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1º SEMESTRE/2018 CIÊNCIAS BIOLÓGICAS FÍSICA e BIOFÍSICA Energia Prof. Drª Kenya BLOG: https://profkenya.wordpress.com/ 1 O que é Energia 2 O que é Energia “A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra ou transferida de um corpo para outro.” Lavoisier: “ Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. 3 O que é Energia 4 Energia - Classificação Tipo de Energia Definição ENERGIA CINÉTICA ENERGIA QUE PERMITE O MOVIMENTO DOS OBJETOS ENERGIA POTENCIAL ENERGIA ARMAZENADA NO CORPO QUE PERMITE O MOVIMENTO ENERGIA QUÍMICA ENERGIA CONTIDA NAS LIGAÇÕES QUÍMICAS ENTRE OS ÁTOMOS E AS MOLÉCULAS DE UMA SUBSTÂNCIA. ENERGIA NUCLEAR ENERGIA CONTIDA NA CONSTITUIÇÃO DAS PARTICULAS NO NÚCLEO DO ÁTOMO ENERGIA TÉRMICA ENERGIA CINÉTICA INTERNA DA MATÉRIA DEVIDO A AGITAÇÃO DE SUAS PARTÍCULAS. CALOR É ENERGIA TÉRMICA EM TRÂNSITO ENERGIA GRAVITACIONAL ENERGIA ASSOCIADA NA INTERAÇÃO GRAVITACIONAL DOS CORPOS COM MASSA. ENERGIA ELÉTRICA ENERGIA DAS CARGAS ELÉTRICAS EM MOVIMENTO ENERGIA ELETROMAGNÉTICA ENERGIA QUE SE PROPAGA NA ONDA ELETROMAGNÉTICA 5 Energia Exemplo: Um joule é a energia que você gasta ao pegar uma maçã de mais ou menos 100g e elevar um metro (1,0 m). 1,0 metro Exemplo: Cada batida do coração de uma pessoa, consume cerca de 1 J de energia. 6 Energia Dependendo do tipo de energia a unidade pode variar. • Energia térmica: caloria (cal) → 1 cal = 4,18 Joule • Energia Elétrica: kWh → 1 KWh = 3 600 000 Joule •No Brasil é comum usar kcal→ 1 kcal = 4184 J Exemplos: Um sorvete Tablito da Kibon® tem 124 kcal, ou seja, 521 kJ. 7 Energia Dependendo do tipo de energia a unidade pode variar. • Energia térmica: caloria (cal) → 1 cal = 4,18 Joule • Energia Elétrica: kWh → 1 KWh = 3 600 000 Joule •No Brasil é comum usar kcal → 1 kcal = 4184 J Exemplos: Beijar por um minuto gasta 8 kcal de energia, ou seja, _______ Joule 8 Lei da Conservação de Energia 9 Lei da Conservação de Energia “A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra ou transferida de um corpo para outro.” 10 Tipos de energia 11 Energia Cinética Mesma velocidade Maior a massa maior energia cinética. 12 Energia Cinética Mesma velocidade Maior a massa Maior energia cinética. 13 Energia Cinética 14 Energia Cinética Mesma massa. Maior a velocidade Maior energia cinética. 15 Energia Cinética EXERCÍCIO: Um leão com cerca de 200 kg está atrás de uma zebra a 80 km/h (22,2 m/s). Qual a energia cinética no leão neste momento? 16 Energia Cinética EXERCÍCIO Um tubarão branco ataca sua presas e adquire uma velocidade de 50 km/h (13,9 m/s). Qual a energia cinética gasta pelo tubarão neste momento? O tubarão pesa em torno de 680 a 1100 kg. 17 Energia Potencial Gravitacional 18 ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL SE TRANSFORMANDO EM ENERGIA CINÉTICA. Energia Potencial Gravitacional Mesma altura Maior a massa Maior energia potência gravitacional. 19 Energia Potencial Gravitacional Mesma massa Maior altura Maior energia potencial gravitacional. 20 Energia Potencial Gravitacional Em criadouro de galinhas existe o poleiro onde as galinhas podem ficar. Considere que a galinha está em um poleiro a 15 cm (0,15 m) do chão. Qual o valor de energia que ela tem armazenada, sabendo que ela pesa cerca de 1,0 kg. Use a gravidade como 10 m/s² 21 Energia Potencial Gravitacional Calcule a energia potencial gravitacional de cada ave/objeto mostrada na figura. E diga qual a menor. Use a gravidade como 10 m/s² Grifo-pedrês, altura máxima de vôo 11.300 m, peso médio 9 kg. Condor Andino, altura vôo 4500m, peso médio 11,3 kg. Air Bus 380, altura máxima 12.000 m, peso médio 680 toneladas. Resposta: AirBus = 8,16x1010 J Grifo = 1.017.000 J Condor = 508.500 J 22 Energia Térmica 23 Energia Térmica 24 Energia Térmica Mais frio (menor temperatura) Mais quente (maior temperatura) 25 Energia Térmica Mais frio (menor temperatura) Mais quente (maior temperatura) 26 Energia Térmica 27 Então, a prof. Ao subir na cadeira gastou 240J de energia que se transformou em Energia potencial gravitacional . Posso dizer que ela gastou aproximadamente 60 caloria. Energia Química Energia armazenada nas moléculas da substância devido a sua ligação química. Uma forma de energia pode ser transformada em outra numa reação química. 