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Matéria e Energia

A Química estuda as transformações que envolvem matéria e energia. Se prestarmos atenção a nossa volta iremos notar que um número imenso de transformações está ocorrendo a todo momento. Muitas são naturais, ocorrem sem que o homem tenha que interferir, como a digestão de um alimento em nosso corpo, o amadurecimento de uma fruta na árvore, a decomposição de um organismo morto, a formação do petróleo, o crescimento de um cristal em uma caverna. Outras transformações só ocorrem com a interferência do homem, como na produção de plásticos, fibras têxteis, papéis, tintas, aço e tantas outras coisas definitivamente incorporadas ao nosso dia-a-dia.

Todas as transformações que modificam a natureza da matéria são por definição processos químicos, independentemente de serem naturais ou de serem controladas pelo homem.

O objetivo de todo químico é entender exatamente como as transformações ocorrem, conhecer os princípios básicos que regem as transformações para poder prever quando uma trans formação é possível ou não e quando sua reprodução em grande escala é viável.

Os princípios que iremos aprender são frutos da observação e da experimentação que o homem vem acumulando há séculos, não são verdades absolutas e acabadas. Há muito ainda o que observar, experimentar e descobrir.

A Química é uma ciência em constante renovação e para nos trazer benefícios só precisa ser tratada com critério e responsabilidade. É lamentável que nem sempre o bom senso prevaleça e muitas atividades químicas acabem em acidentes e poluição. Mais lamentável ainda é saber que muitos países destinam verbas vultosas à pesquisa de armamentos e quase nada à pesquisa de remédios ou à produção e alimentos. Importante é perceber que essa má utilização do conhecimento da Química é um problema político e só será resolvido com a interferência de uma sociedade bem informada e atuante.

A matéria

Denomina-se matéria tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço e, desse modo, possui volume. Podemos citar como exemplos de matéria a madeira, o ferro, a água, o ar e tudo o mais que imaginemos dentro da definição acima. A ausência total de matéria é o vácuo. Denomina-se corpo qualquer porção limitada de matéria, por exemplo uma tábua de madeira, uma barra de ferro, um cubo de gelo. Denomina-se objeto todo corpo que, devido à sua forma, se presta a determinada finalidade ou uso, como uma cadeira, uma faca ou um martelo.

Propriedades da matéria

Propriedades são uma série de características que, em conjunto, definem a espécie de matéria.

Podemos dividi-las em 3 grupos: gerais, funcionais e específicas.

1. Propriedades gerais

São as propriedades inerentes a toda espécie de matéria.

Massa: é a grandeza que usamos como medida da quantidade de matéria de um corpo ou objeto.

Extensão: espaço que a matéria ocupa, seu volume.

Impenetrabilidade: é o fato de que duas porções de matéria não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo.

Divisibilidade: toda matéria pode ser dividida sem alterar a sua constituição (até um certo limite).

Compressibilidade: o volume ocupado por uma porção de matéria pode diminuir sob a ação de forças externas.

Elasticidade: se a ação de uma força causar deformação na matéria, dentro de um certo limite, ela poderá retornar à forma original.

2. Propriedades funcionais

São propriedades comuns a determinados grupos de matéria, identificadas pela função que desempenham. A Química se preocupa particularmente com estas propriedades. Podemos citar como exemplo de propriedades funcionais a acidez, a basicidade, a salinidade de algumas espécies de matéria.

3. Propriedades específicas

São propriedades individuais de cada tipo particular de matéria:

Organolépticas: são aquelas capazes de impressionar os nossos sentidos, como a cor, que impressiona a visão, o sabor e o odor, que impressionam o paladar e o olfato respectivamente, e a fase de agregação da matéria, que pode ser sólida (pó, pasta), líquida ou gasosa e que impressiona o tato.

Químicas: são propriedades responsáveis pelos tipos de transformação que cada matéria é capaz de sofrer. Por exemplo, o vinho pode se transformar em vinagre; o ferro pode se transformar em aço, mas o vinho não pode se transformar em aço nem o ferro em vinagre.

Físicas: são certos valores constantes, encontrados experimentalmente, para o comportamento de cada tipo de matéria, quando submetida a determinadas condições. Essas condições não alteram a constituição da matéria, por mais adversas que sejam. Por exemplo: sob uma pressão de 1 atmosfera, a água passa de líquida para gasosa à temperatura de 100°C, sempre.

A energia

Denomina-se energia a capacidade de realizar trabalho e tudo que pode modificar a matéria, por exemplo, na sua posição, fase de agregação ou natureza química. Energia é também tudo o que pode provocar ou anular movimentos e causar deformações.

Há várias formas de energia: a energia mecânica, que engloba as energias potencial (de posição) e cinética (de movimento), a energia elétrica, a energia química, a energia nuclear e assim por diante.

Propriedades da energia

As propriedades fundamentais da energia são a transformação e a conservação.

1. A transformação

Uma forma de energia pode se transformar em:

Uma queda d'água pode ser usada para transformar energia potencial em energia elétrica.

A energia elétrica se transforma em luminosa quando acendemos uma lâmpada ou em energia térmica quando ligamos um aquecedor.

A energia química se transforma em elétrica quando acionamos a bateria de um carro, e assim por diante.

2. A conservação

A energia não pode ser criada ou destruída.

A Lei da Conservação da Energia diz: sempre que desaparece uma quantidade de uma classe de energia, uma quantidade exatamente igual de outra(s) classe(s) de energia é (são) produzida(s). Quando Albert Einstein formulou a Teoria da Relatividade, mostrou que a massa (portanto a matéria) pode se transformar em energia e que a energia pode se transformar em massa (matéria).

A relação entre essas duas grandezas é dada pela equação:

E=m.c²

onde:

c = velocidade da luz no vácuo ( =3,0x108m/s)

E = energia que corresponde à massa m.

Tudo começou como filosofia

Uma questão que sempre intrigou o homem foi a constituição elementar da matéria. No ano 450 a.C., dois filósofos gregos, Demócrito de Abdera e Leucipo de Mileto, imaginaram que, se pegassem um corpo qualquer e o fossem dividindo sucessivas vezes, haveria um certo momento em que essa divisão não seria mais possível. Nesse momento se chegaria ao átomo.

A palavra átomo deriva do grego a (não) e tomos (parte), o que significa sem partes, indivisível.

Naquele tempo tratava-se apenas de um pensamento filosófico sem base experimental.

Passaram-se muitos séculos durante os quais o homem foi acumulando observações e experiências, até que um dia essa idéia foi retomada.

O modelo atômico de Dalton

Em 1803, o cientista inglês John Dalton, baseado em uma série de leis experimentais das transformações químicas de 1773, como:

Lei da Conservação da Massa, de Lavoisier. a massa não se modifica quando a matéria sofre uma transformação

Lei das Proporções Fixas, de Proust: quando diferentes matérias participam de uma transformação, elas o fazem sempre numa mesma proporção

Criou um modelo atômico retomando o antigo conceito dos gregos.

