Conservação de Energia
Sistemas físicos
O que é um sistema físico?
Um sistema físico é uma porção do universo que
escolhemos para analisar e estudar.
Sistema
Fronteira
Sistema
Exterior
Um sistema físico é um corpo, ou conjunto de corpos,
limitado por uma fronteira real ou imaginária.
Fronteira e Vizinhança
Como se pode identificar o sistema “Terra”?
Se a Terra for o objecto de estudo, então é um
sistema com fronteira e vizinhança.
- Fronteira – superfície do planeta (Real).
- Vizinhança pode ser:
- a atmosfera terrestre.
- o espaço exterior com todos os astros.
Fronteira e Vizinhança
Como se pode identificar o sistema
“Sol + Terra”?
Neste caso, o sistema é constituído por dois
componentes: O Sol e a Terra
- Fronteira – (é imaginária, mas
permite a identificação da vizinhança
do sistema).
- Vizinhança é – o espaço exterior
com todos os astros do universo
exceptuando o Sol e a Terra.
Fonte e Receptor de Energia
O sistema em estudo é a água a ser
aquecida:
- Fonte de energia – álcool em combustão
- Receptor de energia - água
As fontes de energia fornecem energia
aos receptores de energia.
Fonte, receptor e transferência de
energia
- Fonte de energia –
pilha
- Receptor de energia – lâmpada
Fonte, receptor e transferência de
energia
Sempre que a energia passa de um sistema para outro
diz-se que ocorre uma transferência de energia:
Fonte
Receptor
Aqui a energia passou do álcool em combustão para
a água.
Tipos de Sistemas
Sistema aberto – troca matéria e
energia com a vizinhança.
Sistema fechado – troca energia
com a vizinhança.
Sistema isolado – não troca matéria
nem energia com a vizinhança.
Formas fundamentais de energia
As diferentes designações atribuídas à
energia correspondem apenas a:
duas formas fundamentais
de energia:
Energia cinética
Energia potencial
Energia potencial
 A Energia potencial…
está associada ao campo de forças (gravitacionais,
magnéticas, eléctricas e nucleares) existente no sistema.
corresponde à energia armazenada em
condições de poder ser utilizada.
é a energia acumulada numa bateria, nos
alimentos e nos combustíveis.
Energia potencial
O boneco dentro da caixa tem energia armazenada.
Esta energia manifesta-se quando o boneco salta e
designa-se por energia potencial elástica.
Energia potencial
O sistema de corpos electrizados têm
energia potencial eléctrica.
Energia potencial
O sistema de iman-pregos e iman limalha de ferro têm
energia potencial magnética.
Energia potencial
A mistura explosiva possui energia, mesmo antes de
explodir. Esta energia está relacionada com as forças
de ligação entre as partículas que constituem as
substâncias e designa-se por energia potencial química.
Energia potencial
Alpinismo
Bungee-Jumper
O alpinista possui energia armazenada pelo facto de
estar a ser atraído pela Terra. Essa energia que não
se está a manifestar mas que pode vir a manifestar-se
se cair, designa-se por energia potencial gravítica.
A energia potencial gravítica depende
de quê?
Se deixarmos cair uma pedra, em qual dos três
níveis vai causar maior estrago?
A pedra produz mais estragos quando cai do nível 3
porque como cai de uma altura maior tem uma energia
potencial gravítica maior.
A energia potencial gravítica depende
de quê?
Se deixarmos cair duas pedras de massas
diferentes mas da mesma altura, qual vai causar
maior estrago?
A pedra de maior massa produz mais estragos porque
tem uma energia potencial gravítica maior.
A energia potencial gravítica depende
de quê?
Quanto maior for a massa maior é a energia potencial
gravítica.
Quanto maior for a altura maior é a energia potencial
gravítica.
Formas fundamentais de energia
 Energia cinética…
 está associada ao movimento relativo dos corpos.
é a energia que associamos ao vento, à água
em movimento, à corrente elétrica no
circuito, ao som e à agitação das partículas
do ar junto de um aquecedor.
Energia cinética
O automóvel em movimento, a criança que corre e a
pedra a rolar têm energia cinética.
