Aula-matéria e energia

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Departamento de Ciência-FFP-UERJ
Disciplina Biofísica
Material preparado para ensino remoto no Ambiente Virtual de Aprendizagem 
Profa. Dra. Flavia Venancio Silva
Matéria e energia
Objetivos
• 1 – Comparar a estrutura do átomo e dos íons (cátions e
ânions).
• 2 -Comparar os diferentes estados da matéria e como ocorre a
transformação de um estado para outro.
• 3 – Apresentar o conceito de inércia.
• 4 – Relacionar diferentes formas de energia ao conceito de
movimento.
Matéria, massa, peso e força da 
gravidade
• Matéria é tudo o que contém massa.
• Massa é a quantidade de matéria de um corpo.
• O peso de um corpo é uma força resultante do produto de sua massa pela
aceleração da gravidade - (P = m . g).
• Aceleração da gravidade (g) é a intensidade gravitacional em um determinado
ponto. Na Terra ao nível do mar, g é aproximado à 9,8 m/s2.
• Campo gravitacional – energia que se manifesta como força de atração entre um
corpo massivo e outro, varia inversamente com o quadrado da distâncias entre os
corpos.
O que é Lei da gravitação universal ou 
força da gravidade?
• Força com que uma massa atrai outra.
F = força de atração entre dois corpos
G = constante gravitacional = 6,67 . 10
11
N.m
2
m1 = massa do corpo 1 kg
2
m2 = massa do corpo 2
d = distância entre dois corpos
F = G . m1 . M2
d2
Por que ao jogar uma bola para o alto, 
ela em seguida cai no chão?
• A Terra tem massa atrai a bola e esta também atrai a Terra com mesma
intensidade, porém a massa da bola é muito menor que a da Terra, a bola
não desloca a Terra, mas a Terra desloca a bola.
• Ou seja, o corpo com menor massa terá maior aceleração em relação ao de
maior massa quando ambos são submetidos à uma força de igual
intensidade.
Mas do que a matéria é constituída?
• Os gregos pré-socráticos conhecidos como atomistas acreditavam que a matéria era
feita de átomos, ou seja, partículas indivisíveis.
• A história da construção do conceito científico de átomo é longa e contou com a
colaboração de vários cientistas. Poucos são citados aqui, mas a história pode ser
melhor conhecida ao assistir vídeos disponíveis na internet.
• Resumidamente:
• Em 1897, o físico inglês Joseph Thomson descreveu a existência de partículas
negativas (elétrons) na estrutura atômica.
• Em 1904, o físico e químico neozelandês Ernest Rutherford confirmou a existência de
partículas positivas (prótons) no átomo, já anteriormente proposta por Goldstein.
• Finalmente, em 1932 o físico inglês James Chadwick apontou a existência de
partículas neutras no núcleo (nêutrons) que juntamente com os prótons constituiria
a massa atômica.
Modelo atômico atual
• Núcleo – parte do átomo que contém partículas com carga
positiva (prótons) e partículas neutras (nêutrons), contém a
massa atômica e corresponde a um bilionésimo do volume
atômico.
• Eletrosfera – parte do átomo com raio quase dez mil vezes
maior que o núcleo, composta por partículas com carga
negativa (elétrons) que se movimentam aleatoriamente em
orbitais em torno do núcleo. Tais orbitais podem mudar de
forma, dependendo das ligações que os átomos fazem entre si.
Representação do atual modelo 
atômico 
+
+ +
--
-
prótons
nêutrons
elétrons
Eletrosfera composta 
por espaço vazio e 
nuvens de elétrons
núcleo
Li6
3
No de 
massa
No de 
atômico
Lítio
O que a microscopia eletrônica de 
tunelamento revelou sobre a matéria?
• A microscopia de tunelamento inaugurada no início da década de 1980
mostrou que o átomo é dez milhões de vezes menor que 1 mm ou seja sua
dimensão é medida em angstrom, o que equivale à 10-10 metros.
• No microscópio de tunelamento, uma ponta metálica finíssima faz a
varredura, a uma distância menor que um nanômetro, de uma superfície
também metálica feita de átomos. Um elétron passa de um átomo desta
superfície metálica para a ponta finíssima do que a escaneia. O elétron
desaparece da superfície como se passasse por um túnel e isso gera
alteração na corrente. O acoplamento de um computador ao microscópio
de tunelamento possibilita o mapeamento da intensidade da corrente e a
localização de cada átomo na superfície escaneada.
Comparando a estabilidade núcleo e a 
instabilidade da eletrosfera 
• Eletrosfera
• A eletrosfera de um átomo é
bastante instável em comparação ao
núcleo.
• Ex: a fricção de um tecido num
bastão de vidro ou plástico faz a
alteração da configuração da
eletrosfera e a repulsão entre dois
corpos pode ser facilmente
constatada em experimentos muito
simples.