Toda espécie de matéria é formada por átomos. Os átomos são esferas maciças, homogêneas, indivisíveis e indestrutíveis.

Modelo "Bola de Bilhar"

O modelo atômico de Dalton explicava naquela época muitos dos fatos que eram observados experimentalmente e por isso a idéia de usar modelos, para compreender melhor a constituição elementar da matéria, foi bem aceita pelos cientistas.

É fato, porém, que uma ciência experimental vive em constante evolução. Novas experiências e novas descobertas foram feitas; muitas não podiam ser explicadas pelo modelo de átomo maciço e indivisível e, assim, essa idéia foi sendo descartada.

Investigando a essência da matéria

Por volta de 1856, muitas descobertas interessantes foram feitas utilizando-se a ampola criada por Sir William Crookes (foto), na qual era introduzido um gás a baixa pressão para, em seguida, aplicar uma alta voltagem entre os eletrodos.

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Ampola de Crookes

Na ampola de Crookes O eletrodo negativo (cátodo) está na parte mais estreita. O eletrodo positivo (ânodo) está próximo à parte mais larga.

A descoberta dos elétrons

Observou-se, utilizando a ampola de Crookes, que um gás, normalmente mau condutor de eletricidade, se tornava condutor, caso tivesse sua pressão muito reduzida (entre 10 e 0,01 mmHg). Nessas condições, ao se aplicar uma alta voltagem entre os eletrodos na ampola de Crookes, provocava-se a descarga elétrica do gás e via-se um fluxo luminoso partindo do cátodo (pólo -), em direção ao ânodo (pólo +). A esse fluxo luminoso deu-se o nome de raios catódicos.

Sobre os raios catódicos chegou-se às seguintes conclusões:

Os raios catódicos possuem massa. São capazes de mover um pequeno moinho colocado dentro da ampola de Crookes.

Os raios catódicos caminham em linha reta. Projetam na parede oposta da ampola a som- bra de qualquer anteparo que for colocado em sua trajetória.

Os raios catódicos possuem carga negativa. Quando é aplicado um campo elétrico externo à ampola, os raios catódicos se dirigem para o campo positivo.

Em 1897, o físico inglês Joseph John Thomson, trabalhando com raios catódicos, concluiu que eles eram parte integrante de toda espécie de matéria, uma vez que a experiência podia ser repetida com qualquer tipo de gás. Thomson denominou então os raios catódicos de elétrons.

A descoberta dos prótons

Em 1886, Eugen Goldstein, utilizando um cátodo perfurado em ampolas semelhantes à de Crookes, contendo gás a baixa pressão (0,1 mmHg aproximadamente), pôde observar um foco luminoso surgir atrás do cátodo, vindo da direção do ânodo.

Goldstein denominou esse fluxo de raios anódicos ou raios canais. Os raios canais possuem carga elétrica positiva. Eles são desviados para a placa negativa na presença de um campo elétrico externo à ampola.

De todos os gases empregados nas experiências, o hidrogênio era o que produzia raios canais com a menor massa e o menor desvio no campo elétrico. A essa parte elementar dos raios canais chamou-se próton.

A radioatividade

Em 1896, o físico francês Antoine Henri Becquerel descobriu que certos materiais que contêm urânio emitem raios de grande poder de penetração, capazes até de impressionar um filme fotográfico.

Becquerel identificou através de diversas experiências que esse fenômeno envolve 3 tipos de raio, de características próprias, denominados alfa, beta e gama:

Os raios alfa são partículas pesadas e positivamente carregadas.

Os raios beta são partículas leves e negativamente carregadas.

Os raios gama são radiações eletromagnéticas.

Ondas eletromagnéticas são:

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Um conjunto de ondas elétricas e magnéticas perpendiculares entre si, capazes de se propagar no espaço. A descoberta da radioatividade revolucionou o mundo científico, pois demonstrou que os átomos podem ser divididos, inclusive de modo a formar átomos novos, ou seja, o átomo não é indivisível.

O modelo atômico de Thomson

Joseph John Thomson, em 1898, baseado na sua descoberta do elétron e na descoberta da radioatividade, sugeriu que o átomo deveria ser formado por uma esfera positiva, não maciça e "incrustada" de elétrons (carga negativa), de modo que a carga total fosse nula.

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Modelo "Pudim de Ameixas"

A experiência e o modelo atômico de Rutherford

Em 1911, Ernest Rutherford realizou experiências bombardeando uma finíssima lâmina de ouro (10-4 mm de espessura) com partículas alfa, cuja carga elétrica é positiva (2+), emitidas pelo polônio, um material radioativo.

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Através dessa experiência, Rutherford observou que:

A maioria das partículas alfa atravessou a placa de ouro sem sofrer desvio considerável em sua trajetória;

Algumas partículas alfa (poucas), foram rebatidas na direção contrária ao choque;

Certas partículas alfa (poucas) sofreram um grande desvio em sua trajetória inicial.

Desses fatos, tirou as seguintes conclusões:

No átomo há grandes espaços vazios. A maioria das partículas alfa atravessou a placa.

No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso. Algumas poucas partículas alfa foram rebatidas.

O núcleo do ítomo tem carga positiva. As partículas alfa, que possuem carga positiva, quando passavam perto do núcleo, eram repelidas sofrendo desvio em sua trajetória.

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Rutherford admitiu que havia elétrons girando ao redor do núcleo para equilibrar sua carga msitiva. Segundo Rutherford, as partículas positivas do núcleo eram as mesmas da experiência de Goldstein. Foi Rutherford que as chamou de prótons

O modelo atômico de Bohr

Logo notou-se uma contradição no mode- lo atômico de Rutherford. Segundo a teoria clás sica do eletromagnetismo, de James Clerk Maxwell, físico escocês, uma carga elétrica em movimento acelerado emite energia (perde energia) na forma de ondas eletromagnéticas.

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O elétron em movimeno circular estaria sujeito à aceleração centrípeta e iria emitir energia até cair no núcleo. O sistema atômico entraria em colapso e a matéria estaria comprometida na sua estrutura básica.

Mas isso não ocorre.

Assim, em 1913, Niels Bohr criou um novo modelo atômico baseado em espectros de emissão.

Espectros de emissão

Como as leis da física clássica não conseguiam explicar o comportamento de coisas muito pequenas como o átomo, um físico alemão chamado Max Planck introduziu em 1900 uma teoria nova, denominada teoria dos quanta. Essa teoria afirma que a energia se propaga de forma descontínua, como "pacotinhos de energia" denominados quantum (no plural, quanta). Considere, por exemplo, o espectro completo das radiações eletromagnéticas onde a parte visível corresponde à decomposição da luz branca ao atravessar um prisma de difração.

Cada uma dessas ondas eletromagnéticas, visível ou não, representa uma energia que se propaga numa certa freqüência, à qual corresponde um determinado valor de quantum.

