Transferências e transformações de energia
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2 Energia Em Movimentos TRANSFERÊNCIAS E TRANSFORMAÇÕES DE ENERGIA EM SISTEMAS COMPLEXOS 2.1 Transferências e transformações de energia em sistemas complexos Os vários meios de transporte conhecidos são considerados, do ponto de vista físico, como sendo sistemas complexos. O estudo do movimento de um veículo motorizado pode ser simplificado recorrendo-se ao modelo da partícula material, cuja validade é determinada pelas características do sistema e do movimento de que está animado. O trabalho realizado pelas diversas forças constantes que atuam no centro de massa de um corpo (ou de um sistema de corpos) em movimento permite determinar a quantidade de energia transferida durante o processo. No caso particular de o trabalho calculado ser negativo, reconhece-se a existência de forças dissipativas que atuam durante o movimento de translação do sistema. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 2 Sistemas Complexos - Meios de Transporte Num sistema termodinâmico não se podem desprezar as variações de energia interna ocorridas, pois o elevado número de partículas que o constituem encontram-se, do ponto de vista microscópico, em movimento relativo constante e, desta forma, a interagir umas com as outras. Neste tipo de sistemas a importância reside sobretudo na energia interna e nas variações que ela sofre, por serem consideradas dominantes. Estas variações de energia interna são traduzidas pela 1." Lei da Termodinâmica. Exemplos 5/1/2015 DULCE CAMPOS 3 Sistemas Complexos - Meios de Transporte o sistema caixote-homem Denominados sistemas mecânicos, em que importa descrever o seu movimento do ponto de vista macroscópico (por exemplo' o deslocamento de um objeto de um local para outro). O sistema roldana-fio-corpo Consideram-se somente as quantidades de energia útil e dissipada que estão associadas ao movimento efetivo do sistema, desprezandose as alterações de energia interna. Num sistema mecânico' é importante analisar as variações de energia mecânica que ocorrem. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 4 Sistemas Complexos - Meios de Transporte A forma mais adequada de medir a transferência de energia entre sistemas mecânicos é através do trabalho mecânico realizado por ou sobre o sistema em causa. O estudo do sistema mecânico deverá ser feito tendo em conta: ◦ energia cinética macroscópica - associada à velocidade do sistema que se movimenta como um todo; ◦ energia potencial gravítica - associada à posição relativa do sistema em interação com o outro 5/1/2015 DULCE CAMPOS 5 Sistemas Complexos - Meios de Transporte Um sistema mecânico é um sistema animado de movimento, onde a energia transferida e/ou transformada é predominantemente utilizada para o fazer deslocar-se como um todo, sendo dominantes as variações de energia mecânica. É possível assim, desprezar as variações de energia interna que possam ocorrer. E quando se trata sistemas em que não é possível desprezar nenhum dos dois tipos de variação de energia? Como se define um sistema nestas condições? SISTEMA COMPLEXO 5/1/2015 DULCE CAMPOS 6 Sistemas Complexos - Meios de Transporte Um SISTEMA COMPLEXO é um sistema termodinâmico e mecânico, onde ocorrem transformações e transferências de energia que poderão conduzir quer a variações de energia interna quer a variações de energia mecânica. Sistema Complexo Sistema termodinâmico + Sistema mecânico 5/1/2015 DULCE CAMPOS 7 Sistemas Complexos - Meios de Transporte Num sistema complexo, não isolado e que não esteja em equilíbrio com a sua vizinhança, é preciso ter em conta a existência de dissipação de energia, devido à variação de energia interna que em simultâneo, ocorre com a variação da energia mecânica isto significa que a energia útil é sempre inferior à energia total fornecida. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 8 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 9 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 10 Sistemas Complexos - Meios de Transporte Exercício Admita que cada litro de gasolina queimada no motor de um automóvel contém uma energia química de cerca de seis milhões de calorias e é utilizado aproximadamente um milhão de calorias pata fazer deslocar o automóvel. Relativamente à energia dissipada, cerca de três oitavos são absorvidos pelo sistema de arrefecimento e cinco oitavos perdidos como calor nos gases de escape e por atrito nas diversas partes móveis do automóvel. Calcule a energia útil em unidades Sl. Calcule, em unidades Sl, a energia dissipada no sistema de arrefecimento do automóvel Calcule o rendimento do automóvel. Desenhe o diagrama de energias referente ao automóvel. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 11 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 12 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 13 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 14 Sistemas Complexos - Meios de Transporte 5/1/2015 DULCE CAMPOS 15 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) Um sistema complexo pode estar animado de diferentes tipos de movimentos, em particular, movimentos de translação, movimentos de rotação ou uma combinação dos dois 5/1/2015 DULCE CAMPOS 16 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) TIPOS DE MOVIMENTOS 5/1/2015 DULCE CAMPOS 17 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) 5/1/2015 DULCE CAMPOS 18 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) Para prosseguir no estudo do movimento de translação de um sistema complexo, é necessário proceder a algumas simplificações úteis. O automóvel é um sistema complexo (termodinâmico e mecânico). No entanto, ao estudar o movimento de translação retilínea de um automóvel ou de qualquer outro veículo motorizado (mota, avão, etc.), não interessa reconhecer a variação da energia interna que ocorre no seu interior e nas suas vizinhanças, devido aos atritos internos, ao aquecimento dos gases de escape ou à emissão de energia radiante, etc. Interessa apenas considerar a quantidade de energia útil que efetivamente contribui para a alteração da posição e do estado de repouso/movimento do corpo, do ponto de vista macroscópico. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 19 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) Considera-se o automóvel como SISTEMA MECÂNICO supondo que as dimensões do sistema são desprezáveis relativamente às da trajetória descrita' pode simplificar-se ainda mais o estudo do movimento em causa. Representa-se o sistema através de um ponto muito especial – o chamado centro de massa (CM) do sistema. O centro de massa apresenta as seguintes características: O centro de massa de um sistema é o ponto onde está concentrada toda a massa do sistema e onde estão aplicadas todas as forças ou resultantes das forças, que atuam no sistema Recorre-se, portanto, a um modelo físico denominado modelo da partícula material ou modelo do centro de massa. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 20 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) Todas as Partículas de um sistema mecânico têm a mesma velocidade. Durante a execução de um grand jeté, o centro de massa da bailarina descreve uma trajetória curvilínea 5/1/2015 DULCE CAMPOS 21 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) 5/1/2015 DULCE CAMPOS 22 Sistema Mecânico. Modelo da partícula material (centro de massa) A utilidade do modelo da partícula material(PM)reside na possibilidade de representar todas as forças que atuam no sistema através do denominado diagrama de corpo livre ou diagrama de forças' Caixote que sofre a ação de uma Força F . 5/1/2015 Diagrama de corpo livre do sistema DULCE CAMPOS 23 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa 5/1/2015 DULCE CAMPOS 24 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa O modelo da PM apresenta muitas vantagens mas requer cuidado quando da sua utilização. 1. Ao representar um sistema pelo seu centro de massa, reduz-se o sistema - que é constituído por um número ilimitado de partículas a uma só partícula, neste caso, a um ponto. Não interessa ter em conta a estrutura, a forma e a constituição do sistema. Todas as partículas tem igual comportamento. 