Qualquer corpo em movimento possui energia
cinética!
Evidencias macroscópicas da
energia cinética
Translação e
rotação
Translação
Translação e rotação
A energia cinética depende de quê?
Se duas pedras, com a mesma massa, forem
atiradas contra uma parede com velocidades
diferentes, qual provocará mais danos?
A pedra que provoca maior estrago é a que possui maior
velocidade porque tem uma energia cinética maior.
A energia cinética depende de quê?
Se duas pedras, de massas diferentes, forem
atiradas contra uma parede com a mesma
velocidade, qual provocará maior estrago?
A pedra que provoca maior estrago é a que possui
maior massa porque tem uma energia cinética maior.
A energia cinética depende de quê?
Quanto maior for a massa maior é a energia cinética.
Quanto maior for o quadrado da velocidade maior é a
energia cinética.
Energia cinética e energia potencial
 A energia cinética depende da massa e da velocidade.
Maior massa
Maior energia cinética
Maior velocidade
 A energia potencial gravítica depende da massa e da altura.
Maior massa
Maior energia potencial gravítica
Maior altura
 A energia potencial elástica depende da deformação.
Maior deformação
Maior energia potencial elástica
Energia Mecânica
A energia mecânica de um sistema num dado
referencial é a soma da energia cinética (Ec)
macroscópica do sistema nesse referencial e da
sua energia potencial (Ep).
Energia Mecânica
A energia mecânica de um sistema é devida:
Ao seu movimento o que implica energia cinética
de translação.
À sua posição relativa a outro sistema a que
corresponde energia potencial gravítica.
Ao seu estado de deformação o que envolve
energia potencial elástica.
Energia Mecânica
Escolhe, entre as afirmações seguintes, a única
que é falsa (F)
F
Energia Interna
A energia interna de um sistema macroscópico é a
soma das energias cinética e potencial dos seus
corpúsculos. Representa-se simbolicamente por Ei.
Tem componentes:
 De tipo cinético – que se associa ao
movimento desordenado dos corpúsculos;
 De tipo potencial – que se relaciona com as
posições relativas dos corpúsculos;
Energia Interna
massa e temperatura
 A energia interna depende da quantidade de
matéria que constitui um corpo.
Quanto maior for a sua massa mais energia
interna contém.
Quanto maior é a temperatura maior é a energia
interna do corpo.
Temperatura
Temperatura de diversos corpos no interior de uma
sala na ausência de equilíbrio térmico
Temperatura
A temperatura é uma manifestação da energia interna
de um corpo.
A temperatura de um corpo é uma medida da energia
cinética média dos corpúsculos constituintes desse corpo.
Um sistema a temperatura elevada tem maior energia
interna que um sistema a temperatura mais baixa.
Escalas de
Temperatura
Escalas de
Temperatura
Trabalho calor e potência
Física
Energia
Potência
Trabalho
Energia
Calor
Radiação
Trabalho Mecânico
Os músculos do atleta transformam energia
química em energia potencial gravítica.
As forças exercidas pelas mãos nos alteres
realizaram trabalho mecânico.
Trabalho eléctrico
A circulação da corrente eléctrica realiza um trabalho
eléctrico no sistema.
O trabalho eléctrico corresponde à transferencia de
energia da fonte para o receptor.
Trabalho realizado por uma
força constante
O trabalho realizado por uma força é uma medida da
energia transferida de um sistema para outro, devido à
actuação dessa força.
O ponto de aplicação da força move-se da posição
inicial para a posição final efectuando o deslocamento
Trabalho realizado por uma
força constante
Exercício
.
Calor sob o ponto de vista físico
Exemplos nos quais o aquecimento provém da
transformação de Em em calor
Esfregar as mãos;
Travagem dos carros;
Compressão do ar nos pneus;
Marteladas que ocorrem com choques mecânicos;
Calor
É a energia interna que se
transfere entre corpos a
temperaturas diferentes.
Fonte de calor
Qualquer sistema
que esteja mais
quente que a sua
vizinhança.
Calor
O calor representa-se pela letra Q.