• Núcleo
• Para se mover uma partícula de um
núcleo atômico é necessária uma
força imensa.
• Ex: a destruição completa de 1 kg de
núcleo libera energia para manter as
lâmpadas dos EUA acesas por uma
semana.
Íons positivo (Cátions) e íons negativos 
(Ânions)
• No seu estado fundamental o átomo possui número igual de cargas positivas
(prótons) e cargas negativas (elétrons).
• Em razão da instabilidade da eletrosfera, o átomo pode ganhar ou perder
elétrons e passa a ter carga elétrica líquida diferente de zero. Quando isso
ocorre um átomo se transforma em um íon através do processo de ionização.
• Cátions – íons com carga (s) positiva (s), pois houve perda de elétron da última 
camada eletrônica.
• Ex: Na+1 (íon de sódio) e K+1 (íon de potássio)
• Ânions – íons com carga (s) negativa (s), pois houve ganho de elétron na última 
camada eletrônica.
• Ex: Cl-1 (íon cloreto) e F-1 (íon fluoreto)
Estados físicos da matéria 
• Sólido – forma retículo cristalino organizado, tem forma definida.
• Líquido – ordem molecular menor do que no sólido, tem volume fixo
independente do espaço que foram colocados, mas não tem forma definida
e pode escoar.
• Gasoso – ordem molecular menor do que o líquido, tem volume variável
dependendo do espaço que foram colocados e não tem forma definida.
• O que determina esses estados é o grau de ordem dos átomos e
isto depende da quantidade de calor no sistema e das interações
intermoleculares que varia de um tipo de matéria para outro.
Relação entre cinética molecular e interação 
entre as moléculas ou intermolecular
1 - Nos líquidos, estas interações entre as moléculas contrapõem-se à cinética
molecular, ou seja, se por um lado as ligações de ponte de hidrogênio que se
formam entre as moléculas de um líquido colaboram com sua ordem, por
outro lado a agitação das moléculas determinada pela quantidade de calor do
sistema faz com que elas fiquem mais agitadas e tenham menos ordem.
2 - No caso dos gases, não há interação entre as moléculas que os
constituem, logo todas as moléculas de um gás são independentes. Não
observaremos pontes de hidrogênio entre moléculas de um gás. É bom
lembrar que as moléculas de um gás estão distantes o suficiente pra que elas
não interajam.
Questões para refletir
• Por que se derramamos água numa superfície, com o tempo
ela evapora?
• Por que se derramamos álcool numa superfície, sua
evaporação é mais rápida que a da água?
Para pesquisar e responder em seu 
caderno:
• Considerando que fluidos são líquidos ou gases, qual a relação
da pressão de um fluido com o conceito de movimento
browniano?
Mudanças de estado físico da matéria
• Fusão, solidificação, vaporização, condensação e sublimação.
• Essas mudanças ocorrem quando alteramos a temperatura ou a pressão desses
materiais.
• Temperatura – quantidade de calor, logo quanto maior a temperatura de um corpo,
mais afastadas ficarão suas moléculas. A temperatura altera a cinética molecular e
assim o aumento dela pode tornar um sólido em fluido.
• Pressão - ente físico capaz de aproximar as moléculas, logo quanto maior a pressão
a que um corpo está submetido, mais próximas estarão suas moléculas. A pressão
não exerce influência significativa sobre os sólidos, pois suas moléculas já estão
bem próximas.
• Devemos considerar o gelo uma exceção, pois se transforma em líquido quando
submetido à maior pressão.
Inércia
•Qualquer tipo de matéria manifesta inércia. Ela
caracteriza o estado de velocidade de uma
quantidade de matéria, a qual é constante,invariável
e imutável.
•Quanto maior a massa de um corpo, maior é a sua
inércia.
•Forças extrínsecas podem alterar a velocidade de um
corpo, alterando sua inércia.
Movimento
•Movimento é a medida da velocidade dos corpos que
contém massa.
• Lembrando que massa é quantidade de matéria.
• Então, movimento é a medida de velocidade de uma certa
quantidade de matéria.
•Quanto maior a velocidade de um corpo, maior o seu
movimento.
Energia
• Definir energia não é algo fácil, pois existem vários tipos de energia e
podemos senti-las através de algum sentido ou em alguns casos, não
é possível percebê-las no ambiente.
• O importante a considerar é que qualquer forma de energia
manifesta movimento. Logo, se pensarmos que energia é
capacidade de realizar trabalho e se este último equivale à
transformação, então não existe trabalho sem a manifestação de
movimento.
• Um corpo em movimento pode transferir velocidade para outro
corpo, o que possibilita a transformação de um tipo de energia em
outro.
Tipos de energia e sua relação com 
movimento
• Transferência de calor – movimento pela agitação das moléculas.