Niels Bohr, estudando o espectro de emissão do hidrogênio, isto é, a luz que ele emite quando se faz incidir um feixe de raios catódicos sobre uma amostra desse elemento, relacionou a energia do elétron ao quantum e elaborou um modelo atômico baseado nos seguintes postulados:

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O elétron move-se em órbitas circulares em torno

de um núcleo atômico central. A energia de cada elétron é a soma de suas energias cinética (de movimento) e potencial (de posição, tendo o núcleo como nível de referência). Essa energia não pode ter um valor qualquer, mas apenas valores que sejam múltiplos de um quantum.

Somente certas órbitas eletrônicas são permitidas para o elétron, e ele não emite energia quando as percorre.

Quando o elétron passa de uma órbita para outra, emite ou absorve um quantum de energia.

O modelo atômico de Bohr explicava satisfatoriamente o átomo de hidrogênio, que possui apenas 1 próton no núcleo e 1 elétron ao redor, mas não explicava átomos com um número maior dessas partículas.

O modelo atômico de Sommerfeld

Em 1915, o cientista A. Sommerfeld, estudando espectros de emissão de átomos mais complexos que o hidrogênio, admitiu que para cada camada eletrônica (n), havia 1 órbita circular e (n-1) órbitas elípticas de diferentes excentricidades.

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Modelo atômico de Sommerfeld

Desse modo:

A segunda camada possui 1 órbita circular e 1 órbita elíptica.

A terceira camada possui 1 órbita circular e 2 órbitas elípticas.

A quarta camada possui 1 órbita circular e 3 órbitas elípticas.

A energia mecânica do elétron seria determinada pela distância a que o elétron se encontra do núcleo (energia potencial) e pelo tipo de órbita que descreve (energia cinética).

A descoberta do nêutron

Na década de 30, vários cientistas fizeram experiências bombardeando determinados materiais com partículas alfa, na tentativa de atingir o núcleo dos átomos desse material, transformando-os em outros átomos.

Através de experiências desse tipo, em 1932, o físico inglês James Chadwick constatou que os núcleos dos átomos, assim como as próprias partículas alfa, continham em sua estrutura, além dos prótons que lhes conferiam carga positiva, outras partículas, de carga elétrica neutra e massa aproximadamente igual à do próton. Chadwick deu a essas partículas o nome de nêutrons.

Verificou-se nessa época que as partículas alfa são constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons.

Estrutura atômica básica para a Química

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Hoje sabemos que o átomo é, na verdade, um intrincado sistema contendo inúmeras partículas e subpartículas.

Para a Química, porém, quase sempre é suficiente estudar as 3 partículas que chamamos de fundamentais: o próton, o nêutron e o elétron.

Os prótons e os nêutrons ocupam uma região central do átomo, o núcleo, e por isso são indistintamente chamados de núcleons.

Os elétrons ocupam uma região ao redor do núcleo chamada eletrosfera.

Massa e carga das partículas fundamentais

Para medirmos a massa de coisas tão pequenas como o átomo e as partículas que o compõem, usamos como padrão o u, unidade (unificada) de massa atômica, de acordo com o Sistema Internacional de unidades.

O u corresponde a 1,66057.10-54 grama.

A massa das partículas fundamentais, em repouso, é a seguinte: próton = 1,00728 u, nêutron = 1,00866 u e elétron = 5,48579.10-4 u.

Se compararmos essas massas entre si, veremos que a massa do nêutron é quase igual á massa do próton, ligeiramente maior, enquanto o elétron tem massa 1 836 vezes menor que a massa do próton.

Como podemos perceber:

Praticamente toda a massa do átomo está contida no núcleo.

A carga elétrica do elétron foi determinada experimentalmente em 1908 por Robert A. Millikan e é igual a -1,602189.10-19 coulomb, o que equivale a uma unidade elementar de carga (1 uec). A carga do próton é igual à do elétron, só que de sinal contrário (o sinal das cargas é uma convenção).

As cargas do próton e do elétron se anulam mutuamente.

O nêutron não possui carga elétrica, é neutro.

Resumindo:

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Dimensões do átomo

O tamanho de um átomo é normalmente medido em angströns. Lembre-se de que: I angström equivale a 10-8 centímetro.

O diâmetro médio do núcleo de um átomo fica entre 10-5 e 10-4 angström.

O diâmetro médio da eletrosfera de um átomo é de 1 angström.

Isso nos leva a importantes conclusões:

Se examinarmos a relação:

(diâmetro da eletrosfera) / (diâmetro de núcleo) = 105 veremos que a eletrosfera de um átomo é entre 10 000 e 100 000 vezes maior que o seu núcleo. Se o núcleo tivesse o diâmetro de 1 centímetro, a eletrosfera teria o diâmetro entre 100 metros e 1 quilômetro.

Uma vez que praticamente toda a massa do átomo está contida no núcleo (devido aos prótons e aos nêutrons) e que essa enorme região chamada eletrosfera (que contém os elétrons) praticamente não tem massa, reafirma-se a conclusão de Rutherford: O átomo é um grande vazio.

Átomos e elemento químico

O número atômico

Até hoje são conhecidos 110 tipos diferentes de átomo que, combinados entre si das mais diversas maneiras, vão dar origem a todo tipo de matéria existente. Átomos de mesmo tipo são aqueles que possuem o mesmo número de prótons (o número de nêutrons e o número de elétrons não precisa ser o mesmo). Como o número de prótons define a espécie de átomo, ele passou a ser denominado nú- mero atômico e simbolizado por Z.

número de prótons (p) = número atômico (Z) ou Z = p

De onde vem a definição:

Elemento químico é um conjunto de átomos com o mesmo número atômico.

Exemplos:

Hidrogênio -- conjunto de átomos que possuem 1 próton.

Oxigênio -- conjunto de átomos que possuem 8 prótons.

Carbono -- conjunto de átomos que possuem 6 prótons.

Número de massa

Como praticamente toda a massa do átomo está contida em seu núcleo, denominamos o número total de núcleons (prótons e nêutrons) de um átomo de número de massa, que é simbolizado por A.

É importante perceber que o número de massa A não é uma massa:

O número de massa A é um número inteiro que representa o total de partículas (prótons e nêutrons) do núcleo de um átomo.

A=p+n ou A=Z+n

Exemplo:

Considerando-se um átomo que possua 11 prótons, 12 nêutrons e 11 eiétrons, seu número atômico Z será 11 (Z = p) e seu número de massa A será 23 (A = Z + n, isto é, A = 11+ 12 = 23).

