Cons. de Energia OFICIAL

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Universidade Estadual do centro-Oeste – UNICENTRO
SEET – Setor de Ciências Exatas e de Tecnologia
DEQ – Departamento de Química
Campus Universitário Cedeteg
Conservação de Energia
Capitulo XIII
Danúbia J. Bento da Silva e Marcelo Schram
1º Ano de Química Licenciatura
MECÂNICA
	
A Mecânica é a parte da física que estuda o movimento dos corpos. 
É dividida em:
Cinemática: Descreve o movimento dos objetos sem se preocupar com as causas. 
Dinâmica: É o estudo do movimento e suas causas. Tem como base de seus conteúdos as Leis de Newton.
Estática: Estuda o equilíbrio de um sistema sob a ação de várias forças.
ENERGIA MECÂNICA
	Apresentamos a noção de energia como um conceito intuitivo. É usual dizer que um sistema físico tem energia mecânica, em relação a um certo referencial, quando ele é capaz de modificar-se espontaneamente e de realizar trabalho, isto é, o sistema possui energia mecânica quando existe a possibilidade de transformá-la ou transferi-la total ou parcialmente para outros sistemas físicos.
Energia mecânica traduz a capacidade para realizar trabalho.
	
	
ENERGIA MECÂNICA
	Uma mola comprimida, o elástico esticado de um estilingue, um corpo no alto de um prédio, um carro em movimento são exemplos de sistemas energizados.
	
	
TRABALHO
O Trabalho de uma força é uma maneira de medir a quantidade de energia transferida, ou transformada, de um sistema para outro, ou, em certos casos, a quantidade de energia transformada dentro de um mesmo sistema.
Duas condições para que ocorra trabalho:
Que haja deslocamento
Que haja força ou componente da força na direção do deslocamento
POTÊNCIA
	Para medir a rapidez com que se realiza um certo trabalho, utiliza-se uma grandeza denominada potência.		
Se uma força realiza um trabalho durante um intervalo de tempo, a potência desta força é definida como:
 P = trabalho realizado pela força
				tempo decorrido na realização 	
	
	
CONCEITOS DE ENERGIA 
	Conceitua-se energia como aquilo que nos capacita a realizar tarefas, tais como levantar um copo, arremessar uma pedra, subir uma escada, preparar alimentos, movimentar um carro etc.	
	A energia necessária para realizar as tarefas é proveniente de algum combustível como, por exemplo: carvão, gasolina, alimentos etc.
	A energia pode se transferir de um corpo para outro ou ainda pode se transformar de uma modalidade em outra. 
LEIS DE NEWTON
Na ausência de forças, um corpo em repouso continua em repouso e um corpo em movimento move-se em linha reta, com velocidade constante.
A aceleração que um corpo adquire é diretamente proporcional à resultante das forças que atuam nele e tem a mesma direção e o mesmo sentido desta resultante.
Quando um corpo A exerce uma força sobre um corpo B, o corpo B reage sobre A com uma força de mesmo módulo, mesma direção e de sentido contrário.
CONCEITOS DE ENERGIA 
	
	A energia pode se manifestar sob diversas modalidades: a energia mecânica (do tipo potencial e do tipo cinética), a energia elétrica, a energia química, a energia térmica, a energia radiante, etc.
		
