terça-feira, 7 de agosto de 2012

Refração da Luz

Esta experiência se propõe medir o índice de refração de um material transparente a partir do estudo das relações de refração da luz. Novamente é impraticável a obtenção de séries extensivas de medidas e são, portanto, encaminhados alguns critério adicionais que auxiliam na estimativa das incertezas.

Variação da velocidade de propagação da luz quando ocorre mudança de meio. Esta variação quase sempre vem acompanhada de desvio do raio luminoso.

· Índice de Refração Absoluto de um meio (N):
N = c / V N meio , c = Velocidade da luz no vácuo , V = Velocidade da luz no meio;
- Vácuo: c : N(vácuo) = 1
- Ar: V(ar) : N(ar) = (aproximadamente) 1;
- Água: V(água) : N(água) > 1;
- Vidro: V(vidro) : N(vidro) > 1 ;
Conclusão: N > ou igual 1 .
Obs.: N mede a dificuldade que a luz encontra em viajar.

· Índice de Refração Refração Relativo:
N_A,B = N_A / N_B = V_B / V_A

· Leis da Refração:

o 1º - Raio Incidente (RI) , Reta Normal (N) e Raio Refratado (RR) são coplanares;

o 2º - Snell Descartes:
N₁ . Sen i = N₂. Sen r

Refração Atmosférica

1. A luz, ao entrar na atmosfera terrestre, sofre pequenas variações ao passar dentre as diversas camadas de ar.

2. Pela refringência ser diretamente proporcional a densidade, a luz desvia do menos refringente para o mais refringente, aproximando-se da reta normal;

3. Quando chega perto do chão existe um ar super aquecido de menor densidade que provoca um desvio do meio mais refringente para o mais refringente, provocando, as vezes, a reflexão total. Isso caracteriza as miragens e as impressões de asfalto molhado que temos;

Reflexão e Refração

Quando um pulso de uma corda atinge uma extremidade (que pode ser fixa ou livre) nota-se que ele volta e, esse fenômeno é denominado reflexão de um pulso.

Extremidade fixa:
Quando o pulso de um corda choca-se com uma extremidade fixa, o pulso volta tendo sofrido um inversão de fase, ou seja, reflexão com inversão de fase, onde o suporte da corda exerce uma força de reação em sentido contrário.

Extremidade livre:
Quando o pulso de corda atinge um extremidade livre, ele volta não sofrendo um inversão de fase, isto é, sofre um reflexão sem inversão de fase. Isso acontece porque a extremidade livre não exerceu a força de reação esperada e, assim o eixo movimenta-se para cima e para baixo acompanhando o movimento do pulso.

Considere agora um sistema de duas cordas diferentes onde uma é mais pesada que a outra. Com o sistema montado produz-se um pulso na extremidade da corda de menor densidade linear em direção da corda de maior densidade. O que ocorre é que para a corda de menor densidade, a corda de maior densidade funcionará como uma extremidade fixa, no entanto esta sofrerá uma refração de pulso onde parte do pulso da corda de menor densidade passa para a corda de maior densidade. Assim o pulso refratado sai na mesma fase em que foi recebido, ou seja, se o pulso estiver para cima, o pulso refratado também estará para cima e vice-versa, com isso o pulso refletido sofrerá uma inversão de fase e o pulso refratado não sofrerá.

Se invertermos o sistema e aplicarmos uma força na corda de maior densidade, a corda de menor densidade funcionará como uma extremidade livre e, assim q o pulso atingi-la ela irá refratá-lo e, como já havia sido dito, o pulso refratado não sofre inversão de fase. O pulso refletido também não sofrerá uma inversão de fase, devido à corda de menor densidade funcionar como uma extremidade livre.

Definição de Refração da luz

Por que a luz se desvia ao passar de um meio transparente para outro?
Desde o século 19 já se sabia que a luz é uma forma de onda que se propaga com alta velocidade. Mas, essa velocidade depende do meio por onde a luz está se propagando. No ar, a velocidade da luz é quase 300.000 quilômetros por segundo. No interior de um vidro transparente ela se reduz a uns "meros" 200.000 km/s. É essa mudança de velocidade que faz o feixe de luz se desviar ao passar do ar para o vidro.

O astrônomo John Herschell explicou esse desvio com uma analogia engenhosa. Ele comparou a onda de luz a uma formação de soldados que passa de um chão rijo (asfalto) para outro mais frouxo (areia). É claro que na areia a velocidade das fileiras de soldados fica reduzida. O resultado disso é duplo: a distância entre as fileiras fica menor e a direção da marcha é desviada. Analogamente, ao passar do ar para o vidro, por exemplo, onde sua velocidade se reduz, a onda de luz se desvia e a distância entre as cristas ( o chamado "comprimento de onda") fica menor.