É um conceito dinâmico porque serve para medir a energia
transferida, espontaneamente, de um sistema a
temperatura mais alta para um sistema a temperatura mais
baixa, até se atingir o equilibrio térmico.
Um corpo não tem calor, tem energia interna.
O calor é a energia interna que se transfere entre corpos
normalmente a diferentes temperaturas.
Haverá transferencia de calor enquanto se mantiver a
diferença de temperatura entre os corpos ou entre
sistemas.
Calor
Maneiras de aumentar a energia
interna de um sistema
Através de realização de trabalho – quando há interação
entre os sistemas.
Através do calor – quando há trocas de energia entre sistemas
Factores de que depende a
quantidade de calor transferida
Massa dos corpos.
Variação da temperatura.
Capacidade térmica mássica
Calor
Influência da massa do corpo
A quantidade de calor é directamente proporcional à
massa de substância que se aquece ou arrefece.
Influência da variação de temperatura
As quantidades de calor são directamente proporcionais
às variações de temperatura.
Influência da substância de que é feito o corpo
A quantidade de calor fornecida a materiais diferentes de
modo a provocar-lhes a mesma elevação de temperatura
depende da constituição desses materiais.
Calor
A quantidade de calor (Q) fornecida (ou cedidas)
por um corpo são diretamente proporcionais à sua
massa(m) e à variação de temperatura (∆T ou ∆θ )
A constante de proporcionalidade é a capacidade
térmica mássica (c). É uma característica de que é
feita o corpo.
A expressão matemática que permite calcular a
quantidade de calor é:
Q = m c ∆T
Calor
Ti>Tf o corpo cede calor (Q<0)
Tf >Ti o corpo recebe calor (Q>0)
ΔEi = m c ΔT
Questões
A capacidade térmica mássica do cobre é 390 J/(kg ºC).
a) Qual é a quantidade de calor que é necessário fornecer a 1 Kg de
cobre para elevar a sua temperatura de 1ºC?
b) Um bloco de cobre, cuja massa é de 10 kg, arrefeceu. A temperatura
desceu de 100 ºC para 50 ºC. Qual é o valor da energia interna que
perdeu?
Potência e Energia
A energia que é cedida ou recebida em cada unidade
de tempo chama-se potência:
É a rapidez da transferência de energia mecânica
entre sistemas.
É a rapidez com que se realiza trabalho.
Energia
Potência 
Tempo
É uma
grandeza
escalar
Potência e Energia
Potência
Energia
E
P
t
E  Pt
Unidade SI de Energia e de
Potência
A unidade SI de energia chama-se
Joule, símbolo J, em homenagem ao
físico inglês James Prescott Joule.
James Joule
1818-1889
A unidade SI de potência chama-se
Watt, símbolo W, em homenagem
ao inventor James Watt.
James Watt
1736-1819
Unidade SI de energia
No sistema internacional de unidades:
E  Pt
J
W
s
1J=1Wx1s
Outras Unidades de Energia
Quando queremos falar de energia elétrica utilizamos
a unidade quilowatt-hora, kWh.
E  Pt
kWh
kW
h
A quantos joules corresponde 1 quilowatt-hora?
1 kWh = 1 kW x 1 h
1 kWh = 1000 W x 3600 s
1 kWh = 3 600 000 J
Outras Unidades de Energia
Quando queremos falar em valores energéticos de
alimentos utilizamos a caloria.
Sobremesa
Quantidade
Caloria
Gelado
2 bolas
199 cal
Gelatina
dose individual
97 cal
Leite Creme
dose individual
140 cal
Mousse Chocolate
dose individual
193 cal
Pudim Flan
dose individual
142 cal
Salada de Frutas
dose individual
98 cal
Tarte de Maçã
fatia média
112 cal
A caloria relaciona-se com o Joule da seguinte forma:
1 cal = 4,18 J
1 kcal = 4 180 J
1 kcal = 4,18 kJ
Múltiplos e submúltiplos
do watt (W)
O termo cavalo vapor foi aplicado, pela primeira vez, por James Watt para
demonstrar quantos cavalos correspondia à máquina a vapor que ele inventou.
