0 fisico química

8/7/2019 0 Fisico qumica

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Fsico-qumicaAula Inicial

Aspectos gerais


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Horrio da disciplina

As teras-feiras das 08 s 10 horas e das10 as 12 horas (sala 14).

O horrio de incio das aulas poder sofreralterao, conforme acordo entre as partes(professores e alunos).


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Professores responsveis

Cludio Hartkopf Lopes

Departamento de TecnologiaAgroindustrial e Socioeconomia Rural(DTAiSER)


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Literatura utilizada

Fsico-qumica de Daniels F. & Alberty R.

Editora Ao Livro Tcnico. Rio de Janeiro. Fsico-qumica. Moore WJ. Editora Edgard

Blucher LTDA. So Paulo, 1986.

Fundamentos de fsico-qumica. Castellan G.Editora LTC. 1986 reimpresso em 2003.


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Avaliao acadmica

Sero realizadas trs avaliaes e a nota final

ser a mdia aritmtica das trs. Ser considerado aprovado o aluno que

apresentar uma mdia final igual ou superior aseis. Ser reprovado o aluno que apresentar

uma mdia final inferior a cinco. Quemapresentar uma mdia final entre cinco e seisir para o Sistema de Avaliao Complementar(SAC).

Aluno que por algum motivo tenha perdido umadas avaliaes, poder faz-la, caso o professorconsidere o motivo da ausncia relevante.


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Faltas

Os alunos que apresentarem um nmero de

faltas superior a 20% do total de aulas (7 em30 aulas) ser reprovado por faltas nadisciplina.

Ser considerado presente o aluno que tiversua assinatura na folha de presena da aulaou responder a chamada verbal.


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Plano de ensino - 2007

Introduo; Sistemas fsico-qumicos; Energtica; Entropia e energia livre; Teoria cintica;

Mecnica estatstica; Mudana de estado; Solues; Afinidade qumica;

Velocidade das reaes qumicas.


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Programao 2011

2 Avaliao21 junho1 Avaliao26 abril

Aula 603 maio

Reviso14 junhoAula 519 abril

Apresent. trab.7 junhoAula 412 abril

Aula 1131 maioAula 305 abril

Aula 1024 maioAula 229 maro



PROGR.DATAPROGR.DATA


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Fsico-qumico

Aspectos gerais


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Fsico-qumica

Estudo das leis da qumica e da fsica para poder

prever e controlar os fenmenos qumicos. A fsico-qumica surgiu como cincia no final do

sculo XIX e seu fundamento tanto o uso bastante

intenso de recursos matemticos e estatsticos, bemcomo a experimentao.

Os limites de atuao da fsico-qumica no sorgidos e se superpem aos da fsica e da qumica.


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Fsico-qumica

Uma rea de conhecimento que muito til para a

fsico-qumica a termodinmica (estudo dainterconverso das diversas formas de energia). A termodinmica permite conhecer at onde ir uma

reao qumica at atingir o equilbrio. A cintica, que envolve questes de tempo e de

velocidade das reaes. Um terceiro campo o estudo da estrutura da

matria (atmica e molecular).


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Fsico-qumica

A fsico-qumica estuda as molculas tanto

individualmente como o comportamento deum grande nmero delas utilizando osrecursos da estatstica.

Desta forma a principal caracterstica destacincia o uso intensivo de recursosmatemticos, sendo que seus princpios soenunciados sob a forma de equaes.


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Investigao cientfica

A qumica como todas as cincias se baseiam em

fatos estabelecidos experimentalmente. Aps uma investigao cientfica podemos enunciar

uma lei que permite prever o comportamento de

sistemas ainda no investigados. Uma lei no uma expresso de uma verdade

infalvel mas uma forma condensada de enunciarfatos descobertos experimentalmente.


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Investigao cientfica

As leis naturais podem ser descobertas a partir de

fatos determinados por experincia ou atravs deespeculao, quando passa a ser denominada dehiptese.

A hiptese aps ser submetida ao exameexperimental e ter demonstrado que se aplica a umgrande nmero de fenmenos , passa a serdenominada de teoria.


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Glossrio

Hiptese: Uma provvel teoria, mas ainda no

demonstrada. Uma suposio admissvel. Casoconfirmada passa a ser chamada de teoria, leiou postulado.