É importante ainda perceber que o conceito de número de massa é totalmente distinto dos conceitos de massa do átomo e de massa atômica -- termos que são muito usados na Química

Massa do átomo: a massa do átomo deveria ser, a princípio, a soma das massas das partícu- las que o compõem. Mas isso não é verdadeiro. Quando prótons e nêutrons se reúnem para formar um núcleo, ocorre uma perda de massa que é ~ransformada em energia. Essa energia é então utilizada para manter juntos os prótons e os nêutrons. Isso acaba explicando de certo modo a estabilidade do núcleo dos átomos que possuem par- tículas positivas coexistindo em regiões com cerca de 10-4angström de diâmetro, sem se re- pelirem violentamente. Como toda medida de massa é uma comparação com um padrão adequado, e como o pa- drão mais adequado para medir a massa de coisas tão pequenas feito um átomo é o u, então a massa do átomo é expressa em u.

Massa atômica: é por definição o número que indica quantas vezes a massa do átomo é mais pesada que o u. Como a massa de um átomo é expressa em u e para encontrarmos a massa atômica temos que dividir a massa do átomo pelo u, então a massa atômica é um número puro (adimensional) de valor idêntico ao do peso atômico.

Massa atômica = (massa do átomo em u) / u

Peso atômico = (massa do átomo em u . g) / (u . g)

g = aceleração da gravidade

Símbolos dos elementos químicos

Cada elemento químico é representado por um símbolo, de acordo com a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), obedecendo às regras básicas criadas por Berzelius em 1814.

O símbolo do elemento deve ser, a princípio, a inicial do seu nome, escrita em letra de imprensa maíuscula.

Exemplo: Hidrogênio ( H).

No caso de elementos químicos que tenham o nome começando pela mesma letra, será acrescentada uma segunda letra-escrita no formato imprensa-minuscúla.

Exemplo:

Cálcio (Ca)
Cádimo (Cd)
Cério (Ce)
Césio (Cs)

Alguns elementos químicos tem o seu símbolo derivado do nome em latim.

Exemplos:

Natrium (Na)
Kalium (K)
Phosphorus (P)
Sulfur (S)

O símbolo representa 1 átomo do elemento químico.

Quando queremos representar um número maior de átomos, colocamos esse número na frente do símbolo.

Exemplo:

H -- representa 1 átomo de hidrogênio.

2 H -- representa 2 átomos de hidrogênio.

Dado um elemento químico qualquer de símbolo genérico X, por convenção, o número atômico Z é escrito embaixo e à esquerda do símbolo e o número de massa A é escrito em cima e de preferência à esquerda do símbolo, como esquematizamos a seguir:

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Elementos químicos naturais e artificiais

Dos 110 elementos químicos conhecidos, 20 são artificiais:

O tecnécio, Tc, de número atômico 43;

O promécio, Pm, de número atômico 61;

Todos os elementos com número atômico maior que 92, isto é, do neptúnio, Np, de número atômico 93, em diante.

No caso do tecnécio e do promécio, supõe-se que esses elementos já existiram naturalmente em épocas remotas, mas sofreram desintegração total devido à sua excessiva radioatividade.

O homem vem tentando, há algum tempo, sintetizar em laboratório elementos de núme- ro atômico cada vez maior. O grande problema que vem enfrentando nesse sentido é manter. esses elementos estáveis por um tempo suficiente para determinar suas propriedades.

Como a tecnologia soviética sempre seguiu de perto a americana, era comum que as duas nações conseguissem sintetizar o mesmo elemento na mesma época.

Nunca foi comum, porém, que chegassem a um acordo a respeito do nome que esse elemento devia ter.

Alguns elementos sintetizados simultaneamente por americanos e russos receberam duas propostas de nome, como vemos a seguir:

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Os elementos de número atômico 102 e 103 já tiveram seus nomes oficializados pela IUPAC de acordo com a proposta americana.

Cientistas do Instituto de Pesquisa sobre fons Pesados, de Darmstadt, na Alemanha, sugeriram um nome para os seguintes elementos:

107 -- Nielsbohrium -- em homenagem ao físico atômico Niels Bohr

108 -- Hassium -- em homenagem ao estado de Hessen, na Alemanha, que tem financiado as pesquisas

109 -- Meitnerium ~ em homenagem à física Lise Meitner, que ajudou a descobrir o fenô- meno da fissão nuclear.

Entretanto, até que esses nomes sejam aceitos pela comunidade científica internacional, a IUPAC recomenda o uso da nomenclatura e simbologia provisórias, expostas a seguir.

Nomenclatura

Simbologia provisórias: Z > I00

O nome é derivado diretamente do número atômico do elemento e é formado da seguinte maneira:

prefixo da centena - prefixo da dezena - prefixo da unidade + ium

Os prefixos foram tirados parte do grego e parte do latim, para evitar ambigüidades.

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Ao prefixo que indica o número da unidade junta-se a terminação -ium.

O símbolo terá três letras, a primeira maiúscula e as duas outras minúsculas.

Cada uma delas corresponde à primeira letra do prefixo da centena, da dezena e da unidade, nesta ordem.

Exemplo: Elemento 174: un-sept-quadium (Usq)

Quando o número da unidade for 2 ou 3, deve-se omitir o i do prefixo bi ou tri e juntar dire- tamente à terminação -ium. Exemplo: 202 bi-nil-bium (Bnb).

Quando o número que indica a centena for nove (enn) e o número que indica a dezena for zero (nil), deve-se omitir o último n de enn, ficando apenas en.

Exemplo: 900 en-nil-nilium (Enn)

O quadro abaixo traz uma série de exemplos para melhor compreensão:

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Propriedades internucleares das entidades químicas

A isotopia, bem como os dois itens seguintes, isobaria e isotonia, são relações que dizem respeito apenas ao núcleo do átomo. Como a eletrosfera e os elétrons não vão interferir nessas relações, o número de elétrons pode ou não ser o mesmo, de uma entidade química para outra.

Isotopia -- isótopos

Denominam-se isótopos as entidades químicas que possuem o mesmo número de prótons. A esse fenômeno dá-se o nome de isotopia.

O número de nêutrons (n) dos isótopos e, portanto, o número de massa (A) são diferentes. Todos os elementos químicos possuem isótopos, naturais e/ou artificiais. Os diferentes isótopos são diferenciados pelos números de massa. Apenas os isótopos do elemento químico hidrogênio possuem nome próprio.

Observe:

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Os isótopos naturais, como os do hidrogênio, são encontrados em proporções praticamente constantes em qualquer amostra do elemento químico na natureza.

Se considerarmos apenas os átomos isótopos (sem contar os respectivos íons isótopos), poderemos afirmar que eles possuem propriedades químicas iguais, pois são de um mesmo ele- mento químico.

Possuem ainda propriedades nucleares diferentes (os mais pesados normalmente são ra- dioativos) e propriedades físicas diferentes.

A massa atômica oficial de cada elemento químico é calculada pela média ponderada dos números de massa dos isótopos existentes desse elemento na natureza, multiplicada pela abun- dância (% em massa) de cada isótopo.

Exemplo: o elemento químico magnésio, de número atômico 12, possui 3 isótopos naturais:

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A massa atômica oficial do elemento químico será:

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Isotonia - isótonos

Denominam-se isóbaros as entidades químicas que possuem o mesmo número de massa. A esse fenômeno dá-se o nome de isobaria.