. 	
ENERGIA CINÉTICA
Qualquer corpo em movimento tem capacidade de realizar trabalho e, portanto, possui energia. Essa energia é denominada energia cinética.
“ Quando um corpo de massa m está se movendo com uma velocidade v, ele possui energia cinética” 
 ENERGIA POTENCIAL
Quando em virtude de sua posição, um corpo tem possibilidade de entrar em movimento. 
Admite duas modalidades
Energia Potencial de Gravidade: É uma forma de campo, isto é, consequência do campo de forças gravitacionais que existe em torno da terra
Energia Potencial Elástica: Ou de deformação. É uma forma de energia mecânica armazenada em uma mola deformada ou em um elástico esticado.
Conservação
de Energia
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
O	 conceito de energia foi fundamental para o crescimento da ciência, em particular da física. Sabemos que é possível transformar qualquer tipo de energia em outra, porém é impossível “criar” ou “gastar” energia sem sentido literal. 
	A energia pode ser transformada de uma forma em outra mas não pode ser criada nem destruída, a energia total é constante. 
	Esse resultado é observado sempre: se uma dada quantidade de energia de um certo tipo desaparece, verifica-se o aparecimento de outro tipo de energia em quantidade equivalente a energia desaparecida, isto é, nunca se observa o desaparecimento de energia, mas a transformação de uma forma de energia em outra.
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
	Assim a energia mecânica se transforma em energia elétrica (em uma usina hidrelétrica), a energia térmica em energia mecânica (em um automóvel), a energia elétrica em energia mecânica (no motor de uma enceradeira), a energia elétrica em calor (em um aquecedor) etc. Em todas essas transformações observa-se que não há criação nem destruição da energia, de modo que a quantidade total de energia envolvida em um fenômeno permanece sempre a mesma, isto é ela se conserva.
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Seguindo mais ou menos o mesmo modelo da conservação de massas, em 1842, Julius Robert Mayer apresentou o modelo da conservação de energia. Dizendo que quando uma energia é perdida em uma reação, ela é transformada em uma energia de outro tipo.  Assim como na conservação de massa, em um sistema completamente fechado a energia permanece a mesma, só que no caso da energia, o sistema também precisa ser isolado termicamente para evitar a perda em forma de calor. Qualquer movimento é realizado através de transformação de energia, por exemplo, quando você corre, transforma a energia química de seu corpo em energia cinética. O mesmo acontece para a conservação de energia mecânica.
Podemos resolver vários problemas mecânicos conhecendo os princípios de conservação de energia.
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Por exemplo, Se segurarmos um corpo de testes do alto de um prédio e o mantivermos parado, ele possuirá apenas energia potencial conferida a ele pelo seu peso e a força da gravidade, calculada pela fórmula mgh Sendo m a massa do corpo, g a aceleração da gravidade e h a altura do corpo. Agora, no momento em que soltamos esse corpo e ele cai por toda a altura do prédio. À medida que sua altura vai diminuindo com a queda ele perde energia potencial que vai se transformando em energia cinética com o aumento da velocidade expressa por: mv2 / 2, sendo m a massa do corpo e v a velocidade dele em um dado momento, Dizemos que a energia potencial se transformou, ou se converteu, em energia cinética.
Quando não são consideradas as forças dissipativas (atrito, força de arraste, etc.) a energia mecânica é conservada, então:
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Para o caso de energia potencial gravitacional convertida em energia cinética, ou vice-versa:
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
Para o caso de energia potencial elástica convertida em energia cinética, ou vice-versa:
PRINCIPIO GERAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
O princípio da conservação de energia mecânica diz que a energia mecânica de um sistema é a soma da energia cinética e da energia potencial.
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ENERGIA MECÂNICA TOTAL
A Energia mecânica total Em é a soma das energias cinética e potencial.
Em = Ecinética + Epotencial
	
O valor da energia mecânica total depende do referencial e pode ser negativo, positivo ou nulo.
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Forças Conservativas 
e 
Forças Não-Conservativas 
ou Dissipativas
SISTEMA DE FORÇAS CONSERVATIVAS
	Um sistema de forças é dito conservativo quando ele não altera a energia mecânica do corpo ou sistema de corpos sob a ação das forças que o constituem. É relevante salientar o fato de que as energias potencial e cinética, em geral variam e apenas a sua soma permanece constante. Isso significa que a energia mecânica pode mudar de forma a passando de potencial para cinética ou vice-versa, porém o conteúdo total continua o mesmo, isto é o que perde de energia potencial o sistema ganha em energia cinética e vice-versa.
Em = Ecin + Epot
= constante
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SISTEMA DE FORÇAS CONSERVATIVAS
	Em particular para uma partícula sob a ação exclusiva do campo de gravidade da Terra, suposto uniforme, temos: 
	
