3ª AVALIAÇÃO DE FÍSICA

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3ª AVALIAÇÃO DE FÍSICA

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EXERCÍCIO - HIDROSTÁTICA

Leis de Ohm

George Simon Ohm foi um físico alemão que viveu entre os anos de 1789 e 1854 e verificou experimentalmente que existem resistores nos quais a variação da corrente elétrica é proporcional à variação da diferença de potencial (ddp). Simon realizou inúmeras experiências com diversos tipos de condutores, aplicando sobre eles várias intensidades de voltagens, contudo, percebeu que nos metais, principalmente, a relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial se mantinha sempre constante. Dessa forma, elaborou uma relação matemática que diz que a voltagem aplicada nos terminais de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o percorre, matematicamente fica escrita do seguinte modo:

V = R.i

Onde:

• V é a diferença de potencial, cuja unidade é o Volts (V);
• i é a corrente elétrica, cuja unidade é o Àmpere (A);
• R é a resistência elétrica, cuja unidade é o Ohm (Ω). 

É importante destacar que essa lei nem sempre é válida, ou seja, ela não se aplica a todos os resistores, pois depende do material que constitui o resistor. Quando ela é obedecida, o resistor é dito resistor ôhmico ou linear. A expressão matemática descrita por Simon vale para todos os tipos de condutores, tanto para aqueles que obedecem quanto para os que não obedecem a lei de Ohm. Fica claro que o condutor que se submete a esta lei terá sempre o mesmo valor de resistência, não importando o valor da voltagem. E o condutor que não obedece, terá valores de resistência diferentes para cada valor de voltagem aplicada sobre ele.

Como mostramos em outro artigo, a corrente elétrica consiste no movimento ordenado de elétrons é formada quando há uma diferença de potencial (ddp) em um fio condutor. E esse movimento no condutor fica sujeito a uma oposição que é conhecida como resistência elétrica.

No inicio do século 19, o físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) descobriu duas leis que determinam a resistência elétrica dos condutores. Essas leis, em alguns casos, também valem para os semicondutores e os isolantes.

A primeira lei de Ohm

Considere um fio feito de material condutor. As extremidades desse fio, são ligadas aos pólos de uma pilha, como mostra a figura abaixo. Desse modo, a pilha estabelece uma diferença de potencial no fio condutor e, conseqüentemente, uma corrente elétrica. Para se determinar o valor da corrente elétrica, coloca-se em série no circuito um amperímetro e, em paralelo, um voltímetro que permititrá a leitura da tensão. A montagem do circuito está ilustrada na figura abaixo:


Com o circuito montado e funcionando, fazemos as medições de tensão e corrente através dos aparelhos instalados. Agora imagine que a diferença de potencial da pilha seja dobrada (podemos fazer isso ligando uma segunda pilha em série com a primeira). Como resultado dessa alteração, o voltímetro marcará o dobro da tensão anterior, e o amperímetro marcará o dobro de corrente elétrica. Se triplicarmos a diferença de potencial, triplicaremos a corrente elétrica. Isso quer dizer que a razão entre a diferença de potencial e a corrente elétrica tem um valor constante. Essa constante é simbolizada pela letra R.


Se colocarmos a corrente elétrica (i) em evidência, podemos observar que, quanto maior o valor de R, menor será a corrente elétrica. Essa constante mostra a resistência que o material oferece à passagem de corrente elétrica.

A primeira lei de Ohm estabelece que a razão entre a diferença de potencial e a corrente elétrica em um condutor é igual a resistência elétrica desse condutor. Vale salientar que a explicação foi desenvolvida tendo como base um condutor de resistência constante. É por isso que condutores desse tipo são chmados de condutores ôhmicos.

A unidade de resistência elétrica no Sistema Internacional está exposta no quadro a seguir.

A segunda lei de Ohm

A primeira lei de Ohm nos apresentou uma nova grandeza física, a resistência elétrica. A segunda lei de Ohm nos dirá de que fatores influenciam a resistência elétrica. De acordo com a segunda lei, a resistência depende da geometria do condutor (espessura e comprimento) e do material de que ele é feito. A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do condutor e inversamente proporcional a área de secção (a espessura do condutor). Observe a figura abaixo.