2.Os sistemas mecânicos, deverão ser rígidos e indeformáveis, visto que, para representar o sistema pelo seu centro de massa, não podem existir alterações nas posições relativas e nas velocidades das diferentes partículas que constituem o sistema, pelo que se pode desprezar a variação da energia interna com um menor risco de perder precisão 5/1/2015 DULCE CAMPOS 25 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa 5/1/2015 DULCE CAMPOS 26 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa Num sistema animado de movimento de rotação, a velocidade de cada partícula é diferente 5/1/2015 DULCE CAMPOS 27 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa o sistema é considerado um sistema ideal, o que só existe em teoria. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 28 Validade da representação de um sistema pelo respetivo centro de massa 5/1/2015 DULCE CAMPOS 29 5/1/2015 DULCE CAMPOS 30 5/1/2015 DULCE CAMPOS 31 5/1/2015 DULCE CAMPOS 32 5/1/2015 DULCE CAMPOS 33 5/1/2015 DULCE CAMPOS 34 Trabalho realizado por forças constantes que atuam num sistema em qualquer direção A NOÇÃO DE TRABALHO TRABALHO POTENTE, RESISTENTE E NULO TRABALHO REALIZADO POR MAIS DO QUE UMA FORÇA CONSTANTE REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE 5/1/2015 DULCE CAMPOS 35 A noção de trabalho Em sistemas mecânicos há transferência de energia através da aplicação de forças que realizam trabalho. Na linguagem científica, o significado do termo «trabalho» será diferente do da linguagem corrente? 5/1/2015 DULCE CAMPOS 36 A noção de trabalho para haver realização de trabalho é necessário que exista uma força a atuar num sistema e que o ponto de aplicação dessa força se desloque no espaço. Em Física, trabalho é uma grandeza física escalar designada pela letra maiúscula W. Para calcular o trabalho realizado por uma Força constante, 𝑭, que atua num sistema 𝑾𝑭 ou W(𝑭) considera-se: ◦ . a componente da força que atua na direção do movimento; ◦ . o valor do deslocamento do ponto de aplicação da força. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 37 A noção de trabalho Deve ser considerada a componente da força que efetivamente faz deslocar o bloco. Ela é a chamada componente ou projeção de 𝑭 direção do movimento e designa-se por força eficaz,𝑭ef A força eficaz é a componente da força responsável pelo trabalho realizado sobre o bloco. Também pode ser designada por 𝐹𝑥 tendo em conta o referencial convencionado 5/1/2015 DULCE CAMPOS 38 A noção de trabalho 5/1/2015 DULCE CAMPOS 39 A noção de trabalho 5/1/2015 DULCE CAMPOS 40 A noção de trabalho 5/1/2015 DULCE CAMPOS 41 Trabalho potente, resistente e nulo Aplicando a definição de trabalho às várias forças que atuam no bloco 5/1/2015 DULCE CAMPOS 42 Trabalho potente, resistente e nulo 5/1/2015 DULCE CAMPOS 43 Trabalho potente, resistente e nulo Exemplos de situações em que não há realização de trabalho 5/1/2015 DULCE CAMPOS 44 Trabalho potente, resistente e nulo 5/1/2015 DULCE CAMPOS 45 Trabalho potente, resistente e nulo 5/1/2015 DULCE CAMPOS 46 Trabalho potente, resistente e nulo 5/1/2015 DULCE CAMPOS 47 5/1/2015 DULCE CAMPOS 48 Trabalho realizado por mais do que uma Força constante 5/1/2015 DULCE CAMPOS 49 Trabalho realizado por mais do que uma Força constante Duas formas diferentes, conduzindo ambas ao mesmo resultado 1. uma das formas de determinar o trabalho total realizado pelas quatro forças é calcular primeiro o trabalho de cada uma das forças e, depois, fazer a sua soma algébrica 2. A outra forma de determinar o trabalho total realizado pelas quatro forças é calcular, primeiro, a força resultante de todas as forças que atuam no sistema e, depois, determinar o trabalho dessa força resultante; 5/1/2015 DULCE CAMPOS 50 Trabalho realizado por mais do que uma Força constante A expressão anterior mostra a independência das forças que atuam num sistema, sela qual for o seu número 5/1/2015 DULCE CAMPOS 51 Trabalho realizado por mais do que uma Força constante 5/1/2015 DULCE CAMPOS 52 5/1/2015 DULCE CAMPOS 53 5/1/2015 DULCE CAMPOS 54 5/1/2015 DULCE CAMPOS 55 5/1/2015 DULCE CAMPOS 56 Representação gráfica do trabalho realizado por uma força constante TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE Pode representar-se o trabalho realizado pela força eficaz- num gráfico Fef = f (Δx), onde a intensidade da força eficaz é indicada no eixo das ordenadas e o deslocamento é indicado no eixo das abcissas. TRABALHO POTENTE OU MOTOR - POSITIVO 5/1/2015 DULCE CAMPOS 57 Representação gráfica do trabalho realizado por uma força constante TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE TRABALHO NULO 5/1/2015 DULCE CAMPOS 58 Representação gráfica do trabalho realizado por uma força constante TRABALHO REALIZADO POR UMA FORÇA CONSTANTE TRABALHO RESISTENTE - NEGATIVO 5/1/2015 DULCE CAMPOS 59 5/1/2015 DULCE CAMPOS 60 5/1/2015 DULCE CAMPOS 61 5/1/2015 DULCE CAMPOS 62 A acção das forças dissipativas Num sistema, podem ocorrer fenómenos de dissipação de energia, que estão associados ao aquecimento e/ou deformação do sistema. A dissipação de energia ocorre porque parte da energia mecânica transferida ao sistema é transformada em energia não útil. As forças que originam esse tipo de fenómenos são designadas por forças dissipativas (ou resistivas). As forças de atrito cinético e a resistência do ar são exemplos desse tipo de forças. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 63 A acção das forças dissipativas Em sistemas complexos, a transformação de parte da energia mecânica transfenda em energia interna manifesta-se, em geral, na elevação da temperatura do sistema, ou seja, no aumento da energia interna do sistema (aumento das energias cinética e potencial microscópicas das suas panÍculas constituintes). O aumento da energia interna é, normalmente, transferido para a vizinhança do sistema sob a forma de calor. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 64 A acção das forças dissipativas Nos sistemas mecânicos, pelo modelo da partícula material, desprezamse os fenómenos de aquecimento e de deformação, não tendo em conta as variaçoes de energia interna daÍ decorrentes É importante reconhecer a ação das forças dissipativas na diminuição da energia mecânica do sistema. Isto acontece porque as forças dissipativas se opoem sempre ao movimento, realízando assim um trabalho negativo ou resistente, que faz diminuir a energia do sistema. A esta diminuição de energia (mecânica) está associado um aumento da energia interna do sistema, embora este último facto seja desprezado. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 65 A acção das forças dissipativas Exemplos Quando um corpo cai devido ao seu peso, em condiçoes reais, ele está igualmente sujeito à acção da resistência do ar, que é uma força que actua na direcção e no sentido contrários ao do movimento do corpo. Realiza trabalho negativo, o que faz diminuir a energía cinética do corpo. A essa diminuição da energía mecânica do corpo está associado -um aumento da sua energia interna, devido à fricção com as partículas do ar e ao consequente aquecimento do corpo e das suas vizinhanças 5/1/2015 DULCE CAMPOS 66 A acção das forças dissipativas Exemplos Ao entrar na atmosfera terrestre, o calor gerado devido à fricção é tão elevado que, se o Space Shuttle não tivesse uma cobertura resistente a altas temperaturas, arderia. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 67 A acção das forças dissipativas Exemplos 5/1/2015 DULCE CAMPOS 68 A acção das forças dissipativas Exemplos quando um corpo se mover sobre uma superfície horizontal, sabemos que acaba por parar ao fim de algum tempo, devido às forças de atrito resultam das interações que se estabelecem entre duas • superfícies em contacto. Qualquer superfície - por mais polida e limpa que esteja - apresenta sempre, a nível microscópico, pequenas irregularidades. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 69 A acção das forças dissipativas Exemplos Devido a estas caracterÍsticas microscópicas, as forças de atrito são, na realidade, inúmeras e dependentes das condições de contacto existentes. Ao aplicar o modelo da partícula material no estudo do movimento do sistema, as inúmeras e variáveis forças de atrito são tomadas como sendo uma só força de atrito média constante a atuar num ponto – o centro de massa do sistema. 5/1/2015 DULCE CAMPOS 70 A acção das forças dissipativas Exemplos Elas apresentam também vantagens Sem as forças de atrito, não se poderia caminhar, correr ou andar de bicicleta. Não se poderia segurar num lápis e, caso pudéssemos fazê-lo, ele não escreveria. Os pregos e os parafusos seriam inúteis, a roupa e os tecidos tricotados desfar-seiam e os nós desatar-se-iam... as gotas de chuva poderiam causar danos enormes ao chegar ao solo, devido à elevadíssima velocidade de queda, A vida, tal como se conhece, seria impossÍvel... 5/1/2015 DULCE CAMPOS 71