Entidades químicas isóbaras possuem o número de prótons e o número de nêutrons diferentes, porém a soma (p + n) é a mesma.

Exemplo:

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Átomos isótonos são elementos químicos diferentes e, por isso, todas as suas propriedades são diferentes.

Fonte: www.fcf.usp.br

Matéria e Energia

A curiosidade natural do homem, o leva a explorar o ambiente que o cerca, observando, analisando, realizando experiências, procurando saber o porquê das coisas. Nesta atividade, exploradora e investigativa, o homem adquire conhecimentos. Muitos desses conhecimentos são usados para melhoria de sua vida.

O homem aprendeu a utilizar o fogo como fonte de luz e calor, a água para mover uma roda, o vapor de água para movimentar máquinas, o vento para movimentar o moinho e barcos a vela, dessa maneira atingiu um conhecimento tecnológico.

Por outro lado, essa curiosidade natural o leva a sistematizar os conhecimentos adquiridos, procurando saber como e porquê acontecem, fazer comparações e analogias, estabelecer relações de causa e efeito, que lhe permitam fazer previsões. Neste caso ele adquire um conhecimento científico dos fatos.

O Universo é constituído de Matéria e Energia

Matéria

Se você observar o ambiente que o rodeia, notará coisas que pode pegar, como uma bola, lápis, caderno, alimentos, outras que pode ver, como a lua, as estrelas, e outras ainda que pode apenas sentir, como o vento, a brisa. Se você colocar algumas destas coisas em uma balança, perceberá que todas elas possuem uma quantidade de massa, medida em relação a um padrão pré-estabelecido.

Todas essas coisas que você observou, comparou e cuja quantidade você mediu, têm características comuns: ocupam lugar no espaço e têm massa.

Tudo que ocupa lugar no espaço e tem massa é matéria.

Energia

O calor que nos aquece, a luz do Sol, de outras estrelas ou das lâmpadas, são formas de energia. Todas as substâncias que formam os materiais que encontramos na Terra, na Lua, nos outros planetas, nos seres vivos, nos alimentos, nos objetos, são formas diferentes de matéria. Todos os seres vivos são feitos de matéria e precisam de energia para que seu organismo funcione, seja ele uma planta, uma bactéria ou um ser humano.

Em nossas atividades cotidianas precisamos de vários tipos de matéria e energia. Para nossa sobrevivência precisamos dos alimentos, para que estes nos forneçam energia para nossas funções vitais. Para o mais leve movimento que realizamos, como um piscar de olhos, precisamos de energia.

Além dos alimentos, precisamos de materiais para produzir todos os objetos, utensílios, ferramentas que utilizamos: como um abridor de latas, uma mesa, um copo, uma máquina de lavar roupa, um fogão a gás, um computador, um caminhão. Para que qualquer instrumento, máquina ou ferramenta funcione precisamos de algum tipo de energia, por exemplo, para que um computador funcione precisamos de energia elétrica, para o funcionamento de um abridor de latas precisamos da energia dos nossos músculos.

Além de massa e volume existem outras características comuns a toda matéria e são denominadas propriedades gerais.

Quando um ônibus arranca a partir do repouso, os passageiros tendem a deslocar-se para trás, resistindo ao movimento. Por outro lado, quando o ônibus já em movimento freia, os passageiros deslocam-se para frente, tendendo a permanecer com a velocidade que possuíam, isto é devido a uma outra característica da matéria, a inércia.

Inércia: é a propriedade da matéria de resistir a qualquer variação de seu estado de repouso ou de movimento.

É mais fácil empurrar um carro do que um caminhão, porque os corpos que apresentam maior inércia são aqueles que apresentam maior massa.

Peso: é a força de atração gravitacional que a Terra exerce sobre um corpo.

Todos os corpos abandonados próximos à superfície da Terra caem devido aos seus pesos, com velocidades crescentes, sujeitos a uma mesma aceleração, denominada aceleração da gravidade. A aceleração da gravidade é representada pela letra g.

A aceleração da gravidade varia de um local para outro, quanto mais distante do centro da Terra o corpo se encontrar, menor será a ação da atração gravitacional.

Na superfície da Terra, a aceleração da gravidade varia muito pouco e o valor desta é aproximadamente 9,8 m / s2,ou seja, a cada segundo a sua velocidade aumenta em 9.8 m/s.

Peso e massa de um corpo não são a mesma coisa, o peso de um corpo depende do valor local da aceleração da gravidade e a massa é a quantidade de matéria, além de ser uma propriedade exclusiva do corpo, não depende do local onde é medida.

Peso e massa estão relacionados entre si, o peso de um corpo é proporcional a sua massa.

p = mg

Cálculo do peso de um corpo na Terra, na Lua e no Espaço:

   Na Terra Na Lua No Espaço
Massa do corpo (m) 3 kg  3 kg  3 kg 
Aceleração da gravidade (g) 9,8 m/s2 1,6 m/s2 aproximadamente 0 m/s2
Peso (p = mg) p = 3 x 9,8 = 29,4 N p= 3 x 1,6 = 4,8 N aproximadamente 0 N

Observação: Peso é praticamente 0 N, porque a força gravitacional é mínima.

Um objeto na Lua, na Terra e no Espaço possuem a mesma massa, mas possuem peso muito diferentes, porque a ação da força de atração gravitacional da Lua é bem menor, equivalente a 1/6 da força gravitacional da Terra. E no espaço a aceleração da gravidade é quase inexistente.

Se o Super-Homem, viesse de um outro planeta no qual a força gravitacional fosse muito maior que a da Terra, ele daria saltos imensos, nos dando a impressão que estaria voando.

Na Lua seríamos como o super-homem, pois daríamos saltos tão altos que teríamos a sensação de estarmos voando.

Se em um copo completamente cheio com água você colocar uma pedra, notará que a água transbordará, isto ocorre em função de uma outra propriedade da matéria, denominada impenetrabilidade.

Impenetrabilidade: dois corpos não podem ocupar o mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo.

Fonte: educar.sc.usp.br

Matéria e Energia

O conceito de matéria

No estudo da Ciência, a composição do Universo é dividida em duas entidades – matéria e energia. De acordo com o método cientifico, devemos realmente admitir que pode haver no Universo algo mais além da matéria e da energia, mas até agora a Ciência não encontrou este componente.

A matéria inclui os materiais que formam o Universo: as rochas, a água, o ar e a multiplicidade de coisas vivas. Tudo que é sólido liquido ou gasoso é uma forma de matéria.

Classificar algo como matéria não significa, entretanto, que conheçamos a natureza real da matéria. Sabemos que os químicos  desdobram a matéria para determinar seus constituintes, e o físico deseja saber o que mantém tais constituintes unidos; mas as partículas fundamentais e as leis da matéria parecem ser sempre um desafio.