A figura apresenta a segunda lei de Ohm, onde L representa o comprimento do condutor e A é a área de sua secção reta. Essa equação mostra que se aumentarmos o comprimento do fio, aumentaremos a resistência elétrica, e que o aumento da área resultará na diminuição da resistência elétrica.

O é a resistividade do condutor, que depende do material de que ele é feito e da sua temperatura.

FONTES PESQUISADAS:

http://www.infoescola.com/fisica/leis-de-ohm/

http://www.infoescola.com/fisica/leis-de-ohm/

http://www.infoescola.com/fisica/primeira-lei-de-ohm/ 

 

As trocas de calor

Atividade para ser realizada com base na página 69 e 68 do seu livro de Física 2.  

 As trocas de calor acontecem diariamente e a todo instante entre os corpos e objetos que fazem parte do universo. Mas o que vem a ser calor? A definição de calor pode ser dada da seguinte forma:
Calor é energia térmica em trânsito que flui de um corpo para outro em decorrência da diferença de temperatura dos mesmos.
O calor pode ser transferido de um corpo para outro por meio de três diferentes formas que são: condução, convecção e irradiação. A condução surge do contato entre os materiais com diferença de temperatura. A convecção acontece com os fluidos em geral e ocorre em razão das diferenças de densidade das partes envolvidas. Por último, temos a irradiação. Esse é o tipo de propagação do calor que, ao contrário das outras duas mencionadas anteriormente, não necessita de um meio material para que aconteça, ou seja, pode acontecer no vácuo. É dessa forma que todos os dias o Sol aquece a Terra.
O calor tem grande importância em nossas vidas e muitas vezes é necessário medir a quantidade que é trocado entre os corpos. Para quantificar o calor trocado entre estes, bem como outras grandezas térmicas, utiliza-se um aparelho denominado calorímetro. Esse equipamento é constituído por um recipiente interno que, por sua vez, é envolvido por outro recipiente externo totalmente fechado e de paredes isolantes. Com essa construção reduzem-se ao máximo as perdas de calor para o meio ambiente.
Quando dois ou mais corpos de temperaturas diferentes são colocados em seu interior, acontecem trocas de calor entre os mesmos até que alcancem o equilíbrio térmico. É por meio dessa igualdade de temperaturas que podemos determinar, por exemplo, a capacidade térmica e o calor específico das substâncias em questão.

 Revisando....

Quando são colocados em contato dois ou mais corpos que se encontram em diferentes temperaturas, observa-se que, após um certo intervalo de tempo, todos atingem uma temperatura intermediária entre as temperaturas iniciais. Durante esse processo, ocorre uma transferência de energia térmica dos corpos de maior temperatura para os de menor temperatura. Essa energia térmica em trânsito denomina-se calor.

Unidades de Quantidade de Calor
Caloria (cal) é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1g de água de 14,5°C a 15,5°C,sob pressão normal.
No SI, a unidade de quantidade de calor é o joule (J)
A relação entre a caloria e o joule é:
1cal = 4,186J 

OBSERVAÇÃO IMPORTANTE:

 O princípio de trocas de calor possui mesmo módulo, porém apresenta sinais contrários, ou seja, o corpo que recebe calor é positivo e o corpo que cede (perde) calor é negativo.

A representação matemática para esse fato é:

Q A = - QB

Ou:

Q A + QB = 0

Onde:
QA = quantidade de calor recebida
-QB = quantidade de calor perdido 

Capacidade térmica

É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura varie uma unidade.
Então, pode-se expressar esta relação por:

Sua unidade usual é cal/°C.

A capacidade térmica de 1g de água é de 1cal/°C já que seu calor específico é 1cal/g.°C.
 

FONTES PESQUISADAS:
http://www.colegioweb.com.br/fisica/calorimetria-estudo-das-trocas-de-calor.html
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/trocas.php
http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/trocas-calor.htm
 

Transferência de calor

A transferência de calor ocorre quando dois ou mais corpos que estão em temperaturas diferentes são colocados em contato, ou em um mesmo local, fazendo com que a energia térmica de um corpo seja transferida para outro.

