James Prescott Joule (1818-1889)
- Exemplo 1: Trabalho realizado por uma força constante paralela ao movimento.
Uma força de 10 N horizontal e para direita é aplicada sobre um corpo que se move ao longo de 20 m na direção horizontal. Qual o trabalho realizado pela força F?
Resolução:
Interpretação física: O corpo ganhou 200 J de energia pela aplicação da força.
- Exemplo 2: Trabalho realizado por uma força constante inclinada em relação ao movimento.
Uma força de 10 N forma 60o com a direção horizontal e ajuda a empurrar um corpo que se move ao longo de 20 m na direção horizontal. Qual o trabalho realizado pela força F?
Resolução:
Interpretação física: O corpo ganhou 100 J de energia pela aplicação da força.
- Exemplo 3: Trabalho realizado pela força aplicada por um gás durante uma expansão.
Uma amostra gasosa rarefeita, com 1% da pressão atmosférica ao nível do mar e volume inicial Vi = 1 m3, sofre uma expansão isobárica, dobrando de volume. Sabendo que a pressão atmosférica ao nível do mar vale aproximadamente 1.105 N/m2, qual o valor do trabalho realizado pelas forças aplicadas pelo gás nas paredes do recipiente durante este processo?
Resolução:
Interpretação física: As moléculas do gás chocam-se com as paredes do reciente. Em outras palavras, fazem força nas paredes. Esta força realiza um trabalho de 1000 J, ou seja, o gás cede 1000 J de energia para o meio externo.
- Exemplo 4: Trabalho realizado pela força elétrica sobre uma partícula carregada que se desloca num campo elétrico.
No tubo de um televisor comum, um elétron é acelerado através de uma diferença de potencial U = 10.000 V (em módulo) até chocar-se contra a tela. Qual o trabalho total realizado pela força elétrica na aceleração deste elétron? (considere que a carga elementar vale e = 1,6.10-19 C)
Resolução:
Interpretação física: O elétron, ao sofrer a força elétrica, ganha velocidade. Aqui há transformação de energia potencial elétrica em energia cinética.
- Exemplo 5: Trabalho para arrancar um elétron de um átomo.
Em 1905 Albert Eintein explicou o Efeito Fotoelétrico que consiste em arrancar elétrons de um metal pela incidência da luz. Para tanto, Einstein adaptou a Quantização de Energia de Planck para a luz e imaginou que partículas de luz, chamadas mais tarde de fótons, deveriam carregar uma energia discreta E = h.n onde h = 4.10-15 eV.s é uma constante física chamada de Constante de Planck e n é a freqüência da luz. Segundo Einstein, se um fóton tiver freqüência tal que carregue energia suficiente para arrancar um elétron, ao colidir com este deverá libertá-lo da sua "prisão energética", ou seja, fornecer a energia necessária para que ele se desprenda do átomo e fique livre. Calcule, em elétrons-volt (eV), o trabalho mínimo necessário para arrancar um elétron de uma placa de sódio sabendo que o Efeito Fotoelétrico começa a acontecer no sódio para fótons com freqüência mínima igual a 7.1014 Hz.
Resolução:
Interpretação física: O fóton de energia 2,8 eV é capaz de arrancar um elétron do sódio pois, ao chocar-se com ele, exerce uma força que realiza um trabalho de 2,8 eV. Em outras palavras, o elétron ganha uma energia de 2,8 eV, a mínima necessária para libertá-lo do átomo. Vale observar que 1eV = 1,6.10-19 J, uma quantidade bem pequena de energia mas que, para o elétron, partícula pequena e de massa diminuta, não é tão pouco assim.