Curso MED Exatas - Volume I

Page 1

VOLUME 1 • 2014



A EVOLUCIONAL

O MATERIAL

+

A Evolucional é uma startup que alia o desenvolvimento de soluções tecnológicas e educação. Resumos Teóricos para cada assunto

DINÂMICA DO CURSO

Estratégias de Resolução de Exercícios

Explicação de Conceitos

PLATAFORMA ONLINE

Teoria Completa de todos os assuntos das matérias

+

+

Mais de 1500 Exercícios de Vestibulares

+

Metodologias para Justificativas Dissertativas

Cerca de 1000 Vídeos-resumo Teóricos

O estudante pode sanar eventuais dificuldades que surjam fora do período de aula nos Plantões de Dúvidas.

+ Cerca de 600 Resoluções de Exercícios em Vídeos

A experiência em sala de aula pode ser complementada através do uso da Plataforma Online.

Acesse:

www.evolucional.com.br

Créditos Idealização

Edição

Design

Desenvolvimento

Frederico Vilela

Eduardo Quintanilha

Gabriela Saldanha

Carlos Gonçalves

Av Júlio de Mesquita, Gustavo Frayha

840, Cambuí, Campinas - SP, 13015-140. Rodrigo Nascimento Giselle Coutinho 19 3211-3836 www.evolucional.com.br contato@evolucional.com.br Rômulo Castanho Conteúdo

Revisão

Audiovisual

Bruna Silveira Fernanda Oliveira

Cecília Novais

Adann Simões Vinícius Leone

Thiago Valle

Cristiano Oliveira Everton Pessoa Guilherme Ceolin Rodnei RIbeiro Patrícia Bastos



SUMÁRIO MAT

MATEMÁTICA BÁSICA

MAT

2 • Equações do 1º e do 2º grau, sistemas lineares e fatoração__________________________ 11

3 • Grandezas proporcionais e porcentagem____________________________________________ 15

4 • Fundamentos de geometria plana____________________________________________________ 19

5 • Teorema de Pitágoras e fundamentos de trigonometria____________________________ 23

6 • Vetores________________________________________________________________________________ 27

MATEMÁTICA

FÍS

estudar revisar

1 • Frações, potências e raízes_____________________________________________________________ 7

estudar revisar

1 • Conjuntos______________________________________________________________________________ 33

2 • Introdução à funções_________________________________________________________________ 37

3 • Classificação de funções e função do 1º grau________________________________________ 41

4 • Função do 2º grau____________________________________________________________________ 45

5 • Inequações____________________________________________________________________________ 49

6 • Função exponencial e função inversa________________________________________________ 53

7 • Logaritmo_____________________________________________________________________________ 57

8 • Funções composta e modular________________________________________________________ 61

9 • Tratamento da informação e da estatística___________________________________________ 65

10 • Sequências___________________________________________________________________________ 69

11 • Matrizes_______________________________________________________________________________ 73

12 • Determinantes_______________________________________________________________________ 77

13 • Sistemas lineares_____________________________________________________________________ 81

14 • Análise combinatória: PFC e permutações__________________________________________ 85

15 • Análise combinatória: arranjos e combinações_____________________________________ 89

FÍSICA

estudar revisar

1 • Cinemática escalar: MU e MUV_______________________________________________________ 95

2 • Cinemática escalar: Torricelli e aplicações de MUV__________________________________ 99

3 • Cinemática vetorial: conceitos iniciais e movimento circular_______________________ 103

4 • Cinemática vetorial: lançamentos___________________________________________________ 107

5 • Dinâmica: conceitos iniciais___________________________________________________________ 111

6 • Dinâmica: aplicações práticas________________________________________________________ 115


QUI

7 • Trabalho e energia: conceitos iniciais________________________________________________ 119

8 • Trabalho e energia: conservação e aplicações práticas_____________________________ 123

9 • Dinâmica impulsiva__________________________________________________________________ 127

10 • Gravitação___________________________________________________________________________ 131

11 • Estática_______________________________________________________________________________ 135

12 • Hidrostática_________________________________________________________________________ 139

13 • Termofísica: conceitos iniciais e dilatação__________________________________________ 143

14 • Termofísica: trocas de calor_________________________________________________________ 147

15 • Termofísica: transformações gasosas_______________________________________________ 151

QUÍMICA

estudar

revisar

1 • Estrutura da matéria__________________________________________________________________ 157

2 • Estrutura atômica____________________________________________________________________ 161

3 • Tabela periódica e massa atômica___________________________________________________ 165

4 • Ligações químicas____________________________________________________________________ 169

5 • Polaridade e forças intermoleculares________________________________________________ 173

6 • Funções inorgânicas_________________________________________________________________ 177

7 • Reações inorgânicas_________________________________________________________________ 181

8 • Cálculos químicos____________________________________________________________________ 185

9 • Estequiometria_______________________________________________________________________ 189

10 • Transformações gasosas____________________________________________________________ 193

11 • Misturas gasosas____________________________________________________________________ 197

12 • Soluções_____________________________________________________________________________ 201

13 • Propriedades coligativas____________________________________________________________205

14 • Termoquímica_______________________________________________________________________209

15 • Cinética química____________________________________________________________________ 213

GABARITO GABARITO • MATEMÁTICA BÁSICA________________________________________________________________________ 219 GABARITO • MATEMÁTICA_________________________________________________________________________________ 219 GABARITO • FÍSICA_________________________________________________________________________________________220 GABARITO • QUÍMICA______________________________________________________________________________________222


BÁSICA

MATEMÁTICA



MAT

FRAÇÕES, POTÊNCIAS E RAÍZES

1

OPERAÇÕES COM FRAÇÃO

A C A ⋅D + B ⋅ C + ⇒ B D B ⋅D

A C A ⋅C ⋅ ⇒ B D B ⋅D

A C A ⋅D − B ⋅ C − ⇒ B D B ⋅D

A B ⇒ A ⋅D C B C D

A C : B D

HERANÇA

+

3 1 3 ⋅ 2 + 1⋅ 4 5 + = = 4 2 4 ⋅2 4

CADA FILHO

1 3 C : 2 1 B D

3 1 3 ⋅ 6 − 1⋅ 4 7 − = = 4 6 4 ⋅6 12

1 3 3 ⋅ = 2 4 8

1 1 1 ⋅ = 2 3 6

MÃE FILHOS

FATORAÇÃO, MMC E MDC Máximo Divisor Comum (MDC)

Mínimo Múltiplo Comum (MMC) 15,24,60 15,12,30 15,6,15 15,3,15 5,1,5 1,1,1

15 = 3 ⋅ 5 24 = 23 ⋅ 3

ou

60 = 22 ⋅ 3 ⋅ 5 MMC(15,24,60) = 23 ⋅ 3 ⋅ 5

2

36 = 22 ⋅ 32

2 2 3 5

90 = 2 ⋅ 32 ⋅ 5 MDC(36,90) = 2 ⋅ 32 = 18

23 ⋅ 3 ⋅ 5 Multiplica-se os fatores comuns a todos os números e, para fatores de mesma base, opta-se pelo de menor expoente.

Multiplica-se os fatores de todos os números e, para fatores de mesma base, opta-se pelo de maior expoente.

