Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)

Física 2 Uma Abordagem Estratégica Termodinamica, Optica Randall D. Knight (2009, Bookman)


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F empurra contra a parede do recipiente. 
Vamos definir a pressão neste ponto no fluido como sendo a razão entre a força e a área 
na qual a força é exercida: 
F p = -
A 
(15.3) 
Observe que a pressão é escalar, e não, um vetor. A partir da Equação 15.3, pode-se ve-
rificar que um fluido exerce uma força de módulo 
F=pA (15.4) 
obre uma superfície de área A. Esta força é perpendicular à superfície. 
NOTA ... A pressão em si não é uma força, mesmo que às vezes falemos informal-
mente sobre "a força exercida pela pressão". O enunciado correto é que o fluido 
exerce uma força sobre uma superfície. ..,. 
De acordo com sua definição, a pressão tem por unidade o N/m2\u2022 A unidade de 
pressão do SI é o pascal, definido como: 
1 pascal = 1 Pa = 1 N/m2 
Essa unidade recebeu seu nome em homenagem ao cientista francês do século XVII, 
Blaise Pascal, um dos primeiros a estudar os fluidos. Grandes pressões são, muitas ve-
zes, expressas em quilopascals, sendo 1 kPa = 1000 Pa. 
A Equação 15.3 é a base para o dispositivo simples de medição de pressão mostrado 
na FIGURA 15.5a. Uma vez que a constante elástica k e a área A são conhecidas, podemos 
determinar a pressão medindo a compressão da mola. Depois de construir o dispositivo, 
podemos inserir diversos líquidos e gases para estudar a pressão. A FIGURA 15.5b mostra 
que podemos aprender a partir de uma série de experimentos simples. 
FIGURA 15.l A pressão da água empurra o 
líquido lateralmente, para fora dos orifícios. 
A ~A .. · 
.·· 
..... 
O fluido eil)purra a 
área A com força F. 
FIGURA 15.4 O fluido pressiona a área A 
com uma força F. 
(a ) (b) Dispositivo para a medição da pressão em um fluido 
ácuo ; nenhuma 
força de fluido é 
exercida sobre o 
pistão deste 
lado. 
O fluido exerce força F sobre um 
pistão com área de superfície A. 
_2. A força comprime a mola. Uma 
. .. / vez que a constante elástica k é 
/ conhecida, podemos usar a com-
pressão da mola para encontrar F. 
3. Já que A é conhecida, podemos 
determinar a pressão a partir de 
p =FIA. 
FIGURA 15.5 Aprendendo sobre a pressão. 
1. Há pressão em todos os lugares de um fluido , e não 
· 1····· apenas no fundo ou nas paredes do recipiente 
./ que o contém. 
1--------.,>--1 
./ .·· 2 . Apontando-se o dispositivo de medição de pressão para 
tij ·"· r cima, para baixo ou lateralmente, a pressão em um ponto 
./ do fluido é a mesma O fluido pressiona para cima, para 
/ baixo e para os lados com o mesmo valor de força. 
[E S:: IÍ! ... 3. Em um líquido, a pressão aumenta proporcionalmente à 
..... profundidade em relação à superfície. Em um gás, a 
S:::: ~······· pressão é quase a mesma em todos os pontos (pelo menos 
em recipientes do tamanho dos usados em laboratório) . 
O primeiro enunciado da Figura 15.5b é particularmente importante. A pressão exis-
!e em todos os pontos de um fluido, e não, apenas nas paredes do recipiente. Você pode 
lembrar que a tensão existe em todos os pontos de um barbante, e não, apenas em suas 
extremidades, onde ele é amarrado a um objeto. Entendemos a tensão como as partes 
diferentes do barbante que puxam umas às outras. A pressão é uma idéia análoga, exceto 
pelo fato de que as partes diferentes de um fluido estão puxando umas às outras. 
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Líquido 
@] 
Nada toca as paredes. 
Não há pressão. 
Gás 
o 
o o 
As moléculas colidem 
contra a parede. Existe 
pressão. 
FIGURA 15.6 Um líquiélo e um gás em um 
ambiente sem peso. 
.. ·· 
-----.,.,;/ 
Há um número 
./enorme de colisões 
,/ de· moléculas do 
.. 
gás com a parede 
a cada segundo. 
Cada colisão 
exerce uma força 
/ minúscula sobre 
./ a parede. A força 
.... ··· resultante de todas 
as colisões faz 
com que o gás 
tenha uma pressão. 
