Discuta como a natureza atômica da matéria, sendo o átomo constituído por cargas elétricas, nos ajuda a entender a conservação de energia num sentido amplo. Dê exemplos de situações em que a energia mecânica de um sistema pequeno não é conservada, mas que ao ampliar o sistema, passamos a ter conservação de energia. Indique claramente como ocorre a transferência de energia do sistema pequeno para sua vizinhança.
Passo 1
Beleza, vamos resumir o que a questão pede e definir o que a gente vai usar. O enunciado quer que a gente discuta como o fato de a matéria ser feita de átomos com cargas elétricas (prótons positivos, elétrons negativos) ajuda a entender a conservação de energia de forma geral. Em seguida, dar exemplos em que, num sistema “pequeno”, a energia mecânica não parece conservada, mas se a gente ampliar o sistema, tudo volta a se conservar. Pra isso, vamos precisar de:
- Noções básicas de energia cinética,
- Energia potencial elétrica entre cargas (força de Coulomb),
- Princípio da conservação da energia total (incluindo energia interna e de campo),
- Exemplos práticos de atrito e colisões inelásticas.
Passo 2
Explicando a natureza atômica e o papel das cargas elétricas
- Átomo = núcleo (prótons + nêutrons) + elétrons em volta.
- Cada partícula carregada gera e sente força elétrica: a força de Coulomb
- Dessa força nasce uma energia potencial elétrica
- Essas energias de campo tornam a conservação de energia mais “completa” do que só falar de energia mecânica (cinética + potencial gravitacional).
Passo 3
Conservação de energia num sentido amplo
– Energia cinética de um corpo:
– Energia cinética de um corpo:
– Energia mecânica de um sistema isolado (no vácuo, sem atrito):
– Mas se existir atrito, colisões inelásticas ou resistências internas, parte de
vira energia interna (calor, vibrações atômicas, som).
– Energia total, incluindo campos elétricos e interna:
– Energia total, incluindo campos elétricos e interna:
Passo 4
Exemplo 1: atrito deslizando um bloco no chão
– Macroscópico: a energia cinética do bloco diminui até parar → parece que “perdemos” energia.
– Microscópico: as superfícies são rugosas, átomos se “esbarram”, moléculas vibram mais rápido → aumenta a energia interna (temperatura) do bloco e do chão.
– Transferência: energia cinética → trabalho de atrito (força elétrica entre átomos) → calor (vibrações atômicas).
– Macroscópico: a energia cinética
– Microscópico: as superfícies são rugosas, átomos se “esbarram”, moléculas vibram mais rápido → aumenta a energia interna (temperatura) do bloco e do chão.
– Transferência: energia cinética → trabalho de atrito (força elétrica entre átomos) → calor (vibrações atômicas).
Passo 5
Exemplo 2: colisão inelástica de duas massas (massinha de modelar)
– Macroscópico: parte da energia cinética vai embora — a massinha não quica, ela deforma e para.
– Microscópico: as ligações químicas entre átomos são esticadas/quebradas, viram calor e deformação interna.
– Se eu incluir a massinha + o ar + o banco onde ela bateu no meu sistema, aquela “energia perdida” aparece como aumento de temperatura e som.
– Macroscópico: parte da energia cinética vai embora — a massinha não quica, ela deforma e para.
– Microscópico: as ligações químicas entre átomos são esticadas/quebradas, viram calor e deformação interna.
– Se eu incluir a massinha + o ar + o banco onde ela bateu no meu sistema, aquela “energia perdida” aparece como aumento de temperatura e som.
Resposta
A natureza atômica da matéria, fundamentada nas cargas elétricas e na energia de campo de Coulomb, mostra que a energia nunca some de verdade: quando a energia mecânica de um sistema pequeno “não se conserva” (pela atuação de atrito, colisões inelásticas etc.), ela é transferida para a vizinhança como energia interna (calor, som, vibrações atômicas). Ao ampliarmos o sistema para incluir esses graus de liberdade microscópicos e o campo elétrico, a soma total
permanece constante, confirmando a conservação de energia em sentido amplo.