POTÊNCIAS

RADICIAÇÃO

expoente

An = A ⋅ A ⋅ A ⋅ ... ⋅ A

onde

base

A∈

n∈ 

e

É a operação inversa da potenciação

n

A = B ⇔ Bn = A, b ≥ 0

n vezes

n n

A1 = A

A0 = 1 A≠0

An ⋅ Am = An+m m

( A )n  = An⋅m  

An = An−m Am A≠0 n

A An   = n B B B ≠0

1 A −n =    A A ≠ 0

( A ⋅ B)

n

b c

= An ⋅ Bn

c

A = A

b

n m

n

A ⋅ n B = n A ⋅B

n

( A)

m

n

A = n⋅m A

= n Am

A B

=

n⋅p

n

A B

Am⋅p = n Am

Racionalização: operação realizada para que, em uma fração, a raiz não fique no denominador.

A B

=

A B

B B

=

A B B

7



MAT

EQUAÇÕES DE 1º E DE 2º GRAU, SISTEMAS LINEARES E FATORAÇÃO

2

EQUAÇÕES DO 1º E 2º GRAU 1º grau

2º grau Deve-se isolar o x

ax 2 + bx + c = 0

2x + 4 = 0 2x = −4 x = −2

ax + b = 0

Utiliza-se a fórmula de Bháskara ∆ = b − 4ac 2

Equação irracional

Se ∆ < 0; x ∉ 

EXEMPLOS

x +1= 0 x +1+1= 0

Quando c = 0

x = −b ± ∆

x +1 = 0 3

2a

x =0 2

Isolar a raiz; Elevar os dois lados da equação ao índice da raiz; Descobrir os valores possíveis para x; Substituir o valor encontrado na equação original e verificar a igualdade.

x1 =

−b + ∆ 2a

x2 =

−b − ∆ 2a

ax + bx = 0 2

x(ax + b) = 0 x1 = 0

x2 =

EXEMPLO

2x 2 + 3x − 2 = 0 ∆ = 32 − 4 ⋅ 2 ⋅ ( −2)

−b a

x(2x − 4) = 0

x1 = 0

2x − 4 = 0

x2 = 2

Quando b = 0

∆ = 25; ∆ > 0

ax 2 + c = 0

x = −3 ± 25

ax 2 = −c

4 −3 + 5 1 x1 = = 4 2 −3 − 5 x2 = = −2 4

EXEMPLO

2x 2 − 4x = 0

c x=± − a Se −

c < 0, x ∉  a

EXEMPLO

2x 2 − 8 = 0 2x 2 = 8 x2 = 4 x = ±2 x1 = 2

x 2 = −2

SISTEMAS LINEARES Método da adição

Método da substituição

2x + 3y = 8 2x + 3y = 8 ⇒  x − y = −1 −2x + 2y = 2 5y = 10 ⇒ y = 2

+

2x + 3y = 8  x − y = −1

Substituindo 2x + 3 ⋅ 2 = 8 ⇒ x = 1

S = {(1,2)}

Em uma equação, isolar variável x

x = −1 + y

Substituir x na outra equação, para obter o valor de y 2( −1 + y) + 3 y = 8 ⇒ 5 y = 10 ⇒ y = 2

Conhecendo o valor de y, obter o valor de x

x = −1 + 2 ⇒ x = 1

S={1, 2}

FATORAÇÃO Fator comum

ax + ay = a(x + y)

Agrupamento ax + ay + bx + by = a(x + y) + b(x + y) = (x + y)(a+ b)

Produto da soma pela diferença

(x + y)(x − y) = x 2 − y 2

Quadrado da soma

Quadrado da diferença

Soma de cubos

(x + y)2 = x 2 + 2xy + y 2

(x − y)2 = x 2 − 2xy + y 2

x3 + y 3 = (x + y)(x 2 − xy + y 2 )

Cubo da soma

Cubo da diferença

Diferença de cubos

(x + y)3 = x3 + 3x 2 y + 3xy 2 + y 3

(x − y)3 = x3 − 3x 2 y + 3xy 2 − y 3

x3 − y 3 = (x − y)(x 2 + xy + y 2 )

8



MAT

GRANDEZAS PROPORCIONAIS E PORCENTAGEM

3

RAZÃO representada por numerador

A:B

ou

A B→

=

1 2

denominador

A B

inversa

B A

A · B=1 B A

multiplicada por inversa é igual a 1

B 0

·

não existe inversa quando o numerador é zero

1

=

PROPORÇÃO números com a mesma RAZÃO QUANDO UMA GRANDEZA AUMENTA EM N VEZES

a outra grandeza aumenta em N vezes

diretamente proporcional

C =E =K D F

~

a outra grandeza é igual a seu valor dividido por N

usada na regra de 3 simples G I = H ?

inversamente proporcional

C ·D = E · F = K

OU SEJA:

G

H

I

?

CINEMA

K

CONSTANTE

K

G·?=H·I ?= H·I G

3

R$

ingressos

CONSTANTE

2

67,50

?

ingressos

3 · ? = 67,50 · 2 ? = 67,50 · 2 = 45 3

2 ingressos custam R$ 45

PORCENTAGEM % significa dividido por 100

V% = V 100

{ R$ 1 R$ 5

1 5

=

V 100

OU SEJA:

1

V

5

100

EQUIVALÊNCIAS 1 5

=

20 100

= 0,2 = 20%

cálculo de aumento

cálculo de desconto

100% + 20%

100% - 20%

100 + 20 = 120 100 100 100

100 - 20 = 80 100 100 100

120% = 1,20

80% = 0,80

fator de multiplicação

fator de multiplicação

1 + taxa de aumento

1 - taxa de desconto

V = 20

AUMENTO DE 20% = 0,20 fator de multiplicação = 1 + 0,20 = 1,20 valor inicial

·

DESCONTO DE 20% = 0,20 fator de multiplicação = 1 - 0,20 = 0,80

R$ 5 · 1,20 = R$ 6 fator de multiplicação

=

valor final

valor inicial

·

R$ 5 · 0,80 = R$ 4 fator de multiplicação

=

valor final

9



MAT

FUNDAMENTOS DA GEOMETRIA PLANA

4 ÂNGULOS A

O - vértice AO e BO - lados AÔB - ângulo

O

B

Agudos

Adjacentes

Opostos pelo vértice

São consecutivos e não possuem pontos internos em comum.

Retos

α

α = 90°=

π rad 2

Congruentes

α

π rad 2

Complemento

Têm a mesma medida. 30°

β α

α

O β

D

Retas paralelas cortadas por uma transversal

A

B e

Obtusos

α < 90° α<

C

α>

π rad 2

g d

f c

h

Suplemento

90° - x

30°

α > 90° α

a

b

180° - x

x

a≡b≡c≡d e≡f ≡g≡h

x

SOMA DOS ÂNGULOS INTERNOS A soma dos ângulos internos do triângulo é igual a 180°.

β α

γ

Retângulo α α

Acutângulo

A

Ângulo-Lado-Ângulo (ALA)

A

Escaleno

Obtusângulo Tem um ângulo obtuso.

β γ

A

G

B C

F

G

E

B F

C

G

A

C

F

G

SEMELHANÇA DE TRIÂNGULOS • Ângulos congruentes

γ

• Lados proporcionais

TEOREMA DE TALES

C

Lado-Ângulo-Ângulo Oposto (LAAO)

E

B

E

B

F

C

Tem três ângulos agudos.