James Watt observou e propôs que um cavalo podia elevar um peso de 735 N
a um metro de altura em um segundo, pela equação:
P=F. d/∆t
P= 735 (N) . 1 (m) / 1 (s) = 735W
Essa potência de 735 Watt é dada como 1 cavalo vapor (cv).
Qual a potência
necessária?
Exercício:
1. Um secador de cabelo de potência
1200W funciona durante 20 s.
Calcula a energia recebida pelo
secador.
2. Se a energia recebida pelo secador for de 30 kJ,
durante quanto tempo esteve a funcionar o secador?
Exercício:
A intensidade da resultante das forças que atuam
no elevador é 2,15 x 104 N. Supõe que o
elevador se move com velocidade constante,
percorrendo 10 metros em 5 segundos.
Qual é a potência média do motor que aciona o
elevador?
Exercício:
Como podemos identificar Transferência de
energia entre sistemas?
As transferências de energia entre sistemas pode identificar-se de
três maneiras diferentes:
Trabalho
Calor
Se houver
transferência de
energia entre corpos.
Radiação
Quando
atuam forças
que deslocam
o seu ponto
de aplicação.
Se houver
transporte de
energia por ondas
eletromagnéticas.
Será que alguma energia se perde ao ser
transferida de um sistema para outro?
Num diagrama de energia devemos representar a:
 Energia útil que é a energia que durante a transferência
é realmente utilizada.
 Energia dissipada que é a energia que durante a
transferência é “perdida”.
Energia útil
Energia
fornecida
Sistema
Energia dissipada
Será que alguma energia se perde ao ser
transferida de um sistema para outro?
Exemplo 1:
Energia utilizada para
o movimento
Energia armazenada
no motor
Energia dissipada no
aquecimento das
peças do motor, etc.
Será que alguma energia se perde ao ser
transferida de um sistema para outro?
Exemplo 2:
Energia utilizada
para aquecer o
ambiente
Energia
armazenada
na lenha
Energia dissipada
sob a forma de luz
Energia dissipada
pela chaminé
Princípio da Conservação da Energia
Podemos concluir que numa transferência de energia:
E fornecida  Eútil  Edissipada
Esta expressão traduz o Princípio da Conservação de
Energia:
“a quantidade de energia que temos no final de um
processo é sempre igual à quantidade de energia que
temos no início desse mesmo processo”.
Ou seja, a energia não se cria nem se destrói; apenas
se transfere. A energia total do Universo é sempre
constante.
Exercício
Completa o diagrama de energia para uma lâmpada de incandescência
em funcionamento:
Energia
eléctrica
Energia dissipada sob
a forma de calor
Energia
radiante
Se fornecermos ao sistema 50 J de energia e se a lâmpada tiver uma
perda de 15 J, qual será o valor da energia útil?
Lei da conservação
Balanços energéticos
Quando ocorrem transferências e transformações
de energia, a energia total permanece constante.
O balanço energético é facilitado pela construção
de diagramas da respectiva cadeia energética.
Na construção de uma cadeia energética começase por identificar os extremos da cadeia.
Em seguida, identificam-se os sucessivos sistemas
e a sua vizinhança.
Lei da conservação
Balanços energéticos
Efectua-se a representação do diagrama da
cadeia tendo em conta:
As fontes de energia e a vizinhança dos sistemas
(exterior) representam-se por rectângulos;
Os sistemas esquematizam-se por círculos;
As transferências de energia traduzem-se por
setas;
A extremidade da seta mostra para onde se
transfere a energia.
Lei da conservação
Balanços energéticos
EXEMPLO
Considere dois sistemas S e S´. O sistema S recebeu 80 J
de uma fonte de energia. Dessa energia, dissipou 10 J como calor e transferiu 70 J para o
sistema S´. A representação do diagrama em cadeia e o balanço energético é:
Nome da
Fonte
80 J
Sistema
S
70 J
10 J
80 J = 70 J + 10 J
80 J – 70 J -10 J = 0
Sistema
S´
Nome da
vizinhança
de S
Exercício