pra intensificar o efeito estufa.

ü Usinas nucleares - transformam energia nuclear em energia elétrica; - fazem uso de urânio enriquecido;

Ø Energia eletromagnética. . O espectro eletromagnético: - toda radiação é uma onda eletromagnética, luz, que se propaga no vácuo com velocidade c = 3 x 108 m/s 102 de elé tric a 104 Re 106 ádi o /R das Mi cr oon elh 108 Tv 1010 o 1012 erm Inf rav Vi sív let vio 1014 el 1016 a 1018 os X 1020 Rai 1022 Ul tra Ra ios ga ma 1024 100 Frequência (Hz)

Ø Energia potencial gravitacional (posição) energia armazenada na massa (m) dos corpos, quando estão em algum desnível (h) sob a ação de um campo gravitacional (g)

Ø Energia potencial gravitacional (posição) Epg = m. g. h (J) SI m – massa (kg) g – gravidade (m/s²) h – altura em relação P. H. R. (m) h P. H. R

Exemplo de aplicação. 1) Um corpo com massa de 500 kg está a uma altura de 160 m do solo. Calcular a energia potencial gravitacional desse corpo em relação ao solo, considerando g=10 m/s 2. Epg = m. g. h Epg = 500. 160 Epg = 80000 = 8. 104 J h P. H. R

Ø Energia cinética (movimento) energia armazenada na massa (m) dos corpos, quando estão em movimento com velocidade (v) em relação a um dado referencial.

Ø Energia cinética (movimento) V Ec = m. v²/2 (J) SI m – massa (kg) v – velocidade (m/s)

Exemplos de aplicação : 2) Qual a energia cinética de um veículo de 700 kg de massa, quando sua velocidade é de 20 m/s? V Ec = m. v²/2 Ec = 700. 20² / 2 Ec = 700. 400 / 2 Ec = 140000 = 14. 104 J

Ø Energia potencial elástica (posição) É a energia armazenada em corpos elásticos. Explico-me , corpos elásticos são aqueles que se deformam, quando sob a ação de uma força, e que voltam à forma original, quando essa força é retirada, como molas e borrachas, por exemplo.

Ø Energia potencial elástica (posição) ü Força elástica Robert Hooke (1635 -1703), cientista inglês, verificou experimentalmente que, em regime de deformações elásticas, a intensidade da força aplicada a uma mola é diretamente proporcional à deformação produzida na mesma. Lo L mola relaxada

Ø Energia potencial elástica (posição) ü Análise gráfica Lo mola relaxada k. x - L Fel = k. x (N) SI k – cte que depende das características do corpo elástico como material, espessura, forma e comprimento. x = (L-Lo) – variação do comprimento

Ø Energia potencial elástica (posição) ü As contas da energia potencial elástica k. x - A energia potencial elástica armazenada na “mola” é numericamente igual à área do gráfico da força (F) em função da deformação (x) sofrida pela “mola”. Epel = k. x²/2 (J) SI

Exemplos de aplicação : 3) Qual é a distensão de uma mola de constante elástica k = 100 N/m e que está armazenando uma energia potencial elástica de 2 J? Calcule, também, a intensidade da força que mantém a mola distendida. F = k. x F = 100. 0, 2 F = 20 N

Resumindo Energia potencial gravitacional Epg = m. g. h (J) SI m – massa (kg) g – gravidade (m/s²) h – altura em relação P. H. R. * (m) Energia cinética Ec = m. v²/2 (J) SI m – massa (kg) v – velocidade (m/s) Força elástica Fel = k. x (N) SI k –cte (N/m) x – deformação (m) *Plano Horizontal de Referência Energia potencial elástica Epel = k. x²/2 (J) SI

Mais alguns exemplos de aplicação : 4) Um corpo de massa 4000 g encontra-se a uma altura de 1600 cm do solo. Admitindo o solo como nível de referência e supondo g = 10 m/s 2, calcular sua energia potencial gravitacional. Energia potencial gravitacional Epg = m. g. h (J) SI m – massa (kg) g – gravidade (m/s²) h – altura em relação P. H. R. (m) m = 4000 g = 4 kg h = 1600 cm = 16 m h P. H. R Epg = 4. 10. 16 = 640 J