α

E

B

β

β

A

π

Lado-Lado-Lado (LLL)

Lado-Ângulo-Lado (LAL)

α

Isósceles

α

S = (nlados − 2) ⋅

CONGRUÊNCIA DE TRIÂNGULOS

Equilátero

α

S = (nlados − 2) ⋅ 180°

α + β + γ = 180º = π rad

TRIÂNGULOS

α

135°

Soma dos ângulos internos de um polígono varia de acordo com o número de lados.

45°

α

β β

α

γ

A

A' B' C'

AB A'B' AB BC = ou = BC B'C' A'B' B'C'

∆ABC ~ ∆ DEC

D

B

E

C

AB AC BC = = DE DC EC

10



MAT

TEOREMA DE PITÁGORAS E FUNDAMENTOS DA TRIGONOMETRIA

5

π(pi) A letra grega π (lê-se “pi) simboliza um número irracional que pode ser encontrado nas relações métricas de diversas estruturas na Natureza.

π ≈ 3,14

Radianos e graus

Teorema de Pitágoras

As duas unidades de medida mais usuais para ângulos são:

A soma do quadrado dos catetos é igual ao quadrado da hipotenusa: a2 + b2 = c2

Graus 1 volta = 360°

Radianos 1 volta = 2π rad

52 = 42 + x 2

5m

4m

x2 = 9

x

x=3

TRIGONOMETRIA E RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS

a

β

cat opo

senθ =

hipotenusa (c) lado oposto ao ângulo reto

c

hip

cos θ =

cateto (a) lado oposto ao ângulo α e adjacente ao β

α b

tgθ =

cat adj hip

catopo

cateto (b) lado oposto ao ângulo β e adjacente ao α

a c

sen β =

b c

cos α =

b c

cosβ =

a c

tgα =

catadj

sec θ =

π α+β=90°= rad 2

senα =

a 1 = b tgβ

1 hip = senθ cat opo

cotgθ =

cossec θ =

catadj 1 = tgθ cat opo

ÂNGULOS NOTÁVEIS E SENO, COSSENO E TANGENTE

tgβ =

b 1 = a tgα

1 hip = cos θ cat adj

(senα )2 + (cos α )2 = 1

30°ou π rad 45°ou π rad 60°ou π rad 4 6 3 sen

1 2

2 2

3 2

cos

3 2

2 2

1 2

tg

3 3

1

3

RELAÇÕES TRIGONOMÉTRICAS EM UM TRIÂNGULO QUALQUER EXEMPLO DE USO DA LEI DOS COSSENOS

EXEMPLO DE USO DA LEI DOS SENOS

a

γ α

c Lei dos senos a b c = = senα sen β sen γ

Lei dos cossenos a2 = b2 + c2 − 2 ⋅ b ⋅ c ⋅ cos α

45º

60º 75º

10m

10m

TERRA

β E PONT

b

120º

x

x RIO

2km 2 x = ⇒ x = 6 km sen 45º sen60º

x 2 = 102 + 102 − 2 ⋅ 10 ⋅ 10 ⋅ cos120°  1 x 2 = 200 − 200 ⋅  −   2 x 2 = 200 + 100 x = 300 2

x = 22 ⋅ 52 ⋅ 3 x = 10 3 x  17,5

11



MAT

6

VETORES

DEFINIÇÃO E NOTAÇÃO

Módulo do vetor a ou a

Instrumento que representa uma grandeza vetorial. Além do valor e a respectiva unidade são necessárias informar a direção e o sentido.

O tamanho da flecha.

extremidade

Direção do vetor Inclinação da flecha.

origem

Sentido do vetor

Uma flecha representa uma grandeza vetorial.

O sentido da flecha, indicado pela posição da seta.

DECOMPOSIÇÃO VETORIAL  Um vetor a , pode ser decomposto em dois outros vetores.   Um vetor na horizontal ax , no eixo x, e outro na vertical ay , no eixo y.  a

 ay θ

Com

   a = ax + ay

  ax = a ⋅ cos θ

  ay = a ⋅ sen θ

 ax

REPRESENTAÇÃO DE UM VETOR RESULTANTE Regra do Polígono

Regra do Paralelogramo

Une-se a origem de de um vetor com a extremidade de um outro.  a

Conecta-se as origens dos vetores e traça-se vetores paralelos de mesmo módulo e direção

 R

 b

O vetor resultante será o vetor traçado para completar um polígono formado por ele e pelos demais vetores.

   R = a+b Determinação do módulo:

R 2 = a2 + b2

 R

 b

Sistema de coordenadas Em muitos casos, a determinação da resultante é facilitada pela decomposição em um sistema de coordenadas.  a

 a

O vetor resultante é dado pelo vetor que liga a origem até a extremidade.

   R = a+b

Determinação do módulo:

R 2 = a2 + b2 + 2 ⋅ a ⋅ b ⋅ cos θ

 b

 ay  bx

 ax

 by

12



MATEMÁTICA



MAT

1

CONJUNTOS

CONJUNTOS NUMÉRICOS Naturais:

 = {0,1, 2,3, 4,...} * = {1, 2,3, 4,...}

Inteiros:  = {..., −3, −2, −1, 0,1, 2,3,...}  + = {0,1, 2,3,...}  − = {..., −3, −2, −1, 0}  *+ = {1, 2,3,...}

Racionais (  ):

Inteiros, decimais finitos e dízimas periódicas.

Irracionais (

Números decimais infinitos não periódicos.

Reais (  ):

):

 *− = {..., −3, −2, −1}

Exemplo: Público de um evento H

n

União

B

A

O elemento n não pertence ao conjunto A

A ⊃B

A contém B

B⊂A

B está contido em A

A = ∅ ; A = { } A é um conjunto vazio

A ∪B ∪ C

{x : x ∈ A e x ∈ B} A

B

A ∩B A ∪B ∪ C

Complementar U ou A A

ou

A

Diferença A − B

ou

A\B

{x : x ∈ A e x ∉ B} A

A

INTERVALOS

C

U

Universo é o conjunto de todos os elementos trabalhados em determinado assunto.

A U

ou

B

A Cou A

A −B

ou

A\B

CARDINALIDADE E OPERAÇÕES

S = {x ∈ A / a < x ≤ b} Solução é igual a: x pertence ao conjunto A, tal que x é maior que a e menor ou igual a b.

Limitado b

a,b  ou {x ∈  / a ≤ x ≤ b}

x

Intersecção A ∩ B

C

Um conjunto que contém todos os subconjuntos de outro conjunto é chamado de conjunto das partes

C ⊄ A C não está contido em A

a

H conjunto de todos os homens

B

O elemento p pertence ao conjunto A

A ⊆ B A não está contido em B

Aberto

M conjunto de todas as mulheres

{x : x ∈ A ou x ∈ B ou x ∈ C}

C

p∈A n∉ A

x

M T

OPERAÇÃO ENTRE CONJUNTOS A

p

a

P conjunto de todas as pessoas

T conjunto de todas as mulheres com menos de 30 anos

CONCEITOS BÁSICOS

Fechado

P

União dos reais e dos imaginários ( i2=-1).

A

União dos racionais e irracionais.

