3.2 · Energy

OxfordAQA · International GCSE · Physics · Tópico 2

Material de apoio

Energia: o contador da física

Nada destrói energia — ela apenas se move entre estoques e parte é dissipada em formas menos úteis. O segundo tópico da OxfordAQA constrói essa contabilidade: trabalho e potência, as três equações de estoque de energia, conservação com diagramas de Sankey e as escolhas por trás dos recursos energéticos nacionais.

OxfordAQA International GCSE Física 9203, tópico 3.2 (Versão 5.1). As afirmações marcadas (P) são apenas para Prova-2.

Forças e energia

$$W = F \times d \qquad E_e = \tfrac{1}{2}ke^2 \qquad E_p = mgh \qquad E_k = \tfrac{1}{2}mv^2 \qquad P = \frac{E}{t}$$

Trabalho é realizado quando uma força desloca seu ponto de aplicação por uma distância; o trabalho contra o atrito transfere energia por aquecimento (reentrada de nave, meteoritos, freios). Uma mola esticada armazena energia potencial elástica $\frac{1}{2}ke^2$; uma massa elevada armazena energia potencial gravitacional mgh; uma massa em movimento possui energia cinética ½mv² — dobrar a massa dobra-a, dobrar a velocidade a quadruplica (ligação à segurança no trânsito). Potência é a taxa de transferência de energia.

Exemplo resolvido. Um carro de 1500 kg a 20 m/s freia até parar: KE removido $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — tudo transferido para aquecer os freios. Levantá-lo 2 m com g = 10 N/kg armazena $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.

Transferências e dissipação de energia

Armazéns de energia no topo, caminhos de transferência abaixo; uma mudança no sistema move energia entre armazéns.

Quando um sistema muda, a energia é transferida — utilmente, armazenada ou dissipada (

Um pêndulo: toda GPE no topo de cada oscilação, toda KE na parte inferior.

$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy out}}{\text{total energy in}} \times 100\% \ (=\frac{\text{useful power out}}{\text{total power in}})$$

Diagramas de Sankey mostram a redistribuição: as setas se dividem proporcionalmente aos fluxos de energia (desenhá-los em escala — largura ∝ energia).

Exemplo resolvido. Uma lâmpada de 60 W emite 6 W de luz: eficiência $= 6/60 \times 100 = 10\%$.

Recursos energéticos

Combustíveis são escolhidos pela facilidade de armazenamento, conteúdo energético e segurança; alguns transferem mais de sua energia utilmente que outros. A geração nacional negocia renovabilidade contra custo, confiabilidade e custo ambiental de extração, uso e descarte.

Quatro tecnologias renováveis com uma vantagem e uma desvantagem cada.

Verifique você mesmo

Calcule o trabalho realizado por uma força de 50 N movendo-se 4 m.
Calcule a energia elástica em uma mola (k = 200 N/m) esticada 0.15 m.
Um livro de 2 kg é levantado 3 m com g = 10 N/kg. Calcule a GPE ganho.
O que acontece com a energia cinética de um carro quando ele freia?
Um motor transfere 800 J em 20 s. Calcule sua potência.
Enuncie a equação de eficiência nas formas de energia e potência.
Uma lâmpada emite 12 J de luz para cada 100 J inserido. Calcule a eficiência.
O que a largura da seta em um diagrama de Sankey indica?
Cite uma vantagem e uma desvantagem da energia eólica.
O que significa "dissipado"?

Respostas: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 é transferido para a energia térmica dos freios e do ambiente pela força de atrito (os freios aquecem); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 energia útil de saída ÷ energia total de entrada (×100 %); potência útil de saída ÷ potência total de entrada; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 a energia fluindo nessa direção — a largura é proporcional à energia; 9 renovável, sem combustível ou emissões; saída intermitente com impacto visual; 10 transferida para estoques menos úteis (geralmente calor residual), não podendo realizar facilmente o trabalho desejado.

Vocabulário

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