Química e Física dos Materiais I - Moodle

Química e Física dos Materiais I
Tópicos de Física
–
Grandezas e unidades físicas
–
Ondas eletromagnéticas
–
Estrutura da matéria
Jorge Miguel Sampaio
Endereço eletrónico: [email protected]
Gabinete: C8.5.19
Precedências (matemática)
Operações com números
Operações com números reais:
Inteiros, Racionais e irracionais (positivos e negativos)
Operações com frações;
Raiz de um número (quadrada, cúbica, ...)
Operações com potências (quadrado, cubo, …)
Geometria
Cálculo de áreas e perímetros de figuras geométricas;
Cálculo de volume de sólidos geométricos.
Trigonometria
Teorema de Pitágoras;
Círculo trigonométrico;
Funções trigonométricas (sen(x), cos(x), tan(x), cot(x));
Equações
1º grau e regras de proporcionalidade;
2º grau (fórmula resolvente);
Precedências
(física)
Movimento e forças
Posição;
Velocidade;
Aceleração;
Quantidade de movimento = momento linear;
Noção de força;
Trabalho de uma força;
Leis de Newton;
Energia cinética;
Eletricidade e magnetismo
Intensidade da corrente elétrica;
Potencial elétrico;
Resistência elétrica;
Energia e potência elétrica;
Estrutura atómica
Modelo da nuvem atómica
Configuração eletrónica
Número atómico
Número de massa e isótopos
Tabela periódica
Grandezas e Unidades Físicas
Newton (1795-1805), William Blake
Jorge Miguel Sampaio
[email protected]
Teorias e experiências
O objetivo da física é desenvolver teorias baseadas em experiências que
permitam descrever propriedades mensuráveis dos sistemas físicos;
Uma teoria física é um modelo matemático sobre o funcionamento do
sistema físico;
Uma boa teoria física deve fazer previsões sobre o comportamento do
sistema físico em determinadas condições;
As experiências/observações avaliam se as previsões estão corretas;
Todas as teorias físicas são work in progress.
1. O que é uma grandeza física?
É uma propriedade de um objeto ou substância que pode ser quantificada
e medida;
Uma grandeza física expressa-se pelo produto de um valor numérico e
uma unidade de medida;
Associada a uma grandeza física deve existir um instrumento ou conjunto
de instrumentos de medida que a possam medir;
As unidades de uma grandeza física expressam-se num determinado
sistema de dimensões.
Exemplo
Grandeza física
Valor numerico
Unidade
Altura
1.4
m
Largura
42
cm
Profundidade
350
mm
Dimensões: comprimento
Hill house chair (1903), R. Mackintosh
Grandeza físicas e instrumentos de medida
(exemplos)
Grandeza física
Comprimento
Massa
Tempo
Temperatura
Corrente eléctrica
Intensidade luminosa
Pressão (atmosférica)
Húmidade (do ar)
Instrumento de medida
Régua, fita-métrica, odómetro, ...
Balança
Cronómetro
Termómetro
Amperímetro
Fotómetro
Barómetro
Higrómetro
Etc...
Etc..
Dimensões físicas fundamentais
Definem-se 7 dimensões físicas fundamentais:
•
Comprimento (L);
•
Massa (M);
•
Tempo (T);
•
Temperatura (Θ);
•
Corrente elétrica (I);
•
Quantidade de matéria (N);
•
Intensidade luminosa (J).
Todas as outras dimensões físicas podem ser construídas a partir destas.
Dimensões físicas derivadas (exemplos)
•
Área = LxL=L2;
•
Volume = LxLxL=L3;
•
Velocidade = L/T;
•
Aceleração = v/T=L/T2;
•
Densidade (mássica) = M/Volume = M/L3;
•
Luminância (brilho) = J/Área = J/L2;
•
Carga elétrica = I x T;
•
Energia = MxL2/T2;
•
Potência = Energia/T = ML2/T3;
•
Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = ML 2/(IT3);
•
Etc...
Exercícios de revisão I
Relacione as dimensões das seguintes grandezas físicas com as
dimensões fundamentais, tendo em conta as equações físicas:
•
Lei fundamental da dinâmica: F = ma (= massa x aceleração);
•
Momento linear: p = mv (= massa x velocidade);
•
Trabalho de uma força: W = Fd (= força x distância);
•
Energia cinética de um corpo: E = mv2/2;
•
Pressão sobre um corpo: P=F/S (força a dividir pela área);
•
Resistência eléctrica: R =V/I (= tensão a dividir pela corrente);
•
Entropia: S = Q/T (= energia transferida a dividir pela temperatura);
•
Campo elétrico: E = V/d = F/q (= tensão a dividir pela distância = força
a dividir pela carga).
Análise dimensional
É um método que permite verificar se uma relação entre duas grandezas
físicas é correta do ponto de vista dimensional. Consideremos a relação
Y = aX + b
onde Y = “alhos” e X = “bugalhos”
Não se pode misturar “alhos” e “bugalhos”, logo:
b = “alhos”
a = “alhos”/”bugalhos”
E se a relação fôr
Y = a x2 - b ?
2. Sistemas de unidades físicas
Quando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é
necessário especificar a unidade em que ela foi medida.
Quantos giraçois existem nesta versão de V.
van Gogh?
Respostas:
15;
1.25 (1 e ¼);
1.5 (1 e ½).