A reflexão total e o ângulo crítico.

O feixe (AO) vem da água com um ângulo de 40^ocom a normal. Ao passar para o ar, se desvia e passa a fazer um ângulo de 60^ocom a normal (OB). Se o ângulo na água for aumentando, o ângulo no ar também aumenta. Quando o ângulo na água chega a 49,75^o (CO), o ângulo do feixe no ar passa a ser 90^o (OD), isto é, o raio de luz sai rasante à superfície da água. Esse ângulo de 49,75^o é o ângulo crítico para a luz que sai da água para o ar. E, se a incidência se der com um ângulo maior que o ângulo crítico, 60^o (EO), por exemplo? Nesse caso, toda a luz se reflete na superfície e volta para a água (OF). Isso se chama de reflexão total.

Quando o ângulo é menor que o ângulo crítico, a luz se reflete e se transmite, ao mesmo tempo. Mas, quando o ângulo é maior que o ângulo crítico, toda a luz se reflete. É por isso que esse fenômeno se chama de reflexão total.

Quanto maior o índice de refração do meio de onde sai a luz, menor o ângulo crítico. Portanto, maior a chance de haver reflexão total.

Refração no Diamante

Quanto maior o índice de refração de um material transparente, menor o ângulo crítico. Depois que um feixe de luz entra em um material de grande índice de refração, só sai se incidir, internamente, com um ângulo menor que o ângulo crítico.

O diamante tem um índice de refração n = 2,40. Com esse valor do índice de refração, o ângulo crítico do diamante (em relação ao ar) é pouco maior que 24^o. Uma vez dentro do diamante, a luz só sai se incidir na superfície interna com um ângulo menor que esse. De 24^o até 90^o a luz se reflete de volta.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

segunda-feira, 6 de agosto de 2012

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Reações Químicas

Uma reação química ocorre quando certas substâncias se transformam em outras. Para que isso possa acontecer, as ligações entre átomos e moléculas devem ser rompidas e devem ser restabelecidas de outra maneira.

Como estas ligações podem ser muito fortes, energia, geralmente na forma de calor, é necessária para iniciar a reação. As novas substâncias possuem propriedades diferentes das substâncias originais (reagentes).

Como a ocorrência de uma reação química é indicada pelo aparecimento de novas substâncias (ou pelo menos uma) diferentes das que existiam antes, quando as substâncias reagem, às vezes ocorrem fatos bastante visíveis que confirmam a ocorrência da reação e dentre eles, podemos destacar: desprendimento de gás e luz, mudança de coloração e cheiro, formação de precipitados, etc...

As reações químicas não ocorrem somente nos laboratórios, mas, em toda a parte e a todo momento. Oxidação e redução são exemplos destes tipos de reações que ocorrem em nosso dia-a-dia.

Equação Química

A equação química é a forma de se descrever uma reação química. Símbolos e números são utilizados para descrever os nomes e as proporções das diferentes substâncias que entram nestas reações. Os reagentes são mostrados no lado esquerdo da equação e os produtos no lado direito. Não é criada e nem destruída matéria em uma reação, os átomos somente são reorganizados de forma diferente, por isso, uma equação química deve ser balanceada: o número de átomos na esquerda precisa ser igual o número de átomos da direita.

Exemplo de uma Equação Química nãoequlibrada:

H₂ + Cl₂ = HCl

Exemplo de uma Equação Química equlibrada:

H₂ + Cl₂ = 2HCl

Oxidação e Redução

Oxidação e redução são exemplos destes tipos de reações que ocorrem em nosso dia-a-dia.

A oxidação pode ocorrer em três circunstâncias: quando se adiciona oxigênio a substância, quando uma substância perde hidrogênio ou quando a substância perde elétrons. Quando o magnésio queima no ar, o metal se transforma em cinza à medida que vai ganhando oxigênio e se torna oxidado. Essa cinza é o óxido de magnésio.

A redução, por sua vez, é o inverso e ocorre também de três maneiras: quando uma substância perde oxigênio, quando ganha hidrogênio ou quando ganha elétrons. Quando o Óxido de Cobre (negro) é colocado em aparelhagem apropriada (câmara) para redução do Óxido de Cobre, o Gás Hidrogênio entra em contato com o Óxido de Cobre super aquecido e como resultado ele perde oxigênio e vai aos poucos tornando-se rosa, pois, está sendo reduzido a Cobre.