Teoria (cientfica): Consiste numa hiptese

que foi testada. uma idia que consegueprever com razovel exatido os fenmenosnaturais.

Axioma: Uma sentena ou proposio no

demonstrada mas considerada como evidentepor si mesmo. Em muitos casos os termosaxioma, hiptese e postulado so utilizadoscomo sinnimos.


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Avano cientfico

A cincia avana atravs de quatro estgios:

1. Observao e medies; 2. Raciocnio indutivo sobre os fatos baseado

em fatos e teorias; 3. Raciocnio dedutivo baseado em

hipteses; 3. Exame experimental para confirmar ou

negar as dedues tericas.


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Avano cientfico

Uma hiptese verificada nem sempre uma

hiptese verdadeira. Muitas hipteses sodescartadas quando novos fatos a tornamobsoletas.

Os pesquisadores esto sempre sendo solicitados acriarem novas hipteses, sendo que para istonecessitam de engenhosidade para criar osexperimentos e imaginao para formular as

hipteses.


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Unidades fundamentais

Na realizao dos clculos fsico-qumicos

necessrio a utilizao de unidades consistentes oua utilizao de fatores de converso convenientes.

Uma srie de unidades primrias ou constantes

foram determinadas experimentalmente e so muitoteis nos clculos.

Na maioria das vezes as medidas so expressasem cm, g e segundo (sistema CGS).


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Exemplos de constantes usuais

cms310-10Velocidade da luz

ergs6,621027Constante de Planck

mol-16,021023Nmero de Avogrado

Coulombsequiv-196500Faraday

JoulesoC-1mol-18,314Constante dos gases

Joules4,184Caloria

oK273,1Zero absolutomol

-1

22,41Volume molar

cms-2980,7Acelerao dagravidade


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Propriedades termodinmicas

Todas as quantidades mensurveis dossistemas so chamadas propriedades do

sistema. No caso dos sistemas termodinmicosestas propriedades recebem o nome depropriedades termodinmicas do sistema. Estadefinio no impe limites para aspropriedades. So exemplos de propriedadesas quantidades de matria (massa e nmero demoles) e de energia, a presso, a temperatura,

o volume, a rea superficial da fronteira, atenso superficial, o ndice de refrao, aviscosidade, etc.


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Propriedades termodinmicas

Algumas propriedades termodinmicas podem ser

monitoradas com instrumentos facilmentedisponveis como a temperatura, por meio determmetros, a presso, usando manmetros, etc.Outras exigem tcnicas de medio maiselaboradas que podem incluir amostragens. Acomposio, por exemplo, exige tcnicas eequipamentos que podem ser sofisticados e

especficos para cada componente.


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MASSA

A massa mede a quantidade de matria existenteno sistema. , portanto, um parmetro importante.No SI a massa medida em quilograma (kg) que uma das unidades bsicas deste sistema.Quanto questo massa versus peso, bastalembrar que massa a quantidade de matria e quepeso a fora devida a atrao gravitacional do

nosso planeta medida na balana, que nada mais que um dinammetro. A massa uma grandezaescalar e o peso uma grandeza vetorial. Oresultado da pesagem depende da intensidade do

campo gravitacional que varia com a altitude. Naausncia da gravidade o peso zero. Por estarazo, a massa preferida em relao ao peso noestudo dos sistemas.


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VOLUME

O volume mede o espao ocupado pelo sistema.No h mistrio em relao ao volume, sendo apropriedade mais facilmente entendida. No SI ovolume medido em metros cbicos (m3) sendo,portanto, baseado no metro que uma das

unidades bsicas do SI. O metro definido como ocomprimento percorrido pela luz no vcuo nointervalo de 1/299792458 segundos. O litro (L) muito usado porque est numa escala mais

apropriada para usos prticos.


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Volume especfico

O volume pode ser dividido pela massa,

neste caso ele se chama volume especifico(m3/kg). O inverso do volume especfico adensidade (kg/m3). O volume tambm pode

ser dividido pelo nmero de moles, nestecaso recebe o nome de volume molar(m3/mol).