A melhor maneira de adquirir um conceito de matéria é trabalhar com ela e descrever suas várias formas. Uma descrição não é uma definição no sentido real da palavra, mas reduz uma idéia abstrata a termos bem concretos.

Propriedades da matéria

As propriedades são usadas para descrever a matéria.

Ao descrevermos uma pessoa, por exemplo, referimo-nos às suas propriedades: sua altura, aparência, disposição, habilidades; semelhantemente, todas as espécies de matéria apresentam propriedades, e do mesmo modo que alguém pode ser identificado pela relação de suas propriedades, determinada espécie de matéria o pode ser por intermédio de suas características. Na verdade, é mais fácil discutir a matéria em termos de suas propriedades do que explicar a sua natureza final,

As propriedades da matéria podem ser divididas em duas categorias: as que podem ser determinadas sem alteração essencial da substância, e aquelas que só se evidenciam quando a substância sofre interação com outra forma de matéria.

A última classe de propriedades, que exigem uma mudança na composição da matéria, inclui as chamadas propriedades químicas, enquanto que as primeiras, em que não há necessidade disto, são chamadas propriedades físicas. Por  exemplo, a capacidade de uma substância de queimar-se é uma propriedade química, enquanto que o seu ponto de fusão é uma propriedade física.

O número de propriedades que pode ser enumerado para uma substância é virtualmente infinito. Os manuais especializados de Física e Química dedicam centenas de páginas ao relacionamento das propriedades de várias formas de matéria. Da mesma maneira que existem novas facetas do caráter de uma pessoa, para as quais ela não está alertada, os cientistas constantemente estão descobrindo novas propriedades da matéria.

Em vez de catalogar aqui as propriedades físicas da matéria com que entraremos em contato, é melhor discuti-las à medida que forem surgindo.

Mas, no estudo da Física, é importante reconhecer o fato de que, se uma propriedade não pode ser medida e comparada com alguma espécie de padrão, não tem utilidade para o cientista: Sem medida não pode existir Ciência, e quanto mais precisamente se possa medir determinada propriedade, mais completa será a descrição da matéria.

Massa e peso

Uma propriedade básica da matéria é sua massa: A massa de uma substância é a medida da quantidade de matéria nela contida. As medidas de massa são baseadas no quilograma/massa, que é conservado em um depósito especial no Bureau Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, próximo de Paris, na França. Em vários lugares de todo o mundo estão guardadas duplicatas deste padrão. No Brasil acham-se guardadas na Casa da Moeda, no Rio de Janeiro.

A massa de uma substância não varia. com a temperatura; pressão ou localização no espaço. Um objeto com a massa de 1kg terá esta massa na Terra, na Lua, em Marte ou quando flutuando no espaço. Mas de que maneira determinamos a massa de uma substância? É suficiente uma comparação de tamanho com a massa padrão? Evidentemente, não, já que os objetos podem ter o mesmo volume, mas concentrações diferentes de matéria; um pode ser firmemente comprimido, como uma peça de metal, enquanto que outro pode ter estrutura esponjosa.

Em lugar do volume, devemo-nos voltar para outra propriedade da matéria sua reação às forças. Por enquanto, podemos definir uma força como algo que tende a modificar a posição ou a direção do movimento de um objeto. Um empurrão ou um puxão é uma força, e a matéria oferece resistência a empurrões ou puxões; quando empurramos um carro parado, o empurrão é a força, e o automóvel resiste a ela. Se não apresentasse tal resistência, não seria necessário o empurrão para colocá-lo em movimento. O fato de resistir mostra que o carro é formado de matéria. A resistência da matéria a qualquer alteração de seu estado de repouso ou movimento é chamada inércia.

A inércia se manifesta não somente quando os objetos estão parados, mas também durante seu movimento. Uma bola de futebol em vôo continuará deslocando-se, a menos que alguma coisa o impeça; quando interpomos a cabeça o em sua trajetória, estamos novamente fornecendo a força necessária para levá-la ao repouso.

Isto sugere a existência de duas espécies de inércia - uma forma estacionária e outra de movimento, mas se trata, na verdade, da mesma propriedade da matéria que se está mostrando em circunstâncias diversas.

A inércia da matéria é a chave para a medida da massa. Se dois objetos materiais,, inteiramente livres para se moverem; oferecem a mesma resistência a fuma dada força, então possuem a mesma massa, isto é, contêm a mesma quantidade de matéria.

Um instrumento criado para a medida de massas por esta relação é a balança de inércia; se uma substância ou objeto é colocado na barra horizontal desta balança, e o sistema posto em vibração, o objeto mover-se-á para um lado e para o outro periodicamente, e a freqüência deste movimento dependerá da massa do objeto e da rigidez das molas. Como estas fornecem a força e a massa oferece a resistência, a balança de inércia é independente de sua localização no espaço.

Se for conhecido o tempo de vibração de uma massa padrão, outras massas podem ser medidas determinando-se o tempo das vibrações que ocasionam.

Isto pode ser feito locando-se em um gráfico as freqüências de várias massas conhecidas, e fazendo o mesmo com a freqüência da massa desconhecida, ou por meio da seguinte fórmula:

Matéria e Energia

na qual m1 é uma massa conhecida (inclusive a massa da plataforma da balança), m2 a massa desconhecida (mais plataforma), T1 o tempo para uma vibração completa (ida e volta) de m1, e T2 o tempo correspondente para m2. Um bom método de determinar T1 e T2 é deixar a balança oscilar 100 vezes, e dividir o tempo total por 100.

Desta experiência podemos concluir que a massa é a medida da inércia de um objeto.

Um termo que é muito confundido com massa é peso. Peso é uma medida da força gravitacional que atua sobre uma substância. Como esta força varia com a distância entre dois objetos, o pêlo de um corpo não é constante, e na ausência desta força será nulo, mas sua massa permanece inalterada.

Uma unidade de força usada em Física é o newton; esta unidade não será definida de forma completa aqui, as o importante a lembrar aqui é que o newton e o quilograma não são unidades equivalentes. Com isto queremos dizer que é possível transformar quilogramas em newtons, ou vice-versa, da mesma forma que transformamos metros em centímetros. Trata-se de quantidades físicas diferentes, mas é correto dizer-se, por exemplo, que a massa de 1,0 kg 9,8 N no nível do mar.

Nas mesmas condições, os pesos de dois objetos estão na mesma razão que suas massas. Os dispositivos mais comumente usados no laboratório de Física para medir, massas e pesos são a balança de pratos e a balança de mola.

A balança de prato compara a força gravitacional que atua sobre dois corpos por meio de alavancas, enquanto que a balança de mola mede esta força sobre um corpo, pela distorção de uma mola. Desta maneira, os dois aparelhos comparam massas indiretamente, já que as razões das massas são as mesmas que as dos pesos.

A leitura da balança de mola variará com a altitude, e nenhum dos dois dispositivos poderá ser usado para comparar massas em um ambiente de gravidade nula. São, na verdade, "pesadores", e não "medidores de massa", já que não medem diretamente a massa de um objeto.