Complexos (  ):

b

 a,b  ou ( a,b ) ou {x ∈  / a < x < b}

Fechado à esquerda ou à direita

Ilimitado x b  −∞ ,b  ou ( −∞ ,b  ou {x ∈  / x ≤ b} x b  −∞ ,b  ou ( −∞ ,b ) ou {x ∈  / x < b} a x a, +∞  ou ( a, +∞  ou {x ∈  / x ≥ a}

a x b a,b  ou a,b ) ou {x ∈  / a ≤ x < b}

a x  a, +∞  ou ( a, +∞ ) ou {x ∈  / x > a}

a x b  a,b  ou ( a,b  ou {x ∈  / a < x ≤ b}

0  −∞ , +∞  ou ( −∞ , +∞ ) ou 

Cardinalidade de um conjunto é o número de elementos que este contém. Denotado por | | ou n(A). União de conjuntos

| A∪ B |=| A | + | B | − | A ∩ B | Exemplo: Foram entrevistadas 35 pessoas sobre os meios de transporte que utilizavam. Todas usam carro ou ônibus ou ambos. Sabe-se que 26 usam carro e 14 ônibus. Quantos usam ambos? C=conjunto de pessoas que usam carro O=conjunto de pessoas que usam ônibus

| C ∪ O |= 35 C = 26 O = 14

| C ∪ O |=| C | + | O | − | C ∩ O | 35 = 26 + 14− | C ∩ O | | C ∩ O |= 5 usam ambos

15



MAT

INTRODUÇÃO ÀS FUNÇÕES

2

PRODUTO CARTESIANO E RELAÇÃO BINÁRIA Sistema de Coordenadas no plano cartesiano

y

Esquema reticulado necessário para especificar pontos num determinado "espaço" com dimensões

A = ( −5, 3)

Par ordenado

B = ( 6, 5)

5 3 D = ( 0, 0 )

Conjunto de dois elementos que indica a posição de um ponto no plano cartesiano, • primeiro número: posição no eixo x (abscissa) • segundo número: posição no eixo y (ordenada)

4,5 6

-5 3,5

C = ( 4,5; − 3,5)

Exemplo:

A = ( −5, 3)

B = ( 6, 5)

C = ( 4,5; − 3,5)

x

D = ( 0, 0 )

DEFINIÇÃO DE FUNÇÃO • Domínio (A): “conjunto de partida” • Contradomínio (B): “conjunto de chegada” • Imagem: elementos do contradomínio que estão associados ao domínio

A

B

t u

x y

f : A →B

Contradomínio

Unidades vendidas 1 unidade 2 unidades 3 unidades

Domínio NOTA: Todo elemento do Domínio só pode ter um único elemento no Contradomínio correspondente a ele.

X→

x → f(x) = y

Exemplo: A comissão y de um vendedor é paga em função da quantidade de produtos vendidos.

v

z

De forma prática, consiste em uma regra que transforma valores

Comissão R$ 100 R$ 210 R$ 350

A

REGRA (relação)

→ y = f(x)

f

1 2 3

B 100 210 350 400

GRÁFICO E RAIZ DE UMA FUNÇÃO

+

y 2

f(0)=2 f(1)=0 raíz 1

-2

2

f(2)=-2

A raiz de uma função é onde ela intercepta o eixo x.

x A função será positiva se f(x) estiver acima do eixo x e negativa se estiver abaixo.

16



MAT

CLASSIFICAÇÃO DE FUNÇÕES E FUNÇÕES DO 1º GRAU

3

FUNÇÕES MONÓTONAS Análise da monotonicidade

Outros tipos de comportamento Estritamente decrescente

Estritamente crescente x1 < x 2 ⇒ f ( x1 ) < f ( x 2 )

y

x1 < x 2

x1 < x 2

⇒ f ( x1 ) ≤ f ( x 2 )

⇒ f ( x1 ) > f ( x 2 )

y

x

f(x2)

Constante

y

f(x1) x1

f ( x1 ) = f ( x 2 )

x

x2

As funções seno têm período 2π

y

p= 2π

Decrescente

x1 < x 2

⇒ f ( x1 ) ≥ f ( x 2 )

x

x

f(x)

Função par

3π + 2π 2

-1

π +2 π

0

O gráfico é simétrico em relação ao eixo y.

π

f(x1)=f(x1+p) x1+p x2+p

+ 2π

1

0 + 2π

0

3π 2

-1

π

0

π

1

2

f(x2)=f(x2+p)

p

y

FUNÇÕES PAR E ÍMPAR

f(x) = f(x + p) = f(x + 2p) = ... = f(x + kp), k ∈ 

x 1 x2

x

x

FUNÇÕES PERIÓDICAS

EXEMPLO

Crescente

y

x

2

p

f( − x) = f(x), ∀ x

y f(x1) - x1

x1

y

Função ímpar O gráfico é simétrico em relação à origem.

x

- x1

f(x1)

f( − x) = − f(x), ∀ x

x

x1 -f(x1)

0

0

FUNÇÃO DO 1º GRAU f:→

dada por f(x) = ax + b , a ≠ 0 .

O valor de b é onde a reta corta o eixo y

A raiz da função é onde a reta corta o eixo x. Determinar a raiz equivale a descobrir o valor de x quando ax + b = 0 b Isso ocorre quando x = − a

O gráfico de uma função do 1° grau é sempre uma reta.

Sinais da função do 1º grau a<0: função decrescente

a>0: função crescente

− + raíz

f(x)<0

+ − raíz

x f(x)>0

f(x)>0

x

f(x)<0

17



MAT

FUNÇÃO DO 2º GRAU

4

FUNÇÃO DO 2º GRAU: CONCEITOS INICIAIS

f:→

f(x) = −3 x 2 + 5x + 2

f(x) = 2 x 2 + 3x

f(x) = 5 x 2 + 25

É dada por

a = −3

a=2

a=5

b=5

b=3

b=0

c=2

c=0

c = 25

f(x) = ax + bx + c a ∈  *, b ∈  e c ∈  2

GRÁFICO DA FUNÇÃO DO 2º GRAU

VÉRTICE DA PARÁBOLA

a<0

a>0

concavidade para baixo

concavidade para cima

∆>0

x1

duas raízes reais

x1

∆=0

∆ 4a

, ∆ = b2 − 4ac

Valor máximo

y

a>0

x −

x

LEMBRANDO

b 2a

a<0

∆ − 4a

x

∆<0

x

x

b 2a

∆ 4a

As coordenadas do vértice da função y = x 2 − 2x − 3 são:

• Discriminante ( ∆ ) é calculado em função dos coeficientes da função: ∆ = b2 − 4ac • As raízes de uma função do 2º Grau (pontos de interceptação da função no eixo x, ou seja, f(x)=0) são calculadas a partir de:

f(x) = a x 2 + bx + c = 0 ⇔ x =

yv = −

Valor mínimo

x

x

não possui raízes reais

b 2a

y

x1 =x2

x1 =x2

uma raiz dupla real

x2

x2 x

xv = −

xv = −

( −2) = −1 b =− 2a 2 ⋅ (1)

 −2 2 − 4 ⋅ 1 ⋅ −3  ( ) ( ) ∆ ( ) yv = − =− =3 4a 4 ⋅ (1)

−b ± b − 4 ⋅ a ⋅ c 2⋅a 2

Ou seja: V(-1,3).