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Densidade e massa especfica

Massa especfica ou densidade absoluta (density)= massa / volume

Peso especfico (de uso pouco freqente)= m.g / V

Quando a medida realizada no vcuo recebe o

nome de massa especifica absolutaDensidade ou densidade relativa (specific gravity)

um nmero absoluto sendo a relao entre duasmassas especficas, em geral do produto e da gua

a 4 C ou a 20 C


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ENERGIANo SI a energia medida em Joules (J), mas acaloria (cal) ainda resiste. O Joule definidocomo sendo a energia igual ao trabalho realizadopor uma fora de um Newton (N) quando ela deslocada numa distncia de um metro (m). Acaloria a energia necessria para elevar umgrama de gua em 1C em condies bemespecificadas. Existem vrias calorias em funo

da temperatura onde se inicia a variao detemperatura (4C, 15C (4.1855 J) e 20C (4.182J)). Existe tambm a caloria mdia que umcentsimo da energia necessria para levar a

gua de 0C a 100C (4.190 J). Existe tambm acaloria termoqumica que correspondeexatamente a 4.184 J.


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Potencia

Quantidade de energia gasta por unidade de tempo.

Mede a rapidez com que o trabalho realizado.

Pode ser definida como sendo a variao de energia porunidade de tempo.

No sistema SI de unidades a potencia medida em Watt

(W),que corresponde a 1 joule por segundo.

dt

dEP =


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PRESSO

Presso um parmetro normalmente associado afluidos sendo a fora por unidade de rea exercida, nafronteira, pela vizinhana sobre o sistema e vice-versa.Como a fronteira imaterial e no possui espessura, osistema reage se contrapondo a presso exercida pelavizinhana com uma presso igual e de sentido opostoconforme reza o princpio da ao e reao de Newton.Nos gases, esta fora decorre da variao do impulso(quantidade de movimento) das molculas quando elascolidem elasticamente contra a fronteira do sistema. Noslquido a presso de natureza hidrosttica e decorredo peso da coluna de lquido.


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Presso

No SI a presso medida em Pascal (Pa), que a pressoexercida por uma fora de 1 Newton (N), uniformementedistribuda sobre uma superfcie de um metro quadrado de

rea. Apenas a componente da fora perpendicular superfcie de atuao da fora contribui para a presso. Apresso um parmetro muito apreciado porque pode serfacilmente medida acoplando um manmetro ao sistema.Para dar uma idia, a presso atmosfrica igual a 100

kPa, isto , um hectoPascal (hPa).Ainda persistem muitas unidade de presso que nopertencem ao SI. Uma delas a atmosfera (atm), que apresso ao nvel do mar.Como a presso medida pela altura de lquidos

manomtricos, ainda persiste o milmetro de mercrio(mmHg), cujo valor 1/760 atm. Em homenagem aTorricelli o mmHg conhecido como Torr.


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Massa atmica ou molar

O tomo formado por um ncleo minsculo, comdimetro aproximado de 10-14m no meio de umanuvem eletrnica de 10-10m, sendo que as cargaspositivas e negativas se anulam.

Cada nucldio pode ser descrito por dois nmeros:

nmero de prtons (Z) e a soma do nmero deprtons e neutros (A = Z + N). tomos do mesmo elemento possuem o mesmo

valor de Z. tomos com o mesmo Z e diferentes Aso denominados istopos.


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Massa atmica ou molar

O istopo com A = 12 do carbono foi escolhidocomo unidade de massa atmica que correspondea 1/12 de sua massa.

Em qualquer amostra de elemento, ele compostopor uma mistura de diversos istopos de ocorrncia

natural. O valor de massa atmica que aparece nas tabelas

peridicas a mdia da massa desses istopos.

Amostras de elementos de diferentes fontes podemapresentar diferentes composies isotpicas.


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Lei da conservao da massa

A lei da conservao da massa nas reaes

qumicas foi definida aps muitos ensaiosexperimentais sendo amplamente vlida para ostrabalhos rotineiros.

Para processos que envolvem uma grandeliberao de energia como os nucleares, deve serrealizado uma correo seguindo a equao dainterconverso de massa em energia onde:

U = (m)c2.


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MOL

Medida da quantidade de substncias existentesnum sistema que proporcional ao nmero deentidades elementares existentes no sistema.

As entidades elementares podem ser tomos,molculas ons, etc.