28 Energia Química Energia armazenada nas moléculas da substância devido a sua ligação química. Exemplo: Combustão da vela: Ao queimar a vela ocorre a reação de oxidação (parafina + O2 ) representada abaixo: Parafina Oxigênio Gás carbônico Água 29 Energia Química Exemplo: Combustão da vela: Ao queimar a vela ocorre a reação de oxidação representada abaixo: Parafina Oxigênio Gás carbônico Água Energia menorEnergia maior 30Energia liberada na forma de calor e luz. Energia Química - Biológica Energia armazenada nas ligações química das moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e trifosfato de adenosina (ATP). 31 C10H15N5O10P2 C10H16N5O13P3 P Energia Química - Biológica Energia armazenada nas ligações química das moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e trifosfato de adenosina (ATP). 32 Energia Química - Biológica Energia armazenada nas ligações química das moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e trifosfato de adenosina (ATP). Libera energia para o organismo (67 J/g) 33 Energia Química - Biológica As moléculas de ATP estão presentes em quase todas as células dos seres vivos. E são formadas continuamente centro dessas células pelo processo de fotossíntese, respiração e fermentação. Fotossíntese: processo pelo qual as plantas e certos micro-organismo converte energia luminosa (fótons) em energia química (energia potencial nas moléculas de glicose e energia nas moléculas de ATP) https://www.youtube.com/watch?v=7oYRM2SHGwY 34 Energia Química - Biológica As moléculas de ATP estão presentes em quase todas as células dos seres vivos. E são formadas continuamente centro dessas células pelo processo de fotossíntese, respiração e fermentação. 35 FERMENTAÇÃO RESPIRAÇÃO CELULAR FOTOSSÍNTESE TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA BIOQUÍMICA Dentro das células, as reações químicas com liberação e absorção de energia estão relacionadas pela conversão das moléculas de ATP E ADP. Energia dos alimentos /da respiração celular Energia para a célula trabalhar 36 Depois de tudo que vimos análise as afirmativas abaixo como verdadeiras ou falsas: a) A energia cinética da formiga é maior que a energia cinética de uma tartaruga. b) O avião tem uma energia potencial GRAVITACIONAL maior EM UMA ALTURA DE UM METRO que um drone A 1,0 METRO. c) A energia química é responsável pela manutenção da vida. d) A respiração produz energia térmica para o organismo. e) O tubarão necessita de energia química para ela seja transformada em energia cinética durante a caçada. f) A fotossíntese produz energia térmica usada na alimentação dos seres vivos. 37 Fluxo de energia na biosfera 38 Fluxo de energia na biosfera 39 Fluxo de energia na biosfera O fluxo de energia é unidirecional e decrescente 40 Fluxo de energia na biosfera Sabendo sobre o fluxo de energia na biosfera, indiferente de suas preferências pessoais, você temque escolher entre um prato de alface e um prato de coelho assado qual tem maior concentração de energia. 41 Fluxo de energia na biosfera Sabendo sobre o fluxo de energia na biosfera, indiferente de suas preferências pessoais, você tem que escolher entre um prato de alface e um prato de coelho assado qual tem maior concentração de energia. A quantidade de energia armazenada por todos os produtores é maior que a quantidade de energia armazenada por todos os consumidores primários. 42 Energia e o corpo humano O corpo usa energia extraída dos alimentos para manter em funcionamento seus vários órgãos, manter sua temperatura constante e realizar trabalho externo (andar, estudar, namorar...) 43 ENERGIA DOS ALIMENTOS Energia e o corpo humano O corpo usa energia extraída dos alimentos para manter em funcionamento seus vários órgãos, manter sua temperatura constante e realizar trabalho externo (andar, estudar, namorar...) 44 ENERGIA DOS ALIMENTOS Energia e o corpo humano O corpo usa energia extraída dos alimentos para manter em funcionamento seus vários órgãos, manter sua temperatura constante e realizar trabalho externo (andar, estudar, namorar...) 45 FUNCIONAMENTO SEUS VÁRIOS ÓRGÃOS Energia e o corpo humano O corpo usa energia extraída dos alimentos para manter em funcionamento seus vários órgãos, manter sua temperatura constante e realizar trabalho externo (andar, estudar, namorar...) 