Esta transferência de calor pode acontecer de três maneiras diferentes, por condução, convecção ou irradiação.

Condução:

Acontece principalmente em meios sólidos e essa forma de transferência de calor ocorre em razão do contato das partículas (átomos, elétrons e moléculas) que formam o corpo. Imagine a seguinte situação: com uma barra metálica em mãos, coloque uma de suas extremidades em uma fonte de calor (uma chama de fogo, por exemplo). Em minutos você perceberá que a outra extremidade da barra estará quente e você não conseguirá segurá-la. Mas o que aconteceu para que a outra extremidade da barra esquentasse? O calor fluiu do ponto mais quente para o mais frio da barra em razão da diferença de temperatura entre as duas pontas da mesma. A transmissão do calor ocorre através da agitação dos átomos que constituem a barra e é transferida sucessivamente de um para outro até que se atinja o equilíbrio térmico.

Convecção:

É o fenômeno da transferência de calor que se observa nos fluidos, gases e líquidos, e acontece em razão da diferença de densidade do fluido. Esse tipo de transferência de calor pode ser observado nos condicionadores de ar. Esses aparelhos são colocados na parte superior de uma sala de forma proposital, pois o ar frio que é mais denso que o ar quente do ambiente desce e o ar quente sobe para ser refrigerado, formando, dessa maneira, as correntes de convecção. Esse é o princípio da refrigeração dos alimentos nas geladeiras.

 Irradiação:

A condução e a convecção são formas de propagação de calor que para ocorrer é necessário que haja meio material, contudo, existe uma forma de propagação de calor que não necessita de um meio material (vácuo) para se propagar, esta é a irradiação térmica. Esse tipo de propagação do calor ocorre através dos raios infravermelhos que são chamadas ondas eletromagnéticas. É dessa forma que o Sol aquece a Terra todos os dias, como também é o meio que a garrafa térmica mantém, por longo tempo, o café quentinho em seu interior.

E a garrafa térmica?

 

A garrafa térmica é um dispositivo cuja finalidade principal é manter constante, por maior intervalo de tempo, a temperatura de seu conteúdo.

Para tanto, as paredes desse sistema são praticamente adiabáticas, ou seja, reduzem consideravelmente as trocas de calor entre seu conteúdo e o meio externo.

Com a finalidade de isolar termicamente o conteúdo de uma garrafa térmica do meio ambiente, adotam-se os seguintes procedimentos:

as paredes internas são feitas de vidro, que por ser mau condutor, atenua as trocas de calor por condução;

as paredes internas são duplas, separadas por uma região de vácuo, cuja função é evitar a condução do calor que passa pelas paredes de vidro;

o vidro de que são feitas as paredes internas da garrafa é espelhado, para que o calor radiante seja refletido, atenuando assim as trocas por radiação.

Para evitar as possíveis trocas de calor por convecção, basta fechar a garrafa, pois dessa forma as massas fluidas internas não conseguem sair do sistema.

É evidente que não existe o isolamento térmico perfeito; assim, apesar dos cuidados citados, após um tempo relativamente grande (várias horas), o conteúdo da garrafa térmica acaba atingindo o equilíbrio químico térmico com o meio ambiente.

FONTES PESQUISADAS:

http://www.efeitojoule.com/2010/06/transferencia-de-calor-transferencia.html

http://meuartigo.brasilescola.com/fisica/conducao-conveccao-irradiacao.htm

http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/radiacao-conducao-conveccao.htm

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/vaso-de-dewar/vaso-de-dewar.php

Aceleração centrípeta

Você já deve ter escutado alguém ter relatado que um carro, que se envolveu em um acidente, saiu pela tangente em uma curva. Muitos são os fatores que podem fazer com que isso ocorra, o excesso de velocidade, a má conservação da pista, pneus carecas, chuva, etc.
Sempre que um corpo se movimenta em uma trajetória não retilínea, age sobre ele uma força cujo efeito é alterar sua direção, para que o móvel possa percorrer a trajetória curva. Essa força é chamada de força centrípeta.
Centrípeta significa literalmente: o que se dirige para o centro.