		 Em= m . V² + m . g . H = constante
			 2
	Se a partícula estiver sob a ação de uma força elástica, além da energia potencial de gravidade mgH, também devemos computar a energia potencial elástica, dada por: 
	
	Onde K é a constante elástica da força e X o afastamento da posição de energia potencial nula.
Assim:
 	 Em= mV² + mgH + Kx² = constante
	 2	 2
Forças Conservativas e Forças Não Conservativas
1 - Sistemas Conservativos
	1.1 Sem Atrito
	1.2 Sem Resistência do Ar
2 – Sistemas Não-Conservativos/ Dissipativos
	2.1 Com Atrito
	2.2 Com Resistencia do Ar
SISTEMA DE FORÇAS CONSERVATIVAS
Exemplo:
	Consideremos uma pedra de massa1,0 Kg abandonada da janela de um edifício, de uma altura de 100m em relação ao nível do chão.
Consideramos desprezíveis os efeitos do atrito com o ar, adotemos o nível do chão como plano de referência e g= 10m/s2
	Abaixo uma tabela com valores da energia potencial, cinética e mecânica da pedra desde o instante em que foi abandonada até atingir o solo:
 SISTEMA DE FORÇAS CONSERVATIVAS
 SISTEMA DE FORÇAS CONSERVATIVAS
 SISTEMA NÃO-CONSERVATIVOS
	Em um sistema de forças não-conservativas, há variação de energia mecânica total.
Alguns exemplos:
Explosão: Quando há uma explosão, há liberação de energia potencial química ou energia nuclear, havendo um aumento da energia mecânica. Por ex. quando uma granada explode, os fragmentos adquirem grande quantidade de energia cinética, havendo extraordinário aumento de energia mecânica no sistema.
Colisões inelásticas: Nas colisões inelásticas há diminuição da energia mecânica do sistema, pois há transformação de energia mecânica em térmica e sonora (provocando aquecimento e barulho) e, ainda em trabalho nas deformações permanentes.
 SISTEMA NÃO-CONSERVATIVOS
Presença de forças dissipativas: Quando existem, no sistema, forças dissipativas, como a força da resistência de ar, a força do atrito, a força viscosa de líquidos, há diminuição de energia mecânica, com a transformação, principalmente em energia térmica.
Presença de forças externas realizando trabalho: Quando o sistema físico está sujeito à ação de forças externas que realizam trabalho sobre o sistema, a sua energia mecânica pode variar, o que implica um sistema não-conservativo. Exemplificando: quando empurramos um bloco para cima em um plano inclinado com velocidade constante, a energia mecânica do bloco aumenta e o sistema não é conservativo.
Forças Conservativas e Forças Não Conservativas
1 - Sistemas Conservativos
	1.1 Sem Atrito
	1.2 Sem Resistência do Ar
2 – Sistemas Não-Conservativos/ Dissipativos
	2.1 Com Atrito
	2.2 Com Resistencia do Ar
TRABALHO REALIZADO SOBRE UM SISTEMA POR FORÇAS EXTERNAS
Considera-se um sistema na qual:
- Forças externas podem alterar a energia total
- A energia pode ser armazenada internamente nos movimentos ou nas interações entre os átomos ou nas moléculas dos constituintes
- Forças não-conservativas podem agir, em particular as forças do atrito
- A energia pode ser alterada através de transferência de calor.
Em cada caso será visto como o conceito de energia e a lei de conservação de energia. 
Pode-se analisar pelos efeitos das forças externas que atuam sobre um sistema.
O trabalho externo pode ser entendido como um meio de transferir energia entre o sistema e a vizinhança.
O trabalho externo positivo realizado sobre o sistema pela vizinhança transporta energia para o sistema aumentando assim a sua energia total, por outro lado, o trabalho externo negativo realizado sobre o sistema, pela vizinhança transfere energia para fora do sistema, e portando diminui a sua energia total.
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM UM SISTEMA DE PARTICULAS
A energia pode mudar de uma forma para outra dentro do sistema. Em um sistema isolado, a energia total permanece constante; a energia total de um sistema pode ser alterada através de transferência de energia na forma de trabalho externo
