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
  1. Átomo = núcleo (prótons + nêutrons) + elétrons em volta.
  2. Cada partícula carregada gera e sente força elétrica: a força de Coulomb
F = k,q1,q2r^2,, kapprox9times10^9;Ncdot m^2/C^2
  1. Dessa força nasce uma energia potencial elétrica
U(r)=k,q1,q2r,
  1. 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:
K=tfrac12,m,v^2,
– Energia mecânica de um sistema isolado (no vácuo, sem atrito):
Em = K + Urm gravitacional(ou outra U)
– Mas se existir atrito, colisões inelásticas ou resistências internas, parte de Em vira energia interna (calor, vibrações atômicas, som).
– Energia total, incluindo campos elétricos e interna:
Erm total = K + U + Urm interna(sempre constante em sistema isolado)

Passo 4

Exemplo 1: atrito deslizando um bloco no chão
– Macroscópico: a energia cinética K 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).

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.

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 Erm total=K+U+Urm interna permanece constante, confirmando a conservação de energia em sentido amplo.

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