SOMA E PRODUTO DAS RAÍZES As raízes x1 e x2 serão tais que a soma (S) e o produto (P) delas são:

S= −

b a

P=

c a

Por exemplo:

 −9 = −9 S = 1 x + 9x + 14 = 0 ⇒  P = 14 = 14  1 2

18



MAT

INEQUAÇÕES

5 DESIGUALDADES Comparação entre os valores numéricos de grandezas.

>20 Duas dúzias de ovos (24) >20

Indicadores de desigualdades

Operações com desigualdades

• A maior do que B: A > B • A maior ou igual a B: A ≥ B • A menor do que B: A < B • A menor ou igual a B: A ≤ B • A diferente de B: A ≠ B

Somar (ou subtrair) mesma quantidade nos dois lados da desigualdade 2 > 1 ⇔ 2 + 1 > 1+ 1 ⇔ 3 > 2

Multiplicar (ou dividir) por um mesmo número positivo os dois lados da desigualdade 2 > 1 ⇔ 2 ⋅ 2 > 1⋅ 2 ⇔ 4 > 2 Multiplicar (ou dividir) por um mesmo número negativo os dois lados da desigualdade

INEQUAÇÃO Relação envolvendo incógnitas expressas por uma desigualdade.

INEQUAÇÃO DO 1º GRAU

2 > 1 ⇔ 2 ⋅ ( −2 ) > 1⋅ ( −2 ) ⇔ −4 < −2

Atenção: o sinal da desigualdade é invertido

INEQUAÇÃO DO 2º GRAU Pode ser representada da forma ax2 + bx + c ≥ 0 (ou outros símbolos de comparação). Com a,b,c ∈  e a ≠ 0 Determinamos a solução a partir das raízes e do comportamento da parábola (função).

Pode ser representada da forma ax + b ≥ 0 (ou outros símbolos de comparação). Com a,b ∈  e a ≠ 0 Determinamos a solução isolando o x.

−2x2 − x + 1 ≥ 0 1± 9 1 ⇒x= ⇒ x1 = −1 e x2 = 2 −4

Representação na reta

1 _

4x − 58 > 2x + 2 ⇒ 2x > 60 ⇒ x > 30

+

1 2

x2 − 6x + 9 > 0 ⇒x=

 S = x ∈  / −1 ≤ x ≤ 

_

1  2

1 2 −2x − x + 1 = 0 , tornando as raízes parte da solução também (intervalo fechado). Note que para x1 = −1 e x2 =

S = {x ∈  | x > 30}

+

S = {x ∈  / x < 3e x > 3}

+ 3

Note que para x = 3 x2 − 6x + 9 = 0 , o que impede que a raiz faça parte da solução (intervalo aberto)

2

30

6± 0 ⇒x=3 2

INEQUAÇÃO PRODUTO E INEQUAÇÃO QUOCIENTE Número par de funções negativas

Obter raízes e representá-las na reta real. Determinar sinal de cada função

+

Avaliar sinal do produto ou do quociente das funções em cada intervalo

_

Determinar intervalo que atende o enunciado original

+

· · ·

+

=

+

+

_

=

+

_

_

:

_

=

+

(x + 5) (x2 + x + 1) (x − 5) < 0

x2 − 6x + 5 = 0 ⇒ x1 = 1 e x 2 = 1

(x + 5) (x2 + x + 1) (x − 5) = 0

+

+

x

5

1

x −3 = 0 ⇒ x = 3

+ 3

_

· : ·

_

=

_

+

= :

_

_

_

=

_

Um outro método

x2 − 6x + 5 ≤0 x −3

_

Número ímpar de funções negativas

Dos resultados ao lado, temos que:

+ 1 _ 3 _

5 +

_ 1 _ 3 + 5+ _ 1 + 3 _ 5+

S = {x ∈  / x ≤ 1 ou 3 < x ≤ 5} Note que x = 3 faz com que o denominador seja nulo, invalidando a desigualdade.

x + 5 = 0 ⇒ x = −5

x2 + x + 1 = 0 ⇒

-5

5

x− 5 = 0 ⇒ x = 5

Há 3 intervalos: x < −5 : escolhemos x=-6, então ( −6 + 5)[( −6)2 − 6 + 1]( −6 − 5) > 0 −5 < x < 5 : escolhemos x=0, então (0 + 5)(0 + 0 + 1)(0 − 5) < 0 x > 5 : escolhemos x=6, então (6 + 5)(62 + 6 + 1)(6 − 5) > 0

Como queremos onde a equação é menor que 0, a solução é

S = {x ∈  | −5 < x < 5}

19



MAT

FUNÇÃO EXPONENCIAL E FUNÇÃO INVERSA

6

EQUAÇÃO EXPONENCIAL Apresenta a incógnita no expoente. Para resolvê-la devemos reduzir à mesma base, fatorando um dos números. Exemplos: 3x + 2 = 27

5x +1 − 7 ⋅ 5x = −2 ⇒ 5x ⋅ 51 − 7 ⋅ 5x = −2

7 x = 2401

3x + 2 = 33 x+2 =3 x =1

1

x

7 2 = 74 ⇒

x Neste caso. Devemos chamar 5 = y : 5y − 7y = −2 ⇒ y = 1

1 x=4⇒x=8 2

Agora substituímos y: 5x = 1 ⇒ 5x = 50 ⇒ x = 0

FUNÇÃO EXPONENCIAL

INEQUAÇÃO EXPONENCIAL Resolvemos inequações da analogamente à resolução de equações exponenciais, mas devemos prestar atenção na base. Exemplos:

É dada por f(x) = ax , f : R → R *+ , a>0 e a ≠ 1 . f(x) = (1/2)

x

g(x) = 2

x

Decrescente 0 < Base < 1

Crescente Base >1

f(-x) = g(x)

x

3x < 81

1 -x

3x < 3 4 x<4

x

x

x

-7

 1  1  1  1 7   < 128 ⇒   < 2 ⇒   <   2 2 2 2 Como a base está entre 0 e 1, devemos inverter o sinal da desigualdade: x>-7.

TIPOS DE FUNÇÃO Função injetora Elementos distintos têm imagens distintas

x1 ≠ x 2 ⇒ f(x1 ) ≠ f(x 2 ) A

Função sobrejetora

Função bijetora

Imagem igual ao contradomínio

É injetora e sobrejetora

A

B

f : A →B

A

B

f : A →B

B

f : A →B

FUNÇÃO INVERSA Conceitos iniciais:

f : A →B

Função f

Obtenção da expressão:

Gráfico da função inversa: Os gráficos de f e de f −1 são simétricos em relação à bissetriz* dos quadrantes ímpares 1º e 3º. f(x)

Regra

Exemplo

f −1 : B → A Função inversa

Substitua f(x) por y

y = 3x + 4

y

1 - A = D(f) = CD(f −1 ) e

Troque x por y e y por x

x = 3y + 4

1

B = D(f ) = CD(f) −1

2 - f é inversível ⇔ f é bijetora

Isole o y Substitua y por

f −1(x)

x−4 3 x−4 f −1(x) = 3 y=

f

1

−1

(x)

x

* bissetriz divide um ângulo em 2 congruentes.

