Grade 11
  1. Mecânica  1.1. dinâmicas  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas e três dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração e desaceleração  1.1.6. Análise gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento (derivações avançadas)  1.1.8. Queda livre e velocidade terminal  1.1.9. Movimento de projéteis  1.1.10. Velocidade relativa em uma e duas dimensões  1.1.11. Movimento de um carro em um plano inclinado  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis do movimento de Newton e suas aplicações  1.2.2. Inércia e a primeira lei de Newton  1.2.3. Força e tipos de força  1.2.4. Atrito estático e cinético  1.2.5. Movimento circular e aceleração centrípeta  1.2.6. Movimento circular não uniforme  1.2.7. Bancagem de estradas e curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservação do momento em uma e duas dimensões  1.2.10. Aplicações da Terceira Lei de Newton  1.3. Work, Energy and Power  1.3.1. Trabalho realizado por uma força constante e variável  1.3.2. Teorema trabalho-energia  1.3.3. Energia cinética e potencial  1.3.4. Energia potencial gravitacional e elástica  1.3.5. Conservação da energia mecânica  1.3.6. Poder e potência instantânea  1.3.7. Eficiência das máquinas  1.3.8. Trabalho realizado por forças conservativas e não conservativas  1.4. Movimento rotacional  1.4.1. Torque e aceleração angular  1.4.2. Equilíbrio rotacional  1.4.3. Momento de inércia e suas aplicações  1.4.4. Momento angular e sua conservação  1.4.5. Energia cinética de movimento de rotação e rotação  1.4.6. Teorema dos Eixos Paralelos e Perpendiculares  1.4.7. Dinâmica do movimento rotacional
  2. Gravitational force  2.1. Gravitação universal  2.1.1. Lei da gravitação universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional e potencial  2.1.3. Mudança na aceleração devido à gravidade  2.1.4. Leis do movimento planetário de Kepler  2.1.5. Mecânica orbital e satélites  2.1.6. Velocidade de escape e velocidade orbital  2.1.7. Ausência de peso e queda livre  2.1.8. Energia potencial gravitacional e energia em órbitas  2.1.9. Buracos negros e lente gravitacional
  3. Propriedades da matéria  3.1. Mecânica dos fluidos  3.1.1. Densidade e pressão em líquidos  3.1.2. A teoria de Pascal e aplicações  3.1.3. O Princípio de Arquimedes e a flutuação  3.1.4. A equação de Bernoulli e aplicações  3.1.5. Equação de continuidade e o efeito Venturi  3.1.6. Tensão superficial e capilaridade  3.1.7. Viscosidade e Lei de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds e turbulência  3.2. Elasticidade e deformação  3.2.1. Lei de Hooke e a relação tensão-deformação  3.2.2. Módulo de elasticidade e aplicações  3.2.3. Deformação e limite de escoamento de sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor e temperatura  4.1.1. Propriedades termométricas e escala de temperatura  4.1.2. Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases  4.1.3. Sistema de transferência de calor  4.1.4. Capacidade calorífica específica e calorimetria  4.1.5. Calor latente e mudança de fase  4.2. Kinetic theory of gases  4.2.1. Modelo molecular dos gases  4.2.2. Explicação cinética da temperatura  4.2.3. Equação do Gás Ideal e Desvios  4.2.4. Caminho livre médio e distribuição de Maxwell-Boltzmann  4.3. Leis da Termodinâmica  4.3.1. Lei Zero e Equilíbrio Térmico  4.3.2. Primeira Lei e Energia Interna  4.3.3. A Segunda Lei e Entropia  4.3.4. Ciclo de Carnot e motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores e Bombas de Calor
  5. Ondas e oscilações  5.1. Movimento Harmônico Simples  5.1.1. Equações do MHS  5.1.2. Energia no MHS  5.1.3. Oscilações amortecidas e forçadas  5.1.4. Ressonância e aplicações  5.1.5. Pêndulo e sistema massa-mola  5.2. Movimento ondulatório  5.2.1. Tipos de ondas mecânicas  5.2.2. Movimento das ondas e transporte de energia  5.2.3. Princípio da Superposição e Ondas Estacionárias  5.2.4. Reflexão, Refração e Difração  5.2.5. Efeito Doppler em som e luz  5.2.6. Pulsos e interferência
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Eletrostática  6.1.1. Carga elétrica e conservação  6.1.2. A lei de Coulomb e suas aplicações  6.1.3. Campo elétrico e fluxo elétrico  6.1.4. Potencial elétrico e energia potencial  6.1.5. Capacitance and Energy Stored in a Capacitor  6.2. Eletricidade Atual  6.2.1. Lei de Ohm e resistência elétrica  6.2.2. Resistência e dependência de temperatura  6.2.3. Leis de Kirchhoff e Análise de Circuitos  6.2.4. Potência elétrica e eficiência  6.2.5. Combinação de resistores  6.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos e suas fontes  6.3.2. Força magnética em cargas em movimento  6.3.3. Indução eletromagnética  6.3.4. Leis de Faraday e Lenz  6.3.5. Indutância e Transformador  6.3.6. Corrente alternada e suas aplicações
  7. Óptica  7.1. Reflexão e Refração  7.1.1. leis da reflexão e refração  7.1.2. Espelhos e lentes  7.1.3. Reflexão interna total e fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferência e Difração  7.2.2. Experimento da dupla fenda de Young  7.2.3. Polarização da luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efeito fotoelétrico e a teoria de Einstein  8.1.2. Dualidade onda-partícula  8.1.3. Princípio da Incerteza de Heisenberg  8.1.4. Compton Effect  8.2. Física Atômica e Nuclear  8.2.1. Modelo atômico e níveis de energia  8.2.2. Decaimento radioativo e meia-vida  8.2.3. Fissão Nuclear e Fusão
  9. Eletrônica e Comunicação  9.1. Semicondutores  9.1.1. junção pn e diodo  9.1.2. Transistores e Portas Lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados e Aplicações  9.2. Sistemas de Comunicação  9.2.1. Noções básicas de Comunicação Analógica e Digital  9.2.2. Comunicação Sem Fio e Óptica  9.2.3. Modulação e Demodulação

