Dicas de Física para provas de concursos

A Física é uma ciência que usa a Matemática de modo rotineiro para resolver problemas reais, que encontramos no dia a dia. A principal dica em todas as áreas da Física é atentar para as unidades de medida e em como elas podem ser reescritas em termos de outas unidades. Por exemplo, a segunda lei de Newton, uma das expressões mais famosas da física, nos diz que a força (F) aplicada em um corpo de massa m originará uma aceleração (a) neste e que a relação entre essas grandezas é:

 F = m. a

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A aceleração corresponde à quanto a velocidade está sendo alterada por intervalo de tempo. Ela é calculada através da razão entre a variação de velocidade e o intervalo de tempo em que essa alteração aconteceu. Portanto a unidade de medida da aceleração deve ser a razão entre uma unidade de medida de velocidade (m/s, km/h) e uma unidade de tempo (s, min, h). Qual dessas unidades usar? Há algum problema entre usar m/s como unidade de velocidade e h para unidade de tempo? Oficialmente não há nenhum problema, mas dependendo das unidades usadas a unidade da aceleração será diferente. Se usarmos m/s e s a unidade da aceleração será m/s². Se usarmos km/h e h a unidade será km/h².

Enquanto estamos apenas calculando a aceleração isso não é necessariamente incômodo, mas quando usamos a aceleração para calcular a força que está agindo em um objeto pode-se ter algumas dificuldades dependendo da unidade usada. A unidade de medida padrão para força é o Newton (N). Essa unidade equivale a kg.m/s². Portanto, se usarmos a massa em kg e a aceleração em m/s² iremos calcular a força já em N, e isso pode facilitar a resolução dos problemas. Saber converter uma unidade em outra, ou ao menos saber quais as unidades correspondem ao Sistema Internacional de Unidades (o conjunto de unidades de medida padrão da física) permite que você não erre uma questão por ter incluído valores em unidades incompatíveis. Por exemplo, sabendo que N = kg.m/s² você já sabe que se usar a massa em gramas (g) e a aceleração em km/m² você não obterá N. Não está errado usar (g) e km/m² só é preciso tomar cuidado para não expressar o resultado com a unidade incorreta.

Vamos conhecer um pouco sobre a área da física chamada Termodinâmica? Essa área estuda a temperatura e as trocas de calor.

1. Calor e Temperatura

A temperatura é uma propriedade de um corpo. Do ponto de vista molecular ela está associada com a velocidade das moléculas (quanto maior a velocidade com a qual elas se movem, maior a temperatura). A unidade de medida padrão é o Kelvin, mas os graus Célcius também são usados com frequência. A conversão entre essas duas unidades é dada por:

 T(^oC)= T(K)-273

 Calor é a transferência de energia térmica entre dois corpos que se encontram em temperaturas diferentes.

2. Temperatura e dilatação térmica

Quando objetos são expostos a temperaturas diferentes o seu volume pode mudar. Em geral com o aumento da temperatura há um aumento de tamanho. Esse tipo de expansão é dividido em expansão linear e volumétrica.

Na expansão linear a expressão a ser usada é:

 ΔL/L = α ΔT

Onde L é o comprimento inicial do objeto, ΔT é a variação de temperatura e ΔL é a variação de comprimento do objeto. α é chamado de coeficiente de dilatação linear.

 Na expansão volumétrica a expressão a ser usada é:

ΔV/V = β ΔT

Onde V é o volume inicial do objeto, ΔT é a variação de temperatura e ΔL é a variação de volume do objeto. β é chamado de coeficiente de dilatação volumétrico.

Os dois coeficientes são propriedades intrínsecas do objeto e elas se relacionam por:

β = 3 α

3. Calor específico e trocas de calor

Quando se fornece uma certa quantidade de calor a um material qual vai ser a sua variação de temperatura? Essa pergunta pode ser respondida conhecendo-se o calor específico do objeto.

O calor específico (c) diz quanto calor (Q) é necessário fornecer para uma massa (m) de 1g de um material para que a sua temperatura (T) aumente em 1^oC. A expressão que sintetiza essa informação é:

Q = m.c. ΔT

4. Mudança de fase

Quando um material atinge a temperatura de transição de fase (sólido para líquido, liquido para gasoso, líquido para sólido, etc) ele irá se manter nesta temperatura enquanto a mudança de fase acontece. Esse processo é descrito pela equação:

Q = L. m

Onde L é o calor latente associado com a transição de fase considerada. Por exemplo, quando a água líquida atinge 100^oC ela irá começar a evaporar se continuarmos a fornecer calor a ela. Enquanto isso acontece a temperatura se mantém a 100^oC. Apenas quando toda a massa de água tiver sido convertida em vapor a temperatura voltará a aumentar.

5.Propagação do calor

O calor pode se propagar de três formas diferentes: condução, convecção e radiação.

Na condução o calor é transferido através de contato direto entre os objetos de temperatura diferente. A taxa de condução (quantidade de energia transferida por unidade de tempo) é dada por:

 P = k A (T_Q-T_F)/L

Onde L é a espessura do material, e A é a área de seção transversal. T_Q e T_F são as temperaturas quente e fria que se encontram em pontos extremidades do material. k é chamado de condutividade térmica do material.

Na convecção um fluido entra em contato com um objeto com temperatura maior que a dele. A temperatura da parte do fluido em contado com o objeto quente aumenta e, na maioria dos casos o fluido expande e diminui sua velocidade. Como esse fluido se encontra menos denso que o fluido ao seu redor ele tende a se mover para cima devido a força e empuxo. Com o movimento do fluido há propagação de calor para as regiões mais altas.

Na radiação a energia térmica é transmitida através de ondas eletromagnéticas, isto é, de luz. Essa energia também é chamada de radiação térmica. A taxa de transferência de energia por radiação pode ser calculada como:

 P_rad = σεAT⁴

 Onde σ = 5,6704. 10⁸ W/m²K⁴ é chamado de constante de Stefan Boltzmann, ε é a emissividade da superfície do objeto. A é a área superficial do objeto e T é a sua temperatura.

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