REAÇÕES E DECAIMENTOS
	A lei da conservação de energia tem uma ampla utilização na análise de uma grande variação de processos que envolvem reações e decaimentos, em uma escala que engloba átomos e moléculas (reações químicas, formação molecular) núcleos (reações de fusão, decaimentos radioativos) e elementares (colisão de altas energias). Com essa Lei mais geral é até possível analisar processos nos quais as identidades dos objetos mudam durante a colisão.
Exemplo: 		 n + 6Li -> 4He + 3H
A energia interna dos agrupamentos pode variar durante a reação. 
Antes da colisão quando estão suficientemente longe um do outro, não existe interação entre eles e portanto não existe energia potencial. 
REAÇÕES E DECAIMENTOS
	Considerando a reação A + B -> C + D, escolhendo-se as fronteiras do sistema de modo que ela inclua os objetos A e B antes da colisão, quando eles estão suficientemente longe um do outro, não existindo nenhuma interação, e assim, sem energia potencial. (Tanto A como B pode ter uma energia potencial interna, mas não existe nenhuma energia potencial devido a qualquer interação de A com B). A energia cinética total deste sistema é Kt = KA + KB.
	Durante a reação podem existir reordenações intensas de maneira que as partículas finais C + D sejam diferente de A + B, mas as partículas finais C + D permaneçam dentro da fronteira do sistema e componham o sistema após a reação.
	A energia cinética final é maior que a energia cinética inicial o que indica que parte da energia interna dos objetos que colidiram foi transformada em energia cinética. Esses tipos de reações são chamadas de exotérmica. 
	Após a reação a energia cinética total é dada por : Kt = KC + KD, da mesma forma que no estado inicial.
Transferência de Energia
através de Calor
A energia de um sistema pode ser modificada pelo trabalho que é realizado sobre o sistema através de sua vizinhança.
O trabalho é uma forma das formas que um sistema pode trocar energia com as vizinhança.
 A outra forma é através do calor. 
Meios de Transferência de Energia
TEMPERATURA E CALOR
Temperatura
Temperatura e Equilíbrio Térmico
O conceito de temperatura é originado a partir das ideias de “Quente” e de “Frio”, são baseados nos sentidos de tato. 
Um corpo que parece estar quente normalmente possui uma temperatura mais elevada do que um corpo que esta frio. Isso é vago, e os nossos sentidos podem ser enganosos.
Para usar a temperatura como uma medida para saber se um corpo está quente ou frio, precisamos construir uma escala de temperatura. 
O que é essa escala de temperatura?
Termômetros
Para medir a temperatura de um corpo, colocamos um termômetro em contato com um corpo.
Quando o estacionário é atingido, podemos ler a temperatura.
Dizemos que o sistema chegou ao equilíbrio.
Equilíbrio Térmico
Como combater o EQUÍLIBRIO TÉRMICO?
Utilizando um isolante ideal
Quando C está em equilíbrio térmico com A e B, então A também está simultaneamente em equilíbrio com B
Este resultado é conhecido como a
Lei Zero da Termodinâmica
Agora consideramos o Sistema C, como sendo um termômetro.
Acerca disso podemos concluir que:
Dois sistemas estão em equilíbrio térmico somente quando eles possuem a mesma temperatura.
Quando as temperaturas de dois sistemas são diferentes, eles não podem estar em equilíbrio térmico
TEMPERATURA E CALOR
CALOR
A transferência de energia produzida apenas por uma diferença de temperatura denomina-se transferência de calor ou fluxo de calor, e a energia transferida deste modo denomina-se calor.
CALOR
O estudo da relação entre o calor e outras formas de energia evoluiu gradualmente durante o século XVIII e o século XIX. Sir James Joule (1818-1889) estudou o que acontece com a água quando ela é intensamente mexida com um agitador.