5) No escorregador mostrado na figura, uma criança com 30 kg de massa, partindo do repouso em A, desliza até B. Desprezando o atrito da criança com o escorregador e admitindo g = 10 m/s 2, calcule a velocidade da criança ao chegar em B. Ea = Eb Epg = Ec m. g. h = m. v²/2 g. h = v²/2 v² = 2. g. h v² = 2. 10. 3, 2 P. H. R. v² = 64 Como o atrito é desprezado, a energia v = 8 m/s potencial gravitacional de A será transformada, por completo, em energia cinética no ponto B. Ea = Epg =m. g. h Eb = Ec = m. v²/2

ü Um pouco de história Foi J. P. Joule (1818 - 1889) quem estabeleceu que o calor é definitivamente uma forma de energia. O aparelho de Joule converte energia potencial de pesos cadentes em ação (trabalho) sobre a água e esta aquece. Joule constatou que eram necessários 4, 184 J ( unidade de energia adotada em 1948) de trabalho para elevar de 1°C a temperatura de 1 grama de água. Esse valor ficou conhecido como equivalente mecânico de 1 cal de energia térmica. 1 cal = 4, 184 J

Ø Energia mecânica Durante a queda do objeto da figura abaixo, cada molécula tem sua energia potencial gravitacional sendo convertida em energia cinética. Aliás, o que se denomina energia mecânica de um corpo é a soma da energia cinética com a potencial. Em = Epg + Ec + Epel (J) SI Em = m. g. h + m. v²/2 + k. x²/2 (J) SI Emc = Epg = m. g. h Eme = Ec = m. v²/2 Desprezando qualquer dissipação de energia: Emc = Eme m. g. h = m. v²/2

Ø Exemplo 1) Um carrinho está em movimento sobre uma montanha russa, como indica a figura. Qual a velocidade do carrinho no ponto C? Despreze qualquer atrito e adote g = 10 m/s². Ema = Emc m. Va²/2 = m. g. h + m. Vc²/2 Va²/2 = g. h + Vc²/2 Va² - 2. g. h = Vc² 8² - 2. 10. (8 -5) = Vc² 64 – 60 = Vc² = 4 Ema = Ec = m. Va²/2 Emc = Epg + Ec Emc = m. g. h + m. Vc²/2 Vc = 2 m/s

Ø Exemplo 2) Na figura, está representado o perfil de uma montanha coberta de neve. Um trenó de massa m, solto do ponto K a uma altura H em relação a N com velocidade nula, passa pelos pontos L e M e chega, com velocidade nula, ao ponto N. A altura da montanha no ponto M é menor que a altura em K. Os pontos L e N estão a uma mesma altura. Com base nessas informações e considerando a aceleração da gravidade como sendo g, responda: a) Qual é o valor da energia mecânica do trenó no ponto N considerando H=0? b) Qual o valor da energia dissipada, em função de m, g e H desde K até N. a) Epg = m. g. h = m. g. 0 = 0 Ec = m. v²/2 = m. 0/2 = 0 Emf = Epg + Ec = 0 + 0 = 0 b) Emi = m. g. H Emf = 0 Ediss = Emi - Emf = m. g. H - 0 = m. g. H

3) FEI-SP Em um parque de diversões, um carrinho de massa 10, 0 kg percorre um trilho e atinge uma mola de constante elástica K = 200 N/m. A partir dessas informações, determine a máxima deformação sofrida pela mola quando o carrinho é abandonado do repouso na posição indicada. Obs. : desprezar os efeitos do atrito e adotar g = 10 m/s². Emi = Emf mgh = k. x²/2 x² = 2 mgh/k x= √(2 mgh/k) x = √(2. 10. 4/200) x = 2 m

4) Um carrinho de montanha russa parte do repouso do ponto A e percorre a pista sem atrito, esquematizada a seguir. Dado: g=10 m/s 2. Calcule a máxima altura h do ponto A, em metros, para que o carrinho passe por B, cujo raio de curvatura é 1 m, sem perder o contato com a pista. a) 4, 5 m b) 3, 5 m c) 8, 0 m Em. A = Em. B d) 15, 0 m mgh = mv²/2 + mgh’ gh = v²/2 + gh’ e) 10, 0 m h = v²/2 g + h’ Frcp = P mv²/R = mg v² = Rg h = Rg/2 g + h’ h = R/2 + h’ h = ½ + 3 h = 3, 5 m