A unidade Si de medida o mol que a quantidadede tomos presentes em 0,012kg de carbono 12.Esse nmero uma constante denominada deAvogadro e seu valor :

NA = 6,022045x1023 mol-1


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Estequiometria

o clculo das quantidades de reagentes e/ou

produtos das reaes qumicas em mols, emmassa, em volume, nmero de tomos emolculas, realizado como conseqncia da leide Proust, executado, em geral, com auxlio das

equaes qumicas correlatas.A palavra estequiometria de origem grega esignifica medida de uma substncia.

Estquio do grego stoikheion (elemento ousubstncia) e metria do grego metron (medida).


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Alguns conceitos matemticos

Funo e derivadaO smbolo f(x) significa que f uma funo de x eque se escolhermos um valor para x (varivelindependente) pertencente a um conjuntodenominado domnio da funo, teremos um valorcorrespondente para f (varivel dependente)

pertencente a um outro conjunto denominadocontradomnio da funo.Exemplo: sabendo que o volume de um gsdepende de sua temperatura podemos escrever,

V = V(T)


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Funo e derivada Sabendo-se que f depende de x, muitas vezes nos interessa

saber o quanto f varia com x. Esta informao da funo

dada pela derivada da funo em relao a x:

Geometricamente, a derivada o coeficiente angular datangente da curva num ponto. Se a derivada for positiva afuno crescente, se for negativa decrescente se for nula

a funo uma constante.

x

fxf

dx

df

x

==

0lim)('


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Derivada de uma funo

A derivada de uma funo f(x) denotada como f(x)

dada por:

)lim()()(lim)('0

existiriteestesex

xfxxfxfx

+=


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A derivada como inclinao da curva num

ponto


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integral

Integral a operao inversa da derivada. E corresponde

ao limite de uma somatria. A integral indefinida est sempre associada a uma

constante de integrao C:

J a integral definida est associada a uma constante.Geometricamente corresponde a rea definidas pelosegmento da curva, o eixo dos x e as retas x = a e x = b.

+= Cxdxx ln1

=+=b

aaGbGdxxcgentoCxGdxxg )()()()()(


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Integral como rea


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funes de mais de uma varivel freqente em fsico-qumica ocorrer funes com

mais de uma varivel independente, p. ex. o volumede um gs uma funo da presso e datemperatura:

V = V(p,T)

O clculo da derivada dessa funo realizadaconsiderando mentalmente uma das variveis comoconstante e derivando da forma tradicional. Assim,podemos dizer que uma funo de duas variveisapresenta duas derivadas.


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derivadas parciais As derivadas das funes de duas ou mais

variveis so denominadas derivadas parciais,

onde o ndice fora dos parnteses a varivelmantida constante durante a derivao:

Se quisermos saber como varia o volume dogs com a temperatura, mantendo a pressoconstante, basta utilizar a expresso:

Tp p

Ve

T

V

dTT

VdV

p

=

Al i i


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diferencial total

Se na funo V = V(p,T), tanto p como T variam,

a variao total ser a soma das derivadasparciais:

Essa a diferencial total da funo de duasvariveis que de forma genrica pode ser

escrita:

dpp

VdT

T

VdV

Tp

+

=

dyy

fdx

x

fyxdf

xy

+

=),(

Al i i


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comum se ter uma srie de dados experimentaise se desejar uma curva (funo) que melhor seajuste aos pontos experimentais.

O mtodo dos mnimos quadrados o melhormtodo para se obter os parmetros da funo.Apesar do mtodo servir para qualquer funo, afuno polinomial a que na prtica melhor seadapta a este mtodo.

y = a + bx + cx2 +


mtodos dos mnimos quadrados

Al i i


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mtodos dos mnimos quadrados Esse mtodo est baseado no princpio de que

a curva de melhor ajuste aquela que a

somatria das diferena entre os valores dapolinomial e os valores experimentais seja omnimo, ou seja:

di = f(x) xexpdi =0 Uma forma melhor para se medir a proximidade

de ajuste elevar di ao quadrado, assim os

valores se tornaro todos positivos e a seguirfazer a somatria. Esta quantidade um bomindicador do ajuste dos dados.