De acordo com a segunda Lei de Newton, essa força é capaz de proporcionar no corpo uma aceleração, sempre perpendicular ao vetor velocidade e orientada para o centro da curva. Essa aceleração é chamada de Aceleração Centrípeta. É ela que provoca a variação da direção do vetor velocidade.

O módulo da aceleração centrípeta é dado por:



Em que  é o vetor velocidade, que é tangente ao movimento, e R é o raio da trajetória circular.

Resumidamente, a aceleração centrípeta a_c indica apenas a direção da velocidade vetorial  .
Evidentemente, em movimentos retilíneos, a aceleração centrípeta é nula, pois não há mudança na direção da velocidade vetorial.
Para o movimento circular uniforme (MCU), a aceleração centrípeta está orientada para o centro da trajetória e tem módulo constante, pois a velocidade escalar v e o raio R são constantes.

Veja o exemplo a seguir:

Um carro move-se em uma pista circular com aceleração centrípeta igual a 2,5 m/s2. Determine a velocidade do carro, sabendo que o raio da pista é de 360 m.

SOLUÇÃO

Sabe-se, do problema, que:

a _c = 2,5 m/s2
R = 360m

A equação da aceleração centrípeta é:



Substituindo os valores de a _c e R na equação temos:



A direção e o sentido da velocidade, em um movimento circular, são alterados a cada instante, em razão da ação da aceleração centrípeta. 
 

Por Kléber Cavalcante
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola
 
Vale lembrar, que a força centrípeta é o resultado das forças que agem sobre um corpo, ou seja, em cada situação, uma ou mais forças podem exercer o papel da força centrípeta. Vejamos, agora, alguns exemplos:
   1.   Quando giramos uma pedra presa à extremidade de um fio, a tração no fio faz o papel da força centrípeta, veja na figura do início da página;
   2.   A Lua se movimenta em órbita circular devido a uma força centrípeta, que é a própria força de atração que a Terra exerce sobre a Lua;
   3.   No caso de um carro que descreve uma curva horizontal, as forças de atrito originam a resultante centrípeta
 
   4.   No looping, um carrinho de montanha-russa está sujeito a uma resultante centrípeta

As leis de Newton

DINÂMICA

Quando se fala em dinâmica de corpos, a imagem que vem à cabeça é a clássica e mitológica de Isaac Newton, lendo seu livro sob uma macieira. Repentinamente, uma maçã cai sobre a sua cabeça. Segundo consta, este foi o primeiro passo para o entendimento da gravidade, que atraia a maçã.

Com o entendimento da gravidade, vieram o entendimento de Força, e as três Leis de Newton.

Na cinemática, estuda-se o movimento sem compreender sua causa. Na dinâmica, estudamos a relação entre a força e movimento.

 

Força: É uma interação entre dois corpos.

 

O conceito de força é algo intuitivo, mas para compreendê-lo, pode-se basear em efeitos causados por ela, como:

Aceleração: faz com que o corpo altere a sua velocidade, quando uma força é aplicada.

Deformação: faz com que o corpo mude seu formato, quando sofre a ação de uma força.

 

Força Resultante: É a força que produz o mesmo efeito que todas as outras aplicadas a um corpo.

 

Dadas várias forças aplicadas a um corpo qualquer:

A força resultante será igual a soma vetorial de todas as forças aplicadas:

 

Leis de Newton

As leis de Newton constituem os três pilares fundamentais do que chamamos Mecânica Clássica, que justamente por isso também é conhecida por Mecânica Newtoniana.

 

1ª Lei de Newton - Princípio da Inércia

• Quando estamos dentro de um carro, e este contorna uma curva, nosso corpo tende a permanecer com a mesma velocidade vetorial a que estava submetido antes da curva, isto dá a impressão que se está sendo "jogado" para o lado contrário à curva. Isso porque a velocidade vetorial é tangente a trajetória.
• Quando estamos em um carro em movimento e este freia repentinamente, nos sentimos como se fôssemos atirados para frente, pois nosso corpo tende a continuar em movimento.

estes e vários outros efeitos semelhantes são explicados pelo princípio da inércia, cujo enunciado é:

"Um corpo em repouso tende a permanecer em repouso, e um corpo em movimento tende a permanecer em movimento."