2. Sistemas de unidades físicas
Quando se comunica o resultado de uma medida de um grandeza física é
necessário especificar a unidade em que ela foi medida.
Quantos giraçois existem nesta versão de V.
van Gogh?
Respostas:
15 giraçóis;
1.25 dúzias de giraçóis;
1.5 dezenas de giraçóis
Sistema Internacional (S.I.)
É forma moderna do sistema métrico e foi estabelecido em 1960 (é também
conhecido por sistema MKS). As suas unidades fundamentais são:
•
Comprimento: L = m (metro);
•
Massa: M = kg (quilograma);
•
Tempo: T = s (segundo);
•
Temperatura: Θ = K (kelvin);
•
Corrente eléctrica: I = A (ampère);
•
Quantidade de matéria: N = mol (mole);
•
Intensidade luminosa: J = Cd (candela).
O quilograma
A história do sistema métrico está intimamente ligada à história da
Revolução Francesa e da expansão do iluminismo na Europa. Na versão
atual do S.I. todas as unidades fundamentais são definidas a partir de
propriedades físicas conhecidas: velocidade da luz no vácuo, transições
atómicas, temperatura de fusão da água, etc... O quilograma é única
unidade cuja definição refere-se a um artefacto (objeto construído pelo
homem) desde 1875.
Quilograma padrão, BIPM
(liga de platina (90%) e irídio (10%))
O kelvin
O kelvin é a unidade do S.I. para a grandeza temperatura. A temperatura 0 K
corresponde ao zero absoluto, isto é, à situação em que não existe qualquer tipo de
energia térmica no meio material.
Temperatura
kelvin
Graus
centígrados
Graus
Farenheiht
Símbolo
K
ºC
ºF
Zero absoluto
0
-273.15
-459.67
Ponto de
congelamento da
água
273.15
0
32
Ponto de
ebulição da água
373.15
100
212
Unidades físicas derivadas no S.I.
•
Área = 1 m x 1 m = m2 (metro quadrado);
•
Volume = 1 m x 1m x 1m = m3 (metro cúbico);
•
Velocidade = 1m / 1 s = m/s (metro por segundo);
•
Aceleração = (1 m/s)/1 s= m/s2 (metro por segundo quadrado);
•
Densidade (mássica) = 1 kg/1 m3 = kg/m3 (quilograma por metro cúbico);
•
Luminância (brilho) = 1 Cd/1 m2 = Cd/m2 (candela por metro quadrado);
•
Carga elétrica = 1 A x 1 s = C (coulomb);
•
Energia = 1 kg m2/s2 = J (joule)
•
Potência = 1 kg m2/s3 = 1 J/s = W (watt)
•
Potencia ou tensão elétrica = Energia/Carga elétrica = 1 J/C = V (volt);
•
Etc...
Exercícios de revisão II
Escreva no S.I. as unidades das seguintes grandezas físicas;
•
Força (F=ma);
•
Momento linear (p=mv);
•
Trabalho de uma força (W=Fd);
•
Energia cinética de um corpo (E=mv2/2);
•
Pressão sobre um corpo (P=F/S);
•
Resistência elétrica (R=V/I);
•
Entropia (S=Q/T);
•
Campo elétrico (E=V/d=F/q).
Unidades derivadas do S.I. com nome
especial
Grandeza física
Nome da
unidade
Símbolo
Relação c/ unidades S.I.
Força
newton
N
kg m/s2
Energias, trabalho, calor
joule
J
kg m2/s2 = CV = W s
Potência
watt
W
kg m2/s3 = VA = J/s
Carga eléctrica
coulomb
C
As
Potencial eléctrico
volt
V
kg m2/(As3) = J/C = W/A
Pressão
pascal
Pa
kg /(ms2) = N/m
Resistência eléctrica
ohm
Ω
kg m2/(A2s3) = V/A
Frequência
hertz
Hz
1/s = s-1
Sistema cgs
É um sistema cujo uso tem vindo a diminuir e baseia-se nas seguintes unidades
básicas (mecânica):
Comprimento: L = cm (centímetro);
Massa: M=g (grama);
Tempo: T = s (segundo).
Exemplos de unidades derivadas são:
Força: 1 dyne = 1 g cm/s2
Energia: 1 erg = 1 g cm2/s2
3. Conversão entre unidades
Grandeza física
Conversão SI para cgs
Força
1 N = 100000 dyne = 105 dyne
Energia
1 J = 10000000 erg = 107 erg
Número
Potência de
10
Prefixo
Símbolo
0.00000000001
10-12
“pico”
p
0.00000001
10-9
“nano”
n
0.000001
10-6
“micro”
μ
0.001
10-3
“mili”
m
1
100
-
-
1000
103
“quilo”
k
1000000
106
“mega”
M
1000000000
109
“giga”
G
1000000000000
1012
“tera”
T
Exercícios de revisão III
Escreva usando potências de 10 os valores seguintes em unidades SI:
•
l=1.23 pm (picómetros)
•
m=34765 g (gramas);
•
1 hp (cavalos)=0.746 kW (kilowatts);
•
1 atm (atmosfera) = 101325 Pa (pascal);
•
1 bar (bar)= 0.1 MPa (megapascal);
•
R = 0.1 mΩ (miliohms);
•
I=1.2 μA (microampères);
•
c (velocidade da luz no vácuo) = 299.792458 km/s
•
f=89.5 MHz (megahertz)
Potências de 10
Powers of ten, Charles and Ray Eames (1977)