No capítulo anterior, discutimos sobre a importância da bioquímica como uma ciência que investiga os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. Exploramos diversos tipos de reações químicas, incluindo aquelas classificadas como exotérmicas, endotérmicas, nucleares, eletrólise e bioquímicas. Além disso, abordamos os meios naturais de conservação de energia e apresentamos o conceito fundamental de conservação de energia.
Hoje, daremos continuidade a essa jornada de conhecimento. Prepare-se para uma leitura instigante e enriquecedora!
Térmica: Ciclo Termodinâmico, Atrito e Resistência.
Ciclo Termodinâmico
A termodinâmica estuda as relações entre o calor e trabalho realizado em um corpo ou sistema. Por meio de variações da temperatura, do volume e da pressão de um sistema estudam-se as transformações naturais ou artificiais conduzidas pelo homem.
As transformações que ocorrem a pressão constante denominam-se isobáricas, enquanto as que ocorrem sob temperatura constante denominam-se isotérmicas e finalmente as transformações que ocorrem a volume constante são denominadas isocóricas ou isovolumétricas. Quando uma transformação ocorre sem que haja troca de calor com o meio ao seu redor, essa transformação denomina-se adiabática.
Quando o sistema entra em equilíbrio térmico em volume, temperatura e pressão ele está em equilíbrio termodinâmico.
Para gases ideais, a equação utilizada para encontrar a terceira grandeza é definida por:
P.V=n.R.T, sendo a primeira lei da termodinâmica já definida anteriormente neste capítulo.
Um processo térmico é considerado cíclico quando se repetem muitas vezes entre o estado final e o estado inicial, ou seja, o ciclo reinicia-se ao final do processo.
Um ciclo termodinâmico bastante trivial em nossas vidas é a geladeira. A figura abaixo é bastante ilustrativa.
O reservatório de baixa temperatura é o compartimento da geladeira onde colocamos nossos alimentos para serem resfriados, onde está o evaporador, que rouba calor do compartimento através das moléculas do gás refrigerante.
O compressor é onde inserimos energia ao ciclo termodinâmico (trabalho) por meio do motor do compressor da geladeira.
No condensador, que muitas vezes é um complexo sistema de “grelhas” atrás da geladeira”, o gás refrigerante é manobrado por um longo trecho de tubos por onde o calor é trocado com o meio externo para refrigeração do gás refrigerante. No condensador, a energia térmica é devolvida ao ambiente compensando a energia que fornecemos pelo motor ao ciclo termodinâmico, fazendo-o cumprir a primeira lei da termodinâmica.
No dispositivo de expansão, o gás refrigerante expande-se em volume e tem sua temperatura reduzida para reiniciar o ciclo no evaporador, roubando novamente calor dos alimentos, e assim sucessivamente.
⦁ Atrito
Atrito, em física, é a força de contato que atua entre dois corpos que se tocam e quando há tendência ao movimento. É gerada pela aspereza (rugosidade) dos corpos. A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interação e contrária ao movimento relativo entre elas.
Apesar de sempre paralelo às superfícies em interação, o atrito entre estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de contato que, quanto maior for a força normal, maior será o atrito. Passar um dedo pelo tampo de uma mesa pode ser usado como exemplo prático: ao pressionar-se com força o dedo sobre o tampo, o atrito aumenta e é mais difícil manter o dedo se movendo pela superfície. Entretanto, ao contrário do que se poderia imaginar, mantidas as demais variáveis constantes, a força de atrito não depende da área de contato entre as superfícies, apenas da natureza destas superfícies e da força normal que tende a evitar que uma superfície "penetre" na outra.
A energia dissipada pelo atrito é, geralmente, convertida em energia térmica e/ou quebra de ligações entre moléculas, como ocorre ao lixar alguma superfície.
O Coeficiente de atrito, geralmente representado pela letra μ, é uma grandeza adimensional que relaciona a força de atrito e a força de compressão entre dois corpos. Esse coeficiente depende dos materiais envolvidos. Pode-se diferenciar o coeficiente de atrito em duas formas distintas: coeficiente de atrito dinâmico e Coeficiente de atrito estático.
Coeficiente de atrito dinâmico ou cinético é definido a partir do momento em que as superfícies em contato apresentam movimento relativo. Relaciona a força de atrito cinético presente nos corpos que se encontram em movimento relativo com o módulo das forças normais que neles atuam.
Coeficiente de atrito estático é definido a partir do momento em que duas superfícies em contato se encontram em iminência de movimento relativo, mas ainda não se moveram. Relaciona a máxima força de atrito possível (com as superfícies ainda estáticas uma em relação à outra) com a(s) força(s) normal(is) a elas aplicadas.
Comparando-se os módulos dos dois coeficientes, no contato entre superfícies sólidas, o coeficiente de atrito cinético será sempre menor que o coeficiente de atrito estático.
SUPERFÍCIE DE CONTATO | µe | µc |
Borracha sobre concreto | 1,0 | 0,8 |
Madeira sobre Madeira | 0,4 | 0,2 |
Articulações dos ossos humanos | 0,01 | 0,003 |
Vidro sobre vidro | 0,94 | 0,4 |
⦁ Resistência
Resistência elétrica é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica, mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada sobre ele. Seu cálculo é dado pela Primeira Lei de Ohm, e, segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), é medida em ohms.