Então, conclui-se que um corpo só altera seu estado de inércia, se alguém, ou alguma coisa aplicar nele uma força resultante diferente se zero.

 

2ª Lei de Newton - Princípio Fundamental da Dinâmica

Quando aplicamos uma mesma força em dois corpos de massas diferentes observamos que elas não produzem aceleração igual.

A 2ª lei de Newton diz que a Força é sempre diretamente proporcional ao produto da aceleração de um corpo pela sua massa, ou seja:

ou em módulo: F=ma

 

Onde:

F é a resultante de todas as forças que agem sobre o corpo (em N);

m é a massa do corpo a qual as forças atuam (em kg);

a é a aceleração adquirida (em m/s²).

 

A unidade de força, no sistema internacional, é o N (Newton), que equivale a kg m/s² (quilograma metro por segundo ao quadrado).

Exemplo:

Quando um força de 12N é aplicada em um corpo de 2kg, qual é a aceleração adquirida por ele?

F=ma

12=2a

a=6m/s²

 

Força de Tração

 

Dado um sistema onde um corpo é puxado por um fio ideal, ou seja, que seja inextensível, flexível e tem massa desprezível.

Podemos considerar que a força é aplicada no fio, que por sua vez, aplica uma força no corpo, a qual chamamos Força de Tração .

 

3ª Lei de Newton - Princípio da Ação e Reação

Quando uma pessoa empurra um caixa com um força F, podemos dizer que esta é uma força de ação. mas conforme a 3ª lei de Newton, sempre que isso ocorre, há uma outra força com módulo e direção iguais, e sentido oposto a força de ação, esta é chamada força de reação.

Esta é o princípio da ação e reação, cujo enunciado é:

"As forças atuam sempre em pares, para toda força de ação, existe uma força de reação."

 

FONTE: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Mecanica/Dinamica/leisdenewton.php

A energia térmica em trânsito: o Calor.

Temperatura e calor são dois conceitos diferentes e que muitas pessoas acreditam ser a mesma coisa. No entanto, o entendimento desses dois conceitos se faz necessário para o estudo da termologia. Também chamada de termofísica, a termologia é um ramo da física que estuda as relações de troca de calor e as manifestações de qualquer tipo de energia que é capaz de produzir aquecimento, resfriamento ou mudanças de estado físico dos corpos, quando esses ganham ou cedem calor.

Temperatura

Temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos . No cotidiano é muito comum as pessoas medirem o grau de agitação dessas partículas através da sensação de quente ou frio que se sente ao tocar outro corpo. No entanto não podemos confiar na sensação térmica. Para isso existem os termômetros, que são graduados para medir a temperatura dos corpos.

Calor

É muito comum ver pessoas falando que estão com calor, no entanto, fisicamente falando, essa fala está errada. Calor é definido como sendo energia térmica em trânsito e que flui de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura existente entre eles, sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio.

Quem ainda não entendeu...

Quando colocamos dois corpos com temperaturas diferentes em contato, podemos observar que a temperatura do corpo "mais quente" diminui, e a do corpo "mais frio" aumenta, até o momento em que ambos os corpos apresentem temperatura igual. Esta reação é causada pela passagem de energia térmica do corpo "mais quente" para o corpo "mais frio", a transferência de energia é o que chamamos calor.

Calor sensível

É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração da temperatura de um corpo.

Calor latente

Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a quantidade de calor calculada de calor latente.

Mais um pouco...

Calor Sensível

Sabemos que calor é energia térmica em trânsito que flui entre os corpos em razão da diferença de temperatura entre eles. Dessa forma, imagine uma barra de ferro que receba ou perca certa quantidade de calor Q. Esse calor que a barra ganhou ou perdeu é denominado de calor sensível, pois ele provoca apenas variação na temperatura do corpo, sem que aconteça mudança no seu estado de agregação, ou seja, se o corpo é sólido continua sólido e o mesmo acontece com os estados líquidos e gasosos.