Reação Redox

Sabe-se que oxidação e redução ocorrem juntas na mesma reação química. Esse fenômeno recebe o nome de reação redox (ou de oxirredução). Algumas dessas reações são muito úteis para a indústria. O ferro, por exemplo, é extraido pela combinação do minério de ferro com o monóxido de carbono, num alto-forno. Nessa reação, o minério perde oxigênio para formar o ferro e o CO recebe oxigênio para formar o CO₂. A ferrugem é um dos resultados de uma reação redox, na qual o ferro se oxida e forma o óxido de ferro (ferrugem), e o oxigênio do ar é reduzido.

SOLUÇÕES

São misturas homogêneas. Os componentes são denominados, solutos e solventes:

SOLUTO	SOLVENTE
SÓLIDO	LÍQUIDO
Se ambos os componentes forem líquidos
em menor quantidade	em maior quantidade
Se um componente for a água
o outro componente	água

A massa da solução é a massa do soluto somada à do solvente:

m_sç = m_st + m_sv

soluto = st
solvente = sv
solução = sç

CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES

TÍTULO ( T )

como m_sç> m_st ® T < 1

PORCENTAGEM EM MASSA ( P )

como m_sç> m_st ® P < 100%

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

Reações nucleares

Recebem o nome de reações nucleares aquelas interações que ocorrem entre partículas nucleares e núcleos atômicos sem que varie o número total de prótons e nêutrons. A energia nuclear é aquela que se libera em conseqüência de uma reação nuclear. As mais importantes, do ponto de vista da produção de energia, são a fissão e a fusão nuclear.

Fissão nuclear

Recebe o nome de fissão a reação nuclear entre um nêutron e um núcleo atômico pesado, como o urânio, em que este se divide em dois núcleos menores, chamados produtos de fissão. Simultaneamente são liberados novos nêutrons e grande quantidade de energia na forma de calor, que pode ser transformada em outros tipos de energia, como a elétrica. Os nêutrons liberados na fissão podem atuar sobre outros núcleos, produzindo novas rupturas, originando-se assim um processo conhecido como reação em cadeia. Uma aplicação, não pacífica, de uma reação em cadeia que se produz em um tempo muito curto é a bomba atômica. A grande quantidade de energia liberada teve efeitos devastadores nas cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki, em 1945, onde foram lançadas duas bombas atômicas, uma em cada cidade.

Fusão nuclear

É a reação nuclear que acontece ao se unirem (fundirem) átomos leves. O deutério e o trítio são os elementos utilizados nas experiências de fusão. Obtém-se um átomo de hélio, um nêutron e grande quantidade de energia. Ela não é utilizada em larga escala porque sua tecnologia ainda apresenta problemas de difícil solução.

Centrais nucleares

Em uma central nuclear, como em uma central térmica, a energia térmica de um combustível se transforma em mecânica e esta, em elétrica. O calor produzido vaporiza a água. O vapor passa por uma turbina que aciona um alternador, produzindo energia elétrica.

Nas centrais nucleares, o calor provém da reação em cadeia que ocorre no reator nuclear, que utiliza o urânio como material combustível.

O reator fica no interior de um vaso de contenção. Para controlar as reações nucleares na maioria dos reatores, as barras de combustível ficam rodeadas de materiais moderadores e barras de controle que reduzem a velocidade excessiva dos nêutrons ou absorvem um certo número deles.

A energia nuclear

Os prótons têm a tendência de se repelirem, porque têm a mesma carga (positiva). Como eles estão juntos no núcleo, comprova-se a realização de um trabalho para manter essa estrutura, implicando, em conseqüência, na existência de energia no núcleo dos átomos com mais de uma partícula.

A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a energia nuclear, sendo essa de magnitude extraordinária, sendo usada de formas diversas pelo homem, desde bombas nucleares à aplicação na medicina.