Quando uma corrente elétrica é estabelecida em um condutor metálico, um número muito elevado de elétrons livres passa a se deslocar nesse condutor. Nesse movimento, os elétrons colidem entre si e também contra os átomos que constituem o metal. Portanto, os elétrons encontram dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente pelo condutor.
Os fatores que influenciam na resistência de um dado condutor são:
⦁ A resistência de um condutor é tanto maior quanto maior for seu comprimento.
⦁ A resistência de um condutor é tanto maior quanto menor for a área de sua seção transversal, isto é, quanto mais fino for o condutor.
⦁ A resistência de um condutor depende da resistividade do material de que ele é feito.
A resistividade, por sua vez, depende da temperatura na qual o condutor se encontra.
Esses fatores que influenciam a resistência de um condutor podem ser resumidos pela Segunda Lei de Ohm.
R= ρ.l.A-1
ρ é a resistividade elétrica do condutor;
R é a resistência elétrica do material;
l é o comprimento do condutor;
A é a área da seção do condutor.
Essa relação vale apenas para materiais uniformes e isotrópicos, com seções transversais também uniformes.
Um condutor metálico, ao ser percorrido por uma corrente elétrica, se aquece. Num ferro de passar roupa, num secador de cabelos ou numa estufa elétrica, o calor é produzido pela corrente que atravessa um fio metálico. Esse fenômeno, chamado efeito Joule, que já conhecemos neste capítulo em 3.1, deve-se aos choques dos elétrons contra os átomos do condutor. Em decorrência desses choques dos elétrons contra os átomos do retículo cristalino, a energia cinética média de oscilação de todos os átomos aumenta. Isso se manifesta como um aumento da temperatura do condutor. O efeito Joule é a transformação de energia elétrica em energia térmica.
A característica tensão-corrente da associação de várias resistências têm sempre o mesmo aspecto que a caraterística de uma única resistência, ou seja, pode ser considerada uma associação. Podemos usar algumas regras para calcular a resistência equivalente, quando as resistências estiverem ligadas em série ou em paralelo.
Duas resistências estarão ligadas em série, quando uma estiver ligada à outra, sem nenhum outro elemento de circuito no meio, como se mostra na figura abaixo.
Em um circuito composto por duas resistências ligadas em série, a corrente é a mesma nas duas resistências. A diferença de potencial no sistema é a soma das diferenças de potencial em cada resistência.
ΔV = ΔVR1 + ΔVR2 = (R1 + R2). I
Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência Rs com valor igual à soma das duas resistências.
Rs = R1 + R2
Diz-se que duas resistências estão ligadas em paralelo se os dois terminais de cada uma das resistências estiverem ligados entre os mesmos pontos, como mostra a figura a seguir:
Para um circuito composto por duas resistências ligadas em paralelo, a diferença de potencial é a mesma nas duas resistências. A corrente no sistema é a soma das correntes em cada resistência.
I = I1 + I2 =
Assim, o sistema é equivalente a uma única resistência Rp que verifica a equação:
Em alguns sistemas com várias resistências é possível simplificar o sistema substituindo sucessivamente as resistências que se encontrarem em série ou em paralelo por uma resistência equivalente, até obter uma única resistência equivalente.
No sistema internacional de unidades, a unidade usada para medir a resistência é o ohm, designado pela letra grega omega maiúscula, Ω. Uma resistência de 1 ohm é uma resistência em que uma tensão de 1 volt produz uma corrente de 1 ampere.
Usando a lei de Ohm, a potência dissipada por efeito Joule numa resistência pode ser escrita em função do valor da resistência:
P = R.I2 ou
Assim, a especificação da potência de um dispositivo elétrico tem implícito um valor da diferença de potencial que deverá ser usado para o seu correto funcionamento. Quanto maior for essa potência nominal, menor será a resistência do dispositivo.
Caso os valores dos resistores sejam iguais, a resistência equivalente é igual ao valor de uma das resistências dividido pelo número de resistores utilizados.
onde n = Número de resistores
A potência elétrica que dissipa um elemento de um circuito, por exemplo, uma lâmpada, é igual ao produto da diferença de potencial e a corrente no elemento: P = I.ΔV.
Duas lâmpadas diferentes podem ter diferentes valores da potência, com o mesmo valor da tensão. Por exemplo, existem lâmpadas pequenas de 12V com potências de 1W e de 2W. Isso indica que para o mesmo valor da diferença de potencial, a corrente na lâmpada de 2W é o dobro do que a corrente na lâmpada de 1W.
Cada elemento de circuito tem uma curva caraterística que mostra os valores resultantes da corrente I para diferentes valores da diferença de potencial, ΔV. A figura abaixo mostra algumas dessas curvas caraterísticas, para três elementos de circuito diferentes.
Resistências são geralmente caraterizadas por curvas lineares da relação Tensão e corrente, ou seja, na figura acima, representam a letra a.
Cargas compostas pela associação de resistores, capacitores e indutores, além de semicondutores ou dispositivos controlados podem ter curvas características de tensão e corrente não lineares, representadas pelos exemplos das curvas b e c acima.
Contínua no próximo capítulo, até lá!
Bibliografia
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