Também chamado de calor específico, o calor sensível, determinado pela letra c (minúscula), é avaliado da seguinte forma: cal/g. °C. Essa relação informa a quantidade de calor que um grama de substância deve receber ou ceder para que nela aconteça a variação de um grau de temperatura. Essa é uma unidade prática, ou seja, a que é mais utilizada no dia a dia. Contudo, no Sistema Internacional de Unidades (SI) o calor específico pode ser dado de duas formas: J/kg. K ou em J/kg. °C.

Calor Latente

Diferente do calor sensível, quando fornecemos energia térmica a uma substância, sua temperatura não varia, mas seu estado de agregação se modifica, esse é o chamado calor latente. Essa é a grandeza física que informa a quantidade de energia térmica (calor) que uma unidade de massa de uma substância deve perder ou receber para que ela mude de estado físico, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e assim por diante.

Efeito Joule

“Deixa eu passar se não eu esquento”

O que é o efeito Joule?

A corrente elétrica é resultado de movimentação de ânions, cátions ou elétrons livres, como já vimos. Ao existir corrente elétrica as partículas que estão em movimento acabam colidindo (chocando) com as outras partes do condutor que se encontra em repouso, causando uma excitação que por sua vez irá gerar um efeito de aquecimento. A este efeito dá-se o nome efeito Joule. Resumindo, efeito Joule é a conversão, ou seja, transformação de energia elétrica em energia térmica.

Quem ainda não entendeu...

Os elétrons sofrem colisões com átomos do condutor, parte da energia cinética (energia de movimento) do elétron é transferida para o átomo aumentando seu estado de agitação, consequentemente sua temperatura. Assim, a energia elétrica é transformada em energia térmica (calor).

Por que o nome efeito Joule?

Este fenômeno é conhecido como Efeito Joule, em homenagem ao Físico Britânico James Prescott Joule (1818-1889).

Efeito Joule serve mesmo para quê?

A descoberta da relação entre eletricidade e calor trouxe ao homem vários benefícios. Muitos aparelhos que utilizamos no nosso dia-a-dia têm seus funcionamentos baseados no Efeito Joule, alguns exemplos são:

Lâmpada: um filamento de tungstênio no interior da lâmpada é aquecido com a passagem da corrente elétrica tornando-se incandescente, emitindo luz. A lâmpada de filamento incandescente funciona graças ao efeito Joule, o filamento com a passagem da corrente elétrica se aquece e libera energia em forma de luz e em forma de calor.

Chuveiro: um resistor aquece por Efeito Joule a água que o envolve.

São vários os aparelhos que possuem resistores e trabalham por Efeito Joule, como por exemplo, o secador de cabelo, a prancha alisadora, o forno elétrico o ferro elétrico e a torradeira.

 

Efeito Joule e os fusíveis:

Na construção de fusíveis o efeito joule também é aplicado. Fusíveis são dispositivos constituídos por um filamento metálico de baixo ponto de fusão. Dessa forma, quando a corrente elétrica que passa pelo fusível ultrapassa um determinado valor, o calor que é originado pelo efeito joule provoca a fusão do filamento, interrompendo a corrente elétrica. Eles são utilizados como limitadores de corrente elétrica que passa em um circuito elétrico. São encontrados em veículos automotivos, residências, aparelhos elétricos, etc.

EXPERIÊNCIA!

Pode-se fazer uma simples demonstração do Efeito Joule utilizando para isto, três pilhas grandes, um pouco de palha de aço (Bom Bril) e dois fios flexíveis.

 

Coloque as três pilhas em série e conecte uma extremidade de cada fio nas extremidades da série de pilhas. Coloque a palha de aço em um local onde não possa ocorrer a propagação de chamas (em algum piso não inflamável). Encoste as duas extremidades dos fios na palha de aço, fechando o circuito e estabelecendo a passagem da corrente elétrica. Esta corrente elétrica aquece os fios de palha por Efeito Joule e, por serem muito finos, tornam-se incandescentes e pegam fogo.