Uma propriedade da matéria Intimamente relacionada com a massa é a massa específica, que se refere à quantidade de matéria em dado volume, e é definida como a massa de uma substância por unidade de volume.

Assim, se um corpo ocupa um volume de 15 m3 e tem a massa de 450 kg, sua massa específica é 30 kg/m3. A fórmula matemática é d=m/v.:

Ao se enunciar a massa específica de uma substância, é importante incluir as unidades (quilogramas por metro cúbico, gramas por centímetro cúbico, ou qualquer outra unidade de massa por unidade de volume), para que se possa compará-la com outros valores de massa específica.

Condições da matéria

Muitas propriedades da matéria não são constantes, variando com as condições do ambiente. Assim, a água congela quando está suficientemente fria, e ferve quando é aquecida o necessário. Em cada caso, as propriedades físicas da água foram alteradas. Da mesma forma, a massa especifica de um gás aumenta quando o mesmo é colocado sob pressão, e diminui quando a pressão é reduzida.

0 ambiente da matéria é conhecido como suas condições. As condições incluem, entre outras coisas, a temperatura, pressão, concentração (no caso de soluções) e carga elétrica. Muitas das relações de causa e efeito que serão estudadas em Física, tanto na sala de aula como no laboratório, dirão respeito às variações de uma propriedade de uma substância com a mudança nas condições.

ENERGIA

O conceito de energia

A energia é ainda mais difícil de definir que a matéria. Ela não tem peso e só pode ser medida quando está sendo transformada, ou ao ser liberada ou absorvida.

Por isso, a energia não possui unidades físicas próprias, sendo expressa em termos das unidades do trabalho que realiza. Em outras palavras, energia é a capacidade de realizar trabalho.

Apesar de não ser definida com facilidade, a energia, em geral, é bastante perceptível, pelo fato de estar o homem dotado de sentidos apropriados para registrarem a presença de várias formas de energia. Nossos olhos reagem à energia luminosa, nossos ouvidos detectam a energia sonora; nervos especiais são sensíveis à energia térmica e outros nervos nos informam quando entramos em contato com energia elétrica.

Além das formas de energia que podem ser percebidas por meios fisiológicos, os cientistas descobriram outras variedades, o que significou a necessidade do desenvolvimento de instrumentos especiais de detecção e medida, para registrarem seus efeitos. Ainda mais, os cientistas ampliaram o campo e a sensibilidade dos sentidos humanos, por meio de dispositivos registradores especiais. Dentre as formas de energia que se enquadram nesta categoria "extra-sensorial" estão a energia química, a energia nuclear e a energia eletromagnética, acima e abaixo da faixa de freqüências que os seres humanos podem perceber.

O estudo da energia é o conceito unificador da Física. Mais especificamente, o trabalho da Física é acompanhar e medir o curso da energia ao passar de uma forma para outra, pois as diversas formas de energia são intercambiáveis. E como a energia, da mesma maneira que a matéria, em geral não é criada nem destruída, segue um ciclo sem principio nem fim.

Tomemos, por exemplo, a energia que gastamos em um passeio a pé. Nós a recebemos dos alimentos que comemos.

Um exemplo de energia potencial gravitacional

A quantidade de energia no livro depende do ponto zero escolhido para a experiência, os quais, por sua vez, a obtiveram dos nutrientes do solo e das radiações do sol; este desenvolveu-a nas reações nucleares em seu interior, etc. Acompanhando a continuação da marcha desta energia, a pressão de nossos pés sobre o solo aquece-o ligeiramente, e este calor é irradiado para o espaço, ajudando a evaporar a água da terra; o. que torna possível a chuva, etc.

Como podemos concluir, um único ciclo de energia pode cobrir um curso inteiro de Física, e até mesmo ramificar-se em várias outras ciências.

É importante ressaltar novamente que o estudo da natureza pode ser realizado como ciência pura e como tecnologia. A física pura trata das leis que descrevem as transformações da energia, e a Tecnologia toma essas leis e aplica-as à vida diária. Os princípios fundamentais da conversão da energia nuclear em elétrica fazem parte da física pura, mas a utilização de tais princípios na produção de energia elétrica, para uso industrial ou doméstico, enquadra-se nos domínios do engenheiro.

As diversas formas de energia classificam-se logicamente em duas categorias: energia de movimento e energia de posição ou configuração. A primeira é chamada energia cinética, enquanto que a segunda recebe o nome de energia potencial.

Energia potencial

Se um livro for empurrado de cima de uma mesa, cairá ao chão, e enquanto está caindo, poderá chocar-se com algum outro objeto, e exercer uma força sobre ele. Neste processo, estará havendo transferência de energia do livro para o objeto, e se pesquisarmos a origem desta energia, verificaremos que estava contida no livro, quando o mesmo repousava sobre a mesa. O livro adquiriu tal energia quando alguém o levantou até o nível do tampo da mesa. A energia armazenada em um corpo é chamada energia potencial.

Como a energia potencial pode sei convertida em trabalho, empregam-se as unidades de trabalho para medir e descrever esta forma de energia.

Uma das unidades de trabalho é o newton-metro, que combina as grandezas força e distância; quando o livro cai para o chão, os newton-metro de energia que possui são transformados em trabalho, que se converte principalmente em energia térmica, no choque com o piso.

De certo modo, o chão é um ponto zero arbitrário para o nosso exemplo. Se for cortado um buraco no mesmo, embaixo do livro, ele continuará a cair e a realizar mais trabalho; assim, para cada problema sobre energia potencial gravitacional, deve-se escolher um nível zero lógico.

Um objeto pode ter, também, energia potencial não relacionada com a gravidade. Por exemplo, uma mola comprimida adquire sua energia da força que foi exercida sobre ela para colocá-la em tal situação; é o que se chama energia potencial interna. A energia química, de uma bateria de acumuladores é outro exemplo.

A energia potencial interna não é tão fácil de calcular como a gravitacional, pois exige a familiarização com as transformações de várias formas de energia, e algumas, em especial as relacionadas com o interior do átomo, podem levar o problema até às fronteiras da física moderna.

Uma experiência interessante, no campo da energia potencial, é determinarmos o destino da energia existente em uma mola comprimida, quando a dissolvemos em um ácido. Para onde vai sua energia interna? Que espécie de controle podemos estabelecer para verificarmos as hipóteses feitas? Discuta o. problema com seus colegas e veja o que pode ser proposto, e depois planeje uma experiência para verificar as idéias formuladas.

Energia cinética

Qualquer objeto em movimento possui energia cinética. Isto é o mesmo que dizer que tudo tem energia cinética, pois os cientistas estão convencidos de que tudo que existe no universo está-se movendo de algum modo.

Desta forma, deparamo-nos outra vez com o problema de escolher um ponto zero arbitrário, ou um ponto estacionário, no presente caso. Em geral, na Física terrestre, a superfície da Terra é considerada como estacionária, e um objeto nela em repouso é tomado como tendo energia cinética nula.