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Primeira Lei e Energia Interna


Na física, a termodinâmica é um ramo da ciência que lida com calor, trabalho e formas de energia. A primeira lei da termodinâmica e o conceito de energia interna são tópicos fundamentais neste campo. Para os estudantes que estão aprendendo sobre esses conceitos pela primeira vez, é importante entendê-los de forma simples e direta.

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica, também chamada de lei da conservação da energia, afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas convertida de uma forma para outra. Este princípio é fundamental porque estabelece que a energia total em um sistema isolado permanece constante.

ΔU = Q - W

Nesta fórmula, ΔU representa a mudança na energia interna do sistema, Q é o calor adicionado ao sistema e W é o trabalho realizado pelo sistema sobre o ambiente. Vamos descrever cada um deles:

  • ΔU (mudança na energia interna): É a mudança na energia do sistema devido ao calor e trabalho.
  • Q (calor): Esta é a energia transferida para o sistema. Se o calor é adicionado, é considerado positivo. Se o calor é removido, é considerado negativo.
  • W (Trabalho): Esta é a energia utilizada pelo sistema para realizar trabalho no ambiente. Se o sistema faz trabalho no ambiente, é considerado positivo. Se o trabalho é realizado no sistema, é considerado negativo.

A primeira lei enfatiza a conservação de energia e afirma que a entrada de energia em um sistema será sempre igual à saída de energia.

Compreendendo a energia interna

Energia interna refere-se à energia total presente em um sistema. Inclui todas as energias microscópicas, como as energias cinética e potencial das moléculas em uma substância. A energia interna pode ser alterada por transferência de calor ou pelo trabalho realizado sobre ou pelo sistema.

A energia interna pode ser vista através de três diferentes cenários:

  • Aquecimento de um gás: Quando um gás é aquecido, sua energia interna aumenta porque a energia cinética das moléculas aumenta. Isso significa que as moléculas estão se movendo mais rápido.
  • Compressão de um gás: Quando um gás é comprimido, trabalho é realizado no gás, o que aumenta sua energia interna. As moléculas são pressionadas mais perto umas das outras, o que aumenta sua energia potencial.
  • Expansão de gás: Quando um gás se expande, ele realiza trabalho no ambiente. Isso requer energia, o que geralmente reduz a energia interna e resulta na desaceleração do movimento das moléculas.

Primeira lei e exemplos de energia interna

Exemplo 1: Aquecimento de água em um recipiente

Suponha que a água está sendo aquecida em um recipiente no fogão. O calor do fogão é transferido para a água, aumentando sua temperatura. O calor adicionado é Q Se a água for permitida expandir enquanto é aquecida, ela pode fazer trabalho no ar acima dela, representado por W

Neste cenário, de acordo com a primeira regra:

ΔU = Q - W

O aumento na energia interna da água será igual ao calor adicionado menos o trabalho realizado para a expansão.

Exemplo 2: Comprimindo ar em uma bomba de bicicleta

Considere usar uma bomba de bicicleta para colocar ar em um pneu. Quando você pressiona a bomba para baixo, está realizando trabalho no ar dentro, representado por W Este trabalho aumenta a energia interna do ar, fazendo com que ele aqueça. Nenhuma quantidade de calor Q é adicionada de fora, então:

ΔU = 0 - (-W) = W

Aqui, o aumento na energia interna é igual ao trabalho realizado no gás, pois não há transferência de calor entrando ou saindo.

Exemplo 3: Resfriando o motor

Em um motor, a energia interna pode diminuir quando ele perde calor Q para o ambiente. Por exemplo, um motor de carro perde calor enquanto está funcionando, e o trabalho pode ser na forma de movimento físico W Neste caso, a primeira lei pode ser expressa como:

ΔU = Q - W

A mudança na energia interna é a energia obtida subtraindo o trabalho realizado pelo motor da energia perdida como calor emitido.

Representação visual com diagramas simples

Vamos usar alguns diagramas simples para entender esses conceitos:

Para entender como energia flui para dentro e para fora de um sistema, considere este diagrama simplificado de um gás dentro de um pistão:

Gás Calor dentro (Q) Trabalho fora (W)

Aqui, calor Q entra no sistema (pistão) enquanto trabalho W é feito pelo gás, causando o movimento ascendente do pistão. O limite do sistema é marcado pelo retângulo cinza.

Conclusão

A primeira lei da termodinâmica é uma pedra angular para entender como a energia é gerida em um sistema físico. Ela sustenta a ideia de conservação, indicando que as formas de energia podem mudar, mas não podem simplesmente desaparecer ou ser criadas a partir do nada.

Num sentido mais amplo, esta lei aplica-se não apenas aos exemplos de gases e motores, mas a todos os sistemas onde a energia é transferida. Ao estudar a primeira lei juntamente com o conceito de energia interna, os estudantes podem compreender melhor os conceitos fundamentais que são importantes na física e na engenharia.


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Primeira Lei e Energia Interna

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