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Diferenas entre ospontos e a curvaintercalada

y

desvio

desvio

desvio

desvio

desvio

x

Al it t ti t d d


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Alguns conceitos matemticos - mtodos dos

mnimos quadrados A somatria dos di2 uma quantidade denominada de varincia

2, definida como:

Quanto menor for2 melhor ter sido o ajuste da curva dada.Como 2 depende dos parmetros a, b, c, etc da polinomial,deve-se escolher a, b, c, etc de forma que 2 seja o menor

possvel. Uma forma de se determinar um mnimo derivando umas

expresso, igualando a zero e resolvendo, pois no ponto demnimo (e de mximo) a derivada pela sua definio geomtrica nula.

di2 = [f(x) xexp]2

=

N

diN 1

22 1

[ ] =N

xxfN 1

2

exp

2 )(1

Alg ns conceitos matemticos


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mtodos dos mnimos quadrados Se derivarmos parcialmente 2 em relao a

a, b, c, etc, igualarmos essas derivadas azero e resolvermos as equaes obteremosos valores de a, b, c, etc que 2 o sermnimo.

Caso se utilize uma polinomial de 1o grau(ax + b y) a regresso recebe o nome particular de

regresso linear ou regresso dos mnimos

quadrados.

Sistema internacional de unidades


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Sistema internacional de unidades

As sete unidades bsicas dimensionalmente independentes

cdcandelaIvIntensidade luminosa

molMolnQuantidade desubstncia

KKelvinTTemperaturatermodinmica

AAmereICorrente eltrica

sSegundotTempo

kgquilogramamMassamMetrolComprimento

Smbolo

SI

Denominao

SI

Smbolo daquantidade

Quantidade fsica


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As definies das unidades bsicas so

encontradas na literatura. Todas as outras quantidades fsicas so

consideradas como secundrias.

Em muitos tpicos apresentados nadisciplina ser utilizado o sistema cgs(centmetro, grama e segundo).

Unidades sec ndrias


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Unidades secundrias

rea = metro quadrado Volume = metro cbico Densidade = kg por metro cbico Algumas unidades secundrias possuem nomes

especiais:

Fora = newton (kgms-2

)Presso = pascal (Nm-2)Potncia = watt (Js-1)Carga eltrica = coulomb (As)


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Regras gramaticais


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Regras gramaticais

As unidades secundrias resultante de umproduto pode ser escrita de diversas formas:N m; Nxm; Nm.

Um cociente pode ser escrito: kJ/mol; kJmol-1. O uso do trao inclinado deve ser utilizadosem que cause ambiguidade:

(m/s)/(V/m) e no m/s/V/m

kcal/(h m2 o

C) e no Kcal/h/m2

/o

C


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Anlise dimensional


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Anlise dimensional

Consiste num poderoso instrumento a disposio dopesquisador para prever frmulas de fenmenos

mecnicos. Na mecnica, adotam-se a massa (M), o

comprimento (L) e o tempo (T) como grandezas

fundamentais. Pode-se expressar qualquer grandeza fsica G, de

natureza mecnica, em funo de M, L e T,obtendo-se, assim, a equao dimensional da

grandeza G.

Anlise dimensional


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Anlise dimensional

Desse modo, a equao dimensional de G, que

indicada pela notao [G], ser dada por:

Os expoentes , e , so chamadosdimenses fsicas da grandeza [G] em relaos grandezas fundamentais M, L e T.

Assim, pode-se escrever todas as grandezas da

mecnica em funo de L, M e T variando osvalores de , e .

[ ] TLMG =

Anlise dimensional


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Anlise dimensional

ExemplosVelocidade (v)

v = l/ t

[v] = MLTComo = 0, = 1, = -1, temos:

[v] = M0L1T-1

Acelerao (a)a = v/ t

[a] = M

0

L

1

T

-2

Exemplos


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Exemplos

Se A uma grandeza de comprimento, a dimenso de A dada por: [A] = L

Se c uma grandeza de velocidade, c = comprimento /tempo e, portanto: [c] = L/T = L T1

Se a acelerao, a = velocidade / tempo tem-se: [a] = L T1/T = L T2

Se F fora, F = massa acelerao: [F] = L M T2

Se S rea, S = comprimento comprimento e [S] = L2

Se p presso, p = fora / rea e [p] = L M T2/L2 = L1 MT2


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FIM

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