Joule,
verificou que o aumento de temperatura é proporcional ao trabalho realizado.
É extremamente importante saber distinguir a diferença entre calor e temperatura.
A temperatura depende do estado físico de um material e sua descrição quantitativa indica se o material está quente ou frio.
Na física o termo “calor” sempre se refere a uma transferência de energia de um corpo ou sistema para outro em virtude de uma diferença de temperatura entre eles, nunca indica a quantidade de energia contida em um sistema particular.
Quando dividimos um corpo em duas metades, cada metade possui a mesma temperatura do corpo inteiro: porém, para aumentar a temperatura até um mesmo valor final, devemos fornecer a metade da energia que seria fornecida ao corpo inteiro.
SIMPLIFICANDO
CALOR
Calor é sempre a energia em transito entre corpos.
TEMPERATURA
Temperatura é uma medida da energia interna de um único corpo. 
Primeira Lei da Termodinâmica
Na natureza nada se cria, 
nada se perde, tudo se transforma.
Lavoisier, séc. 18
A Lei Zero Da Termodinâmica
A lei zero da termodinâmica afirma que "Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo T, A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
A Segunda Lei da Termodinâmica
É impossível construir um dispositivo que opere, segundo um ciclo, e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo quente para um corpo frio.
As leis da Termodinâmica
A Primeira Lei da Termodinâmica, é fundamental para entender tais processos, é uma extensão do principio da conservação de energia. 
A conservação de energia desempenha um papel vital em todas as partes das ciências físicas e a primeira lei da termodinâmica possui uma utilidade muito grande.
Sistemas Termodinâmicos
Um sistema termodinâmico é aquele que interage (e troca energia) com suas vizinhanças, ou ambiente, pelo menos de dois modos diferentes, um dos quais mediante a transferência de calor.
Para os sistemas termodinâmicos e para todos os outros, é essencial definir exatamente logo no inicio o que pode e o que não pode ser incluído no sistema.
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Tipos de Processos Termodinâmicos
 PROCESSO ADIBÁTICO - É aquele que não envolve troca de calor.
 PROCESSO ISOCÓRICO – É processo que mantém o volume constante.
 PROCESSO ISOBÁRICO – É um processo que mantém a pressão constante.
 PROCESSO ISOTÉRMICO – É um processo que mantém a constante.
A Primeira Lei da Termodinâmica 
e o
 Desperdício de Energia
Mas se: NADA SE PERDE, TUDO SE TRANSFORMA
O DESPERDICIO DE ENERGIA REALMENTE EXISTE ?
Significa que uma energia utilizada não pode ser reutilizada.
Ex.: Não se pode utilizar o gás que saiu do escapamento do carro, e encher o tanque novamente.
Todas as transformações onde não há reaproveitamento, chamamos de
 TRANSFORMAÇÕES IRREVERSIVEIS.
Uma energia que pode ser transformada em outra forma de energia e voltar a ser o que era, antes da transformação.
Um sistema com essa propriedade é chamado de: 
SISTEMA CONSERVATIVO, caso não haja essa propriedade e chamado de SISTEMA DISSIPATIVO.
Transformações Reversíveis
Sir James Joule
E o Aparato de Joule
O experimento de Joule foi projetado para elevar a temperatura de uma quantidade de agua realizando-se um trabalho sobre ela ao invés de transferir-se calor para ela.
Hoje em dia mede-se o calor , bem como outras foras de energia, em Joules, e assim este fator de conversão perdeu a importância que tinha na época de Joule. Contudo o experimento realizado por Joule em 1850, proporcionou uma direção ao mostrar que o calor, bem como o trabalho, pode ser corretamente visto como uma forma de transferir energia.
Capitulo XIII
Conservação de Energia
Trabalho elaborado pelos acadêmicos: 
Danúbia J. B. da Silva e Marcelo Schram
1º Ano de Química Licenciatura
Disciplina: Física I
Professora: Jaciele F. Lyra Rebello