20



MAT

LOGARITMO

7 DEFINIÇÃO DE LOGARITMO

log b N = x

log10 100 = x

log2 x = 7

x

10 = 100

logaritmo

base

Exemplos:

logaritmando

27 = x x = 128

10 x = 102 x=2

logb a = x ⇔ b = a , a,b ∈  , b > 0 , b ≠ 1 e a > 0. x

** se a base for omitida, considerar base 10

Consequências da definição

Propriedades

Mudança de base

logb 1 = 0

logb a + logb c = logb ( a ⋅ c )

Mudança da base b para a base c:

logb b = 1

a logb a − logb c = logb   c

logb a

b

=a

logb a =

Exemplo: Mudança da base 5 para a base 3:

logb an = n ⋅ logb a

logb bm = m

log5 6 =

1 logbn a = ⋅ logb a n

logb a = logb c ⇒ a = c

EQUAÇÃO LOGARÍTMICA

loga f(x) = logag(x) ⇒ f(x) = g(x) Exemplo: log(x + 3) + log(x − 2) = log( −4 x)

Exemplo: log2 (3 x + 4) = 4 ⇒ 3x + 4 = 2 4

⇒ log(x + 3) ⋅ (x − 2) = log( −4 x) ⇒ x 2 + x − 6 = −4x ⇒ x 2 + 5x − 6 = 0 ⇒ x1 = −6 e x 2 = 1

⇒ 3x = 16 − 4 ⇒ x = 4

4 3x + 4 > 0 ⇒ x > − 3

x + 3 > 0 ⇒ x > −3 Restrições: x − 2 = 0 ⇒ x > 2 −4x > 0 ⇒ x < 0 

4 3

CE:

S = {4}

Função logarítmica

y=logbx

1 1

-3

0

Resolvemos inequações analogamente à resolução de equações logarítmicas, mas devemos prestar atenção na base.

Base >1

0< b<1 y

0 < Base < 1

logb x > logb y ⇒ x > y

y=x

Exemplo: log2 (3 x + 1) > log2 4

1

o

x

2 0

Inequação logarítmica

É definida por f(x) = logb a , com b ∈  *+ , b ≠ 1 e a<0, sendo f :  *+ → 

y=bx

-3

Não há solução.

FUNÇÃO E INEQUAÇÃO LOGARÍTMICAS

b>1 y=bx y

log3 6 log3 5

**ATENTAR PARA A CONDIÇÃO DE EXISTÊNCIA

loga f(x) = r ⇒ f(x) = ar

Restrição:

logc a logc b

x

1

y=logbx A função logarítmica é a inversa da função exponencial.

3x + 1 > 4 ⇒ x > 1 Restrição: 3x + 1 > 0 ⇒ x > −

S = 1, +∞ 

1 3

loga x > loga y ⇒ x < y

Exemplo:

log 1 (3 x + 1) ≥ log 1 4 2

2

Inverter o sinal da desigualdade:

3x + 1 ≤ 4 ⇒ x ≤ 1 Restrição:

3x + 1 > 0 ⇒ x > −  1  S =  − ,1  3 

1 3

21



MAT

FUNÇÕES COMPOSTA E MODULAR

8

FUNÇÃO COMPOSTA x

A composição de f : A → B com g : B → C gera h : A → C que denotamos por

(

x

x

x = aresta de cada lote quadrado y= f(x) = área de cada lote = x2

x

)

g  f ( x ) ou g f ( x ) , x ∈ A

g(y) = área do terreno = 6y

(

)

( )

g f ( x ) = g x2 = 6 x2

x

área do terreno em função dos lotes.

MÓDULO x, se x ≥ 0 x = − x, se x < 0

Definição

Significado geométrico do módulo de um número real: Distância até a origem. 3 3

Propriedades 1 - a = −a ,∀x ∈ 

4 - a+ b ≤ a + b , ∀a, b ∈ 

2

2 2 2 - a = a = a ∀a ∈ 

5 - a − b ≤ a − b , ∀a, b ∈ 

3 - a⋅ b = a ⋅ b , ∀a, b ∈ 

-3

−3 = 3

-2

-1

0

1

2

3

3 =3

Uma das utilidades do módulo é determinar a distância entre dois pontos na reta real. -3

−3 − (2) = −5 = 5

2

FUNÇÃO MODULAR f(x) = x

f(x) = (x − 2)2 − 4

y

Translação em y

y

3

6

2

f(x) = x + 2

2

f(x) = x − 2

2 x

-3 -2 -1

1

2

x

3

-2

f(x) = x − 2

f(x) = x

4

1

Translação em x y

y

f(x) = x + 2

2

4

x

-2

-2

x

2 f(x) = x

EQUAÇÃO MODULAR 1- x =3 2 - x = −12

S = { ±3}

5 - x− 7 = 2 x− 3

S=∅ x + 2 = +4 ⇒ x = 2  x + 2 = −4 ⇒ x = −6

3 - x+2 = 4 

S = { −6, 2}

x − 5 x + 6 = +2 ⇒ x1 = 1 e x 2 = 4 2 x − 5 x + 6 = −2 ⇒ não há raízes

4 - | x − 5 x + 6 |= 2  2

2

S = {1, 4}

a) Se x − 7 ≥ 0 ⇒ x ≥ 7

Inviável, pois x ≥ 7

b) Se x − 7 < 0 ⇒ x < 7

Viável, pois x < 7

x − 7 = + ( 2x − 5) ⇒ x = −2 x − 7 = − ( 2x − 5) ⇒ x = 4

S = {4}

INEQUAÇÃO MODULAR 1 - x − 2 < 6 ⇒ −6 < x − 2 < 6 ⇒ −4 < x < 8

S = {x ∈  | −4 < x < 8} x − 3 ≥ +7 ⇒ x ≥ 10 2 - x− 3 ≥ 7 ⇔  x − 3 ≤ −7 ⇒ x ≤ −4 x ≤ −4

-4 10 -4

10

x ≥ 10 S = {x ∈  | x ≤ −4 ou x ≥ 10}

3 - 3 x − 3 ≥ 2x + 2 a) Se 3x − 3 ≥ 0 ⇒ x ≥ 1 

5

3x − 3 ≥ + ( 2x + 2 ) ⇒ x ≥ 5  ∩= x ≥ 5

b) Se 3x − 3 < 0 ⇒ x < 1 

3x − 3 ≥ − ( 2x + 2 ) ⇒ x ≤ 1 ∩= x ≤ 5

1  5

1 5 1 5

5

1 S = {x ∈  | x ≤ ou x ≥ 5} 5

22



MAT

9

TRATAMENTO DA INFORMAÇÃO E DA ESTATÍSTICA

ANÁLISE DE GRÁFICOS Gráfico de setores: a área será dividida em função dos dados percentuais.

Gráfico de colunas: feito por dois eixos, um vertical e um horizontal.

Exemplos:

Desempenho em Matemática

15 10 5 0

25% = 90°

OCDE 550

15%

500

500 400

Ruim Regular

Bom

356

350

Ótimo

497

499

370

393

450

2003

Na horizontal colocam-se colunas que representam segmentações da informação (tipos).

12,5% = 45°

Brasil

600

25%

25%

20

Nota

Alunos

25 50% = 180°

Evolução das notas de Matemática no PISA

35%

30

100% = 360°

Gráfico de linhas: é feito por dois eixos, um vertical e um horizontal e por uma linha.

2006

2009

Ano

A linha indica a evolução de um processo.