A energia cinética de um objeto depende de sua massa e de sua velocidade, e as unidades usadas são o quilograma e o metro por segundo. Não veremos aqui, mas a combinação de unidades pode ser convertida na mesma unidade de trabalho usada para a energia potencial, o newton-metro. Em outras palavras, a energia cinética de um objeto é a medida de sua capacidade de realizam trabalho sobre outros objetos; quando é levado até o repouso.

Existe uma interação constante entre energia potencial e energia cinética. Consideremos novamente o pêndulo; quando está no ponto mais alto de sua oscilação, fica momentaneamente estacionário, e neste ponto toda sua energia é potencial, exceto a energia cinética interna. À medida que começa a descer, parte da energia potencial se transforma em energia cinética, e no ponto mais baixo da trajetória, que consideraremos como nível zero para a energia potencial, a energia cinética do pêndulo é máxima, pois tem a máxima velocidade. À medida que sobe no outro lado do arco, o intercâmbio de energia se inverte. Durante todas estas transformações, a quantidade total de energia é a mesma - trata-se somente da passagem de um tipo para outro. Esta constância da energia total de um sistema é chamada conservação da energia.

A conservação da energia foi demonstrada de forma indiscutível pelas clássicas experiências realizadas pelo Conde de Rumford e por James Prescott Joule, na primeira parte do século XIX.

Naquela época, a maior parte dos cientistas considerava o calor como um fluido, chamado calórico, que podia entrar ou sair dos objetos, sem afetar seu pêso. 0 Conde Rumford interessou-se pela teoria calórica quando supervisionava a perfuração de barras de bronze, para a fabricação de tubos de canhões; as aparas de bronze resultantes do trabalho de perfuração ficavam tão quentes que podiam ferver a água, quando jogadas dentro dela. De onde provinha todo esse "calórico”?

De acordo com a teoria calórica, este fluido era "espremido" do bronze durante a perfuração, mas Rumford verificou que outras peças de bronze quente podiam aquecer a água com a mesma eficiência que as aparas dos tubos dos canhões. Isto mostrou que, afinal, não existia o calórico, e que o calor não era uma substância, e sim provavelmente Algo muito relacionado com o movimento do processo de perfuração. Rumford raciocinou ainda que a quantidade de calor que poderia ser assim obtida era ilimitada.

Joule continuou as investigações a respeito do calor, estabelecendo a relação exata entre ele e a energia mecânica. Verificou que a quantidade de calor produzida é determinada pelo trabalho mecânico consumido; tal relação é discutida em textos de Física Térmica.

A equivalência entre calor e energia mecânica forneceu evidências fortes de que o calor deve ser uma forma de energia, apoiando também a teoria de que a quantidade total de energia permanece constante quando ela é transformada de uma espécie em outra.

Relação entre matéria e energia

Até aqui estivemos discutindo matéria e energia como se fossem duas espécies inteiramente diversas de realidade. Contudo, as duas estão, em geral, inseparavelmente _ relacionadas. Cada objeto contém algum tipo de energia, e a idéia de energia quase sempre não apresenta significado, se não puder ser descrita em termos da substância com que está associada. Por exemplo, a energia térmica não existe no vácuo perfeito, e a energia elétrica, na grande maioria dos casos, reside em partículas ou objetos.

Em 1905, Einstein exprimiu a relação entre matéria e energia por meio da célebre fórmula:

Matéria e Energia

na qual E representa unidades de energia (unidades de trabalho), m é a massa e c a velocidade da luz. Einstein desenvolveu esta fórmula a partir de considerações totalmente teóricas, e na época não havia meios de verifica-la em laboratório. Experiências recentes, todavia, mostraram que a fórmula é correta.

A fórmula de Einstein estabelece que há uma proporcionalidade entre massa e energia, isto é, quando uma cresce a outra também aumenta, e quando uma diminui a outra decresce. A fórmula pode ser interpretada como significando que determinada quantidade de massa é equivalente a certa energia. Assim, usando 3 X 108 m/s como velocidade da luz, a massa de um quilograma é equivalente a Matéria e Energia, ou Matéria e Energia.

A massa de um objeto varia com a velocidade. Quando um objeto está em repouso em relação ao observador e seus instrumentos de medida, dizemos que tem sua massa de repouso. Estando o objeto em movimento, sua massa cresce, aumentando rapidamente à medida que o objeto se aproxima da velocidade da luz; é a massa relativística, assim chamada por estar de acordo com a teoria da relatividade de Einstein. Na fórmula massa-energia, acima, m é a massa relativística. A tabela a seguir mostra a relação entre a velocidade de um objeto e sua massa relativística

Um exemplo simples servirá para ilustrar a idéia de massa relativística e sua relação com a energia. Quando lançamos uma bola, estamos-lhe fornecendo energia, isto é, há transferência de energia entre nós e a bola. A fórmula massa-energia nos mostra que, enquanto a bola está em movimento, sua massa será maior que no repouso. Tanto a energia como a massa da bola aumentaram, e a massa e a energia suplementares foram por nós fornecidas. Todavia, não se trata de um bom método para emagrecer, a menos que pudéssemos lançar a bola com uma velocidade próxima da luz. Quando a bola pára, sua massa retorna ao valor de repouso, e sua energia cinética é quase toda transformada em calor.

Durante todos esses acontecimentos, tanto a massa como a energia foram conservadas, não havendo criação ou destruição de nenhuma delas.

Tal fato é expresso pela lei da conservação da matéria e da energia: a quantidade total de matéria e energia no Universo permanece constante. Trata-se de uma das leis mais importantes da Física, mas não se deve supor que a fórmula de Einstein é uma prova da mesma, pois esta fórmula seria válida mesmo que a energia e a massa totais do Universo variassem.

As leis da conservação apóiam-se em repetidas medidas de laboratório, que mostram que a massa e energia não se perdem nas reações químicas e físicas. Alguns cientistas acreditam que estas leis não são válidas para as grandes energias e massas do espaço exterior; mas isto ainda não foi verificado; os desvios previstos por estes cientistas são muitos pequenos para que possam ser medidos diretamente com os instrumentos atuais.

A relação entre matéria e energia tornar-se-á evidente no estudo da Física, ainda de outro modo. Geralmente cona energia luminosa em termos e a matéria em termos de partículas. Na realidade, existem ocasiões em que a luz age como se tivesse propriedades materiais. Em outras palavras, existem fenômenos luminosos que só podem ser explicados considerando a luz como formada de partículas discretas. Por outro lado, as partículas de matéria apresentam propriedades ondulatórias.

Esta dualidade de onda e partícula é uma chave, e ao mesmo tempo um quebra-cabeça, na Física, e os cientistas admitem francamente que estão longe de compreendê-lo completamente. Talvez o leitor venha um dia a desempenhar papel importante na resolução deste segredo fundamental  da natureza.

Fonte: www.fisica.net

 

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