• Eletricidade – movimento de elétrons.
• Energia nuclear – movimento de partículas nucleares.
• Luz – movimento de fótons.
• A velocidade está presente nas diversas modalidades de energia,
porém, nem tudo que se movimenta contém massa.
Energia 
•Energia não depende da existência de
matéria.
•Exemplo: radiação eletromagnética.
Energia Potencial
• Energia acumulada e pronta para se transformar em
movimento.
• Exemplos:
• 1) altura de um corpo na iminência de cair.
•2) uma mola esticada prestes a ser solta.
• 3) um fluido sob pressão prestes a escoar.
Energia cinética
•É a que os corpos em movimento apresentam.
•Exemplo:
A queda livre de uma pedra que se encontrava a um
metro de altura do solo e que obedece a primeira lei
da termodinâmica.
Energia mecânica
• É igual a soma das energias cinética e potencial.
• Exemplo:
Uma pedra ao cair sofre atrito com o ar e isso gera
calor, ao final da queda a energia mecânica é igual a
energia cinética mais o calor dissipado. A energia total
do sistema é a mesma apesar de ter ocorrido redução
na energia útil em função do calor liberado.
Demonstração da equivalência entre 
matéria e energia (E = m.c2)
• Equivalência matéria e energia foi sintetizada em uma equação por Albert
Einstein em 1905.
• Qualquer quantidade de matéria equivaleria em energia ao movimento
realizado quando sua massa fosse submetida à velocidade da luz no vácuo
ao quadrado. Porém, nenhum objeto com massa pode atingir à velocidade
da luz já que o ganho de massa é enorme e seria necessário uma
quantidade infinita de energia para continuar acelerando.
• A medida que objetos se movem com maior energia sua massa aumenta.
• E = m . c2
• E = energia, m = massa e c = velocidade da luz no vácuo
Dualidade onda/partícula
• O efeito fotoelétrico apontado pelo físico Ernest Hertz foi explicado
através de uma hipótese proposta pelo Albert Einstein em 1905 que
modernizou este conceito.
• O efeito fotoelétrico – ao emitir luz de alta frequência sobre a superfície
de um metal elétrons podem ser arrancados, pois ocorre transferência
de energia da luz para os elétrons acelerando-os para fora da superfície.
• Hipótese para explicar o fenômeno – a energia é transportada em
pequenos pacotes (quanta) e a luz de alta frequência carrega pacote
com energia suficiente para arrancar elétrons do metal.
• Observou-se que a onda de luz também podia se manifestar como
partícula de luz (fóton) surgindo o princípio da dualidade onda/partícula.
Dualidade matéria/energia 
• Em 1924, o físico francês Louis de Broglie propôs que além da dualidade
onda/partícula para a luz, talvez esse princípio também pudesse ser aplicado para
outras partículas.
• Em 1927, os físicos americanos Clinton Davisson e Lester Germerin testaram a
hipótese de De Broglie. Eles realizaram experimento com elétrons e observaram
difração e interferência, fenômenos que são exclusivos de ondas. Assim foi
confirmado que os elétrons além de se comportarem como partículas também
podiam se comportar como onda.
• O Universo é constituído por matéria feita de átomos e a teoria da dualidade foi
formulada porque a dinâmica de partículas atômicas num determinado momento
têm comportamento de onda eletromagnética e noutro já têm comportamento de
partícula material.
• Considerando que tudo é formado por átomos e as partículas subatômicas são
matéria e energia ao mesmo tempo, logo esses conceitos são a mesma coisa.
Matéria como energia condensada
• Um kg de matéria geraria bilhões de kwh, energia suficiente para
suprir meses de consumo de energia elétrica no Brasil. Porém, os
físicos não conseguem transformar matéria em energia com total
eficiência, logo na prática esse percentual é muito baixo.
Fontes bibliográficas consultadas e 
vídeos recomendados para estudo 
• HENEINE, I. F. Biofísica Básica. 2ª Ed. Rio de Janeiro: Ed. Atheneu. 2010.
• MOURÃO JÚNIOR, C.A.; ABRAMOV, D.M. Curso de biofísica. Rio de Janeiro:
Guanabara Koogan. 2009.
• MOURÃO JÚNIOR, C.A.; ABRAMOV, D.M. Biofísica Essencial. Rio de Janeiro:
Guanabara Koogan. 2012.
• Teoria da relatividade de Albert Einstein. Crédito: Portal da Ciência. 
https://www.youtube.com/watch?v=qD7tvSBlkpY
• O que é a dualidade onda-partícula? Crédito: Portal da Ciência. 
https://www.youtube.com/watch?v=2vRyLAPxyEs
https://www.youtube.com/watch?v=qD7tvSBlkpY
https://www.youtube.com/watch?v=2vRyLAPxyEs