ESTATÍSTICA - Medidas de tendência central Média aritmética:

x1 + x 2 + ... + xn n

5 + 12 + 13 + 15 = 11, 25 4

Média aritmética entre 5, 12, 13, 15 é:

A moda de 3, 2, 0, 3, 0, 4, 3, 2, 1, 3, 1 é 3 (frequência = 4)

Moda: valor com maior frequência em um

conjunto de dados. Obs.: Quando nenhum valor se repete não há moda.

Valor

0 2

Frequência

Mediana:

1

2

3

4

2

2

4

1

A mediana entre 6, 5, 3, 3, 2, 5, 1, 7 é determinada por:

Organizando os n números em ordem crescente. • Se n for ímpar: posição central. • Se n for par: média aritmética dos números centrais.

1º 1

Média geométrica: em n valores, a média geométrica é a raiz com índice n do produto desses valores.

2º 2

3º 3

4º 3

5º 5

6º 5

7º 6

A média geométrica entre 1, 2 e 4 é:

3

8º 7

Como n é par,

1⋅ 2 ⋅ 4 = 3 8 = 2

A média harmônica entre 8, 12 é dada por: Inverso da 1 + 1 Média dos 8 12 = 5 média dos ⇒ inversos 2 48 inversos

Média harmônica: é o inverso da média aritmética dos inversos de n valores.

3+5 =4 2

48 = 9, 6 5

Desigualdade das médias: Média aritmética ≥ Média geométrica ≥ Média harmônica

Medidas de dispersão •Variância: é calculada subtraindo o valor da média aritmética. •Desvio padrão: é calculado extraindo a raiz quadrada da variância.

Valor

Média

2

2 + 3 + 10 =5 3 2 + 3 + 10 =5 3

3 10

Desvios

2 + 3 + 10 =5 3

2

2 − 5 = −3

( −3)

3 − 5 = −2

( −2)

10 − 5 = 5

VARIÂNCIA Média dos quadrados dos desvios 9 + 4 + 25 V= ≅ 12, 67 3

Quadrados dos desvios

=9

2

2

(5 )

=4

DESVIO PADRÃO

Dp = 12, 67 ≅ 3,56

= 25

MATEMÁTICA FINANCEIRA Capital: valor aplicado através de alguma operação financeira. Juros: é a remuneração pelo empréstimo, podem ser simples ou compostos. Taxa de juros: é percentual e indica a remuneração que deverá ser paga ao empréstimo em determinado período. Juros simples: é calculado pela fórmula

M = P ⋅ 1 + ( i⋅ n) 

onde M é o montante, P é o principal (capital), i a taxa de juros e n o número de períodos.

Juros compostos: é calculado pela fórmula

M = C ⋅ (1 + i)

n

onde M é o montante, C o capital, i a taxa de juros e n o número de períodos.

Qual o montante resultante da aplicação de 70 mil reais à taxa de 2% ao mês durante 6 meses, se o juros for retirado a cada ciclo de remuneração?

  2  M = 70 000 ⋅ 1 +  ⋅ 6   = 74 200, 00 reais   100   Qual o montante resultante da aplicação de 1500 reais por 6 meses à uma taxa de 2% ao mês? 6

 2  M = 1500 ⋅ 1 +  = 1689, 24 reais  100 

23



MAT

SEQUÊNCIAS

10 SEQUÊNCIAS

EXEMPLOS A sequência dos dias da semana, dos meses do ano, dos números ímpares negativos, dos múltiplos de 3.

Sequências ou sucessões são qualquer conjunto organizado de objetos, números ou eventos

PROGRESSÃO ARITMÉTICA (PA) É toda sequência de números em que a diferença entre um termo e seu anterior é constante e é chamada de razão (r).

an = a1 + (n − 1) ⋅ r n-ésimo termo da PA

posição do elemento na PA

1º termo da PA

razão da PA

Propriedades

( a , a , a ) termos consecutivos de uma PA, então 1

2

a2 =

3

a1 + a3 2

Em uma PA finita, a soma de dois termos equidistantes dos extremos é igual a soma dos extremos. Em uma PA com número ímpar de termos, o termo do meio é a média aritmética dos extremos.

Soma dos n termos de uma PA: Sn =

(a + a ) ⋅ n 1

PA = ( 3,5,7,9 ) Propriedade: 5 = PA = ( 2, 4, 6, 8, 10, 12 ) Propriedade: 12 + 2 = 10 + 4 = 14 PA = ( 2, 4, 6, 8,10 ) Propriedade: 6 = +5

n

3 + 7 + 11 + 15 + 19 =

2

7+3 2

10 + 2 2

(3 + 19) ⋅ 5 = 55 2

PROGRESSÃO GEOMÉTRICA (PG) É toda sequência de números na qual a divisão entre cada termo pelo anterior é constante e é chamada de razão (q).

PG CRESCENTE

PG DECRESCENTE

q >1

0 < q <1

PG CONSTANTE

PG OSCILANTE

q<0

q =1

an = a1 ⋅ qn−1 n-ésimo termo da PG

razão da PG

1º termo da PG

posição do elemento na PG

Propriedades Em uma PG com ímpares números de termos, o quadrado do termo do meio é igual ao produto dos extremos.

PG = ( 3, 9, 27 ) Propriedade: 92 = 27 ⋅ 3 = 81

O produto de dois termos equidistantes dos extremos é igual ao produto dos extremos.

PG = ( 3, 6,12, 24, 48 ) Propriedade: 48 ⋅ 3 = 24 ⋅ 6 = 144

Soma dos n termos de uma PG finita: S = n

(

)

a1 ⋅ qn − 1 q −1

a Soma dos termos de uma S= 1 PG infinita convergente ( 0 < q < 1): 1− q Produto dos n termos de uma PG: | Pn |=

·2

Sn = 3 + 6 + 12 + 24 + 48 = S∞ = 3 + 1 + ·1/3

(a ⋅ a )

n

1

n

(

) = 93

3 25 − 1 2 −1

1 1 3 9 + + ... = = 3 9 2 1− 1 3

·5

Pn = 2 ⋅ 10 ⋅ 50 ⋅ 250 ⋅ 1250 =

(2 ⋅1250 )

5

= 505

24



MAT

MATRIZES

11 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE MATRIZES Representada por Amxn

 a11 a12  a1n    a a22  a2n  =  21         a a  a mn   m1 m2   a11  a21 A = a31    a  n1

Matriz quadrada:

( A ) : número de linhas igual n

ao número de colunas.

ou

( )

A = aij

a12 a13  a1n   a22 a23  a2n  a32 a33  a3n        an2 an3  ann 

onde 1 ≤ j ≤ m e 1 ≤ j ≤ n

mxn

diagonal principal (i=j)

Matriz identidade: elementos da diagonal 1 0 0   principal são iguais a I3 = 0 1 0  1 e todos os outros 0 0 1  são 0.  

diagonal secundária (i+j= n+1)

Matriz transposta Matriz diagonal: é quadrada e aij = 0 quando i ≠ j

1  A = 2 3 

4  5 6 

e

Matriz simétrica A = A

1 At =  4

2 5

3  6

t

Matriz antissimétrica − A = A

t

ADIÇÃO, SUBTRAÇÃO E MULTIPLICAÇÃO POR ESCALAR Adição

 1 3   4 2 5 5  + =  2 4   3 1 5 5

Multiplicação por escalar: Multiplicam-se todos os elementos da matriz.