46 REALIZAR TRABALHO EXTERNO 47 Musaranho : são menores mamíferos existentes, com cerca de 4 gramas. Sua taxa metabólica ( quantidade de calorias que o corpo gasta para sobreviver ) por grama é tão alta que ele deve ingerir diariamente uma quantidade de comida quase igual à sua massa (4,0 gramas de comida por dia). Ele literalmente come para viver. Trabalho (W) é o produto da força exercida sobre um corpo pelo deslocamento deste corpo na direção desta força, ou seja: W= F.d.cosθ onde: W = trabalho realizado (N.m = J) F= força (N) d = distância percorrida (deslocamento do corpo) (m) cos θ = cosseno do ângulo formado pela força e o deslocamento Trabalho 48 Exemplo: Determine o trabalho feito para mudar o armário de lugar se a força feita foi de 300 Newtons (N) e arrastou o armário por 2 metros (m). Resolução: São dados do exercício: F = 300N d = 2 m cos θ = 1 ( pois a força e o deslocamento têm a mesma direção e sentido) logo, aplicando a equação do trabalho, temos: 49 W = F.d.cosθ W = 300. 2.1 W= 600 J Exemplo: Lucy pediu ajuda do Sandro para mover sua cadeira de rodas por 500 m. Para ajudar a amiga Sandro fez uma força de 40N. Determine o trabalho por Sandro. W = F.d.cosθ 50Resposta 20.000J O trabalho é igual à variação de energia cinética (energia do movimento) de um corpo: W = ΔEc Qual das figura abaixo realiza trabalho? Trabalho 51 PoTência 52 Potência Podemos transferir energia (trabalho) lentamente ou rapidamente. Se você sobe uma escada o trabalho para levantar o seu próprio peso é o mesmo, porém ao subir depressa, você terá maior POTÊNCIA. 53 Potência Vamos calcular a potência em duas atividades física: 1) Ao caminhar uma pessoa de 70 kg, realiza um trabalho de 23.012 J. Se a pessoa caminhar durante 1 minuto qual a potência feita por essa pessoa? 2) Um Tiranossauro Rex atinge 40 km/h (11,11 m/s) numa caçada por cerca de 20 segundos. Um biólogo está estudando os hábitos deste animal paleontólogo e calcula a energia e potência dele neste caçada. Sabe que este animal pesava cerca de 5.000 kg. 54 EN ER G IA FONTE CONVENCIONAL ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA DOS COMBUSTÍVEIS VEGETAL FÓSSEIS FONTE NÃO CONVENCIONAL ENERGIA GEOTÉRMICA ENERGIA NUCLEAR ENERGIA SOLAR ENERGIA EÓLICA 55 EN ER G IA FONTE CONVENCIONAL (tecnologia de conversão em outra energia já esta desenvolvida. É viável) ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA DOS COMBUSTÍVEIS FONTE NÃO CONVENCIONAL (tecnologia de conversão não totalmente desenvolvida. Algumas não viável economicamente.) Surgiu da necessidade de energia renováveis. ENERGIA GEOTÉRMICA ENERGIA NUCLEAR ENERGIA SOLAR ENERGIA EÓLICA 56 FONTE ENERGIA Energia solar – A energia luminosa do sol é transformada em eletricidade por um dispositivo eletrônico, a célula fotovoltaica. Ou uso de coletores solares térmico (calor) do sol para aquecer água. Energia luminosa – é a energia que está associada à radiação solar, á luz (fótons). Luz das lâmpadas, vagalumes 57 Energia hídrica – é a energia que está associada à água armazenada numa barragem. Energia hídrica/ ondas– As águas do mar movimentam uma turbina que aciona um gerador de eletricidade, num processo similar ao da energia eólica. Não existe tecnologia para exploração comercial. Franca, Inglaterra e Japão são os pioneiros na produção 58 FONTE ENERGIA Energia geotérmica – é a energia que está associada ao calor proveniente do interior da Terra (geiseres) Energia eólica – O vento gira as pás de um gigantesco catavento, que aciona um gerador, produzindo corrente elétrica. Maiores produtores: Alemanha, Espanha e EUA. 59 FONTE ENERGIA A biomassa A biomassa consiste no aproveitamento da energia acumulada nos combustíveis tradicionais (lenha) e em algumas plantas com elevado teor energético (milho, cana-de-açúcar). 60 FONTE ENERGIA Biogás Transformação de excrementos animais e lixo orgânico, como restos de alimentos, em uma mistura gasosa, que substitui o gás de cozinha, derivado do petróleo. A matéria-prima é fermentada por bactérias num biodigestor, liberando gás e adubo. Referências Eduardo A. C. Garcia; Biofísica; Editora Savier José Enrique Rodas Durán; Biofísica – Fundamentos e Aplicações; Editora Prentice Hall Halliday, D., Walker, J. e Resnick, R. Fundamentos de física. 4° ed. São Paulo: LTC, 2004. Okuno, Caldas & Chow- Física para Ciências Biológicas e Biomédicas 61
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