Geração de Energia Nuclear

A geração de energia nuclear é altamente dependente da temperatura do meio, e a seção de choque das reações depende da energia, porque as reações são ressonantes com os níveis de energia do núcleo composto. Desta forma, não se pode escrever uma simples expressão entre a produção de energia nuclear, $\varepsilon$ , com a temperatura e a densidade. Entretanto, em alguns intervalos de energia, e para fins didáticos, pode-se escrever:

$\displaystyle \varepsilon=\varepsilon_0 \rho^n T^m,$

onde

são expoentes determinados pelo tipo de reação dominante. Por exemplo, para estrelas com massa inferior à massa do Sol, o processo principal para a conversão de hidrogênio em hélio é o ciclo p-p. Para estrelas mais massivas do que o Sol, o processo dominante é o ciclo CNO, em que o carbono, nitrogênio e oxigênio fazem o papel de catalistas da conversão. Estas reações ocorrem a temperaturas de alguns milhões de graus, e densidades entre 1 e 100 ${\mathrm g/cm^3}$ . Nestes casos, as taxas de reações nucleares são tais que n=1 e m=4 para o ciclo p-p, e n=1, m=15 para o ciclo CNO. Após a transformação de hidrogênio em hélio, o núcleo se condensa e esquenta, e a temperaturas acima de

K, efetivamente combina três núcleos de hélio em um núcleo de $^{12}C$ , com n=2 e m=40.

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)

Reação Artificial

Em 1919, com uma fonte de partículas a, Rutherford bombardeou o gás nitrogênio obtendo o átomo de flúor, que por ser instável gerou hidrogênio e oxigênio.

14,7N + 4,2a => 18,9F => 1,1H + 17,8O

Tal bombardeamento de núcleos com partículas foi oriundo de pesquisas dos cientistas. O bombardeamento do berílio com partículas a, possibilitou a obtenção de radiações enormemente penetrantes, "os raios de berílio". Chegou-se à conclusão de que tais raios eram nêutrons.

9,4Be + 4,2a => 12,6C + 1,0n (nêutron)

Pelo fato dos nêutrons não terem carga, podem atravessar os materiais com facilidade, na medida em que não são repelidos pelos núcleos.

Para isto, usam-se os aceleradores, como o de Van de Graaff.

As Reações nucleares

As Reações nucleares são aquelas interações que ocorrem entre partículas nucleares e núcleos atômicos sem que varie o número total de prótons e nêutrons. A energia nuclear é aquela que se libera em conseqüência de uma reação nuclear. As mais importantes, do ponto de vista da produção de energia, são a fissão e a fusão nuclear.

Energia nuclear

De um modo geral, a energia pode ser definida como capacidade de realizar trabalho ou como o resultado da realização de um trabalho.

Na prática, a energia é melhor entendida do que definida.

Quando se olha para o Sol, tem-se a sensação de que ele é dotado de muita energia, devido à luz e ao calor que emite constantemente.

O Uso da Energia

A humanidade tem procurado usar a energia que a cerca e a energia do próprio corpo, para obter maior conforto, melhores condições de vida, maior facilidade de trabalho, etc.

Para a fabricação de um carro, de um caminhão, de uma geladeira ou de uma bicicleta, é preciso Ter disponível muita energia elétrica, térmica e mecânica.

A energia elétrica é muito importante para as indústrias, porque torna possível a iluminação dos locais de trabalho, o acionamento de motores, equipamentos e instrumentos de medição.

Para todas as pessoas, entre outras aplicações, serve para iluminar as ruas e as casas, para fazer funcionar os aparelhos de televisão, os eletrodomésticos e os elevadores. Por todos esses motivos, é interessante converter outras formas de energia em energia elétrica.

O Átomo

Por muito tempo, pensou-se que o átomo, seria a menor porção da matéria e teria uma estrutura compacta. Atualmente, sabemos que o átomo é constituído por partículas menores (subatômicas), distribuídas numa forma semelhante à do sistema Solar.

Existe um núcleo, onde fica concentrada a massa do átomo, equivalente ao Sol, e minúsculas partículas que giram em seu redor, denominadas elétrons, correspondentes aos planetas (é claro que os elétrons não em órbitas e sim em orbitais- região que delimita a presença mais intensa do elétron no espaço, logo a comparação não é tão correta, mas vale a idéia). Os elétrons são partículas de carga negativa e massa muito pequena.

O átomo possui grandes vazios, onde ocorre a provável presença dos elétrons.

Estrutura do núcleo

O núcleo do átomo é constituído de partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. Existem ainda outras partículas bem menores do que os prótons ou os nêutrons, elas são chamadas de subpartículas e são os neutrinos, múons, píons, pósitron, bárion, núcleon, hyperon, méson, hádron, lépton, bóson, férmion, quarks, sendo que cada uma dessas têm outras subdivisões.

Prótons e nêutrons são mantidos juntos no núcleo pr forças, até o momento, não são totalmente identificadas, chamando-as de partículas virtual.

A energia nuclear

FONTE: EDMS – Trabalhos Escolares, Educação & Diversão (ANO 2000 - 2003)