 1 3  2 ⋅ 1 2 ⋅ 3   2 6  2⋅ = =  2 4  2 ⋅ 2 2 ⋅ 4   4 8 

 1 3   4 2  −3 1 − =  2 4   3 1  −1 3

Subtração 

MULTIPLICAÇÃO DE MATRIZES A mxn ⋅ Bnxp = Cmxp

·

O número de colunas da 1ª matriz deve ser igual ao número de linhas da 2ª matriz.

·

=

Nem sempre vale a comutatividade.

( ) ( )

Associatividade: A BC = AB C

 1 3   4 2 1⋅ 4 + 3 ⋅ 3 1⋅ 2 + 3 ⋅ 1   ⋅ =  2 4   3 1 2 ⋅ 4 + 4 ⋅ 3 2 ⋅ 2 + 4 ⋅ 1 13 5  =  20 8 

=

Distributividade da soma à direita e à esquerda:

A (B + C ) = AB + AC e ( A + B ) C = AC + BC

Nulidade do produto: o produto de duas matrizes pode ser nulo mesmo que nenhuma delas seja nula.

AC = BC ⇒ A = B

Nem sempre se

DEFINIÇÃO DE INVERSA DE UMA MATRIZ Uma matriz quadrada é invertível quando existe A −1

A ⋅ A −1 = I tal que  , onde I é matriz identidade. −1 A ⋅ A = I

Propriedades: 1- A matriz inversa é única.

( )

2- A = A

−1

−1

34-

(A ) t

−1

( AB )

−1

( )

= A −1

t

= B −1 ⋅ A −1

Uma das maneiras de descobrir a inversa de uma matriz é utilizando a definição e resolvendo um sistema linear simples. 5 8  Vamos calcular a matriz inversa da matriz A =   2 3 

5 8   a b   1 0  5a + 8c 5b + 8d  1 0   ⋅ = ⇒ =  2 3 c d 0 1       2a + 3c 2b + 3d 0 1

Resolvendo dois sistemas lineares:  5a + 8c = 1   2a + 3c = 0 ⇒ a = −3 e c = 2

 5b + 8d = 0   2b + 3d = 1 ⇒ b = 8 e d = −5

Assim:

 −3 8  A −1 =    2 −5

25



MAT

12

DETERMINANTES

CONCEITOS BÁSICOS  a11 a12  a a A =  21 22      an1 an2

Não existe determinante de matriz que não seja quadrada.

Matriz 1x1

a11 = a11

4 =4

Matriz 2x2

Matriz 3x3 a11 a12 a13 a ⋅ a ⋅ a + a12 ⋅ a23 ⋅ a31 + a13 ⋅ a32 ⋅ a21 a21 a22 a23 = 11 22 33 −a13 ⋅ a22 ⋅ a31 − a12 ⋅ a21 ⋅ a33 − a11 ⋅ a32 ⋅ a23 a31 a32 a33

 a1n    a2n       ann 

a11 a12

a21 a22

det A =

a11 a12  a1n a21 a22  a2n 

an1 an2  ann

5 3 = 20 − 6 = 14 2 4

1 4 7 2 5 8 = 45 + 96 + 84 − 105 − 48 − 72 = 0 3 6 9

REGRA DE SARRUS a11 a12 a21 a22 a31 a32

a13 a11 a23 a21 a33 a31

a12 a22 a32

Os produtos na direção da diagonal principal ficam com o mesmo sinal, os da diagonal secundária invertem o sinal e o determinante é a soma desses valores: a11 ⋅ a22 ⋅ a33 + a12 ⋅ a23 ⋅ a31 + a13 ⋅ a32 ⋅ a21 − a13 ⋅ a 22 ⋅ a 31 − a12 ⋅ a 21 ⋅ a 33 − a 11 ⋅ a 32 ⋅ a 23

PROPRIEDADES Se os elementos de uma linha ou coluna são todos nulos, o determinante da matriz será nulo.

0 0 = 3⋅0 − 0 ⋅5 = 0 5 3

O determinante de uma matriz triangular é igual ao produto dos elementos da diagonal principal.

2 1 5 0 5 3 = 2 ⋅ 5 ⋅ 2 = 20 0 0 2

Se multiplicarmos todos os elementos de uma linha ou coluna de uma matriz por um número k, o determinante será multiplicado por k.

Se uma matriz quadrada de ordem n for multiplicada por k, seu determinante será multiplicado por k n

1 3 = 1 ⋅ 4 − 3 ⋅ 2 = −2 2 4

1 3 = 1 ⋅ 4 − 3 ⋅ 2 = −2 2 4

1⋅ 3 3 1 3 = 3⋅ = 3 ⋅ ( −2 ) = −6 2⋅3 4 2 4

TEOREMA DE BINET Em duas matrizes A e B de ordem iguais det ( A ⋅ B ) = det A ⋅ detB   1 3  5 7   1 3 5 7 ⋅ = ⋅ = det    2 4  6 8   2 4 6 8     = ( 4 − 6 ) ⋅ ( 40 − 42 ) = 4

det (k ⋅ A ) = k n ⋅ det A

 1 3   1⋅ 3 3 ⋅ 3 det  3 ⋅  = 32 ⋅ ( −2 ) = −18   =  2 4 2 ⋅ 3 4 ⋅ 3   

det A = det A t 1 3 1 2 = = −2 2 4 3 4

Se trocarmos duas linhas ou colunas de posição numa matriz, o determinante será o oposto do determinante da anterior.

1 3 2 4

= 1 ⋅ 4 − 3 ⋅ 2 = −2

3 1 = 3 ⋅ 2 − 4 ⋅1 = 2 4 2

TEOREMA DE JACOBI

Se multiplicarmos todos os elementos de uma linha ou coluna por k e adicionarmos os resultados aos elementos correspondentes de outra linha ou coluna temos outra matriz B, onde a b c a + kb b c 2 4 2 + 3⋅ 4 4 = 18 − 20 = −2 = −2 d e f = d + ke e f 5 9 5 + 3⋅9 9 g h i g + kh h i Consequências: 1) Se há igualdade entre elementos entre duas linhas ou colunas, o determinante será nulo. 2) Se duas linhas ou colunas tem elementos de valores proporcionais, o determinante será nulo.

26



MAT

SISTEMAS LINEARES

13

CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMA LINEAR Formado por equações da forma

a1x1 + a2 x 2 + .... + anxn = b

Duas variáveis e duas incógnitas

Duas variáveis e três incógnitas

 x + y = 5    4x − 2y = 2

 x − y + z = 3   2x + y − z = 0

Três variáveis e três incógnitas

Três variáveis e duas incógnitas

x − y + z = 3  2x + y − z = 0 3x − y + 2z = 6 

x + y = 5   4x − 2y = 2 5x − y = 7 

e pode ser classificado como: • SPD: sistema possível determinado (apenas uma solução) • SPI: sistema possível indeterminado (infinitas soluções) • SI: sistema impossível (não tem solução)

RESOLUÇÃO Método da adição

Método da substituição

2x + 3y = 8 2x + 3y = 8 ⇒  x − y = −1 −2x + 2y = 2

2x + 3y = 8  x − y = −1

+

5y = 10 ⇒ y = 2

x = −1 + y

2( −1 + y) + 3 y = 8 ⇒ 5 y = 10 ⇒ y = 2

x = −1 + 2