FIGURA 15.7 A pressão de um gás deve-se 
à força resultante gerada pelas colisões das 
moléculas com as paredes. 
Líquido 
bd 
Enquanto·a gravidade 
exerce uma força para 
baixo, o líquido exerce 
uma força sobre o fundo 
e as laterais do recipien-
te que o contém. 
Densidade e pressão 
ligeiramente menores 
no topo 
Gás 
., 
~) 
.,,, 't> 
" 
.,p 
o< 
&quot; .. ., 
A gravidade tem 
,pouco efeito sobre 
a pressão do gás. 
FIGURA 15.B A gravidade afeta a pressão 
dos fluidos. 
A origem da pressão 
Os gases e os líquidos são fluidos, mas eles apresentam algumas diferenças importantes 
entre si. Os líquidos são praticamente incompressíveis; os gases são altamente compres-
síveis . Em um líquido, as moléculas atraem-se mutuamente por meio de ligações mole-
culares; em um gás, as moléculas interagem somente através de ocasionais colisões. 
Essas diferenças afetam a maneira como pensamos sobre a pressão em gases e líquidos. 
Imagine que você disponha de dois potes lacrados, cada qual contendo uma pequena 
quantidade de mercúrio e nada mais. Todo o ar foi removido deles. Suponha, então, que 
você leve os dois potes para um ônibus espacial em órbita, onde eles não apresentam 
peso. Um dos potes você mantém resfriado a fim de que o mercúrio se mantenha líquido. 
O outro você aquece até que o mercúrio ferva e tome-se um gás. O que pode ser dito 
sobre a pressão nesses dois potes? 
Conforme mostra a FIGURA 15.6 , as ligações moleculares mantêm o mercúrio líquido 
coeso. Ele pode vibrar como uma gelatina, mas permanece uma gota coesa flutuando no 
centro do pote. A gota de líquido não exerce nenhuma força sobre as paredes, então não 
há pressão no pote contendo o líquido. (Se realmente realizarmos este experimento, uma 
pequena fração do mercúrio estaria na fase de vapor e criaria o que é chamado de pressão 
de vapor. Podemos tomar a pressão de vapor desprezível mantendo a temperatura baixa.) 
Com um gás é diferente. A Figura 15.1 'introduziu um modelo atômico de gás no 
qual uma molécula se move livremente até colidir com outra ou com a parede do reci-
piente. A FIGURA 15.7 mostra algumas das moléculas do gás colidindo contra a parede. De 
nosso estudo de colisões no Capítulo 9, 'recorde-se de que cada molécula, à medida que 
se desloca, exerce um minúsculo impul'so sobre a parede. O impulso de qualquer colisão 
é extremamente pequeno, mas há um número extraordinariamente grande de colisões 
com a parede a cada segundo. Essas colisões fazem com que o gás tenha uma pressão. 
A pressão de um gás pode ser calculada a partir da força resultante que as moléculas 
exercem sobre a parede dividida pela área da parede. Faremos esse cálculo no Capítulo 
18. Por enquanto, simplesmente observaremos que a pressão é proporcional à densidade 
do gás contido no recipiente e à temperatura absoluta. 
A FIGURA 15.8 mostra o pote de volta à Terra. Devido à gravidade, o líquido agora 
se encontra no fundo do pol:e e exerce uma força sobre o fundo e sobre as laterais. O 
mercúrio Jíquido é incompressível; logo, o volume de líquido na Figura 15.8 é o mesmo 
que na Figura 15.6. Não há pressão sobre a parte superior do pote (exceto uma pressão 
de vapor muito pequena). 
À primeira vista, a situação ·do pote cheio de gás parece inalterada em relação à da 
Figura 15.6. Entretanto, a força gravitacional da Terra faz com que a densidade do gás 
seja levemente maior no fundo do pote do que na parte superior do mesmo. Uma vez que 
a pressão, em função das colisões, é proporcional à densidade, ela é ligeiramente maior 
nó fundo do pote do que em sua parte superior. 
Dessa forma, parece haver duas contribuições à pressão num recipiente de fluido: 
1. Uma contribuição gravitacional que surge da força da gravidade exercida sobre o 
fluido . Já que o fluido pode escoar, as forças são exercidas sobre o fundo e sobre 
as laterais do recipiente . .A contribuição gravitacional depende da força da atração 
gravitacional. 
2. Uma contribuição térmica devido às colisões das moléculas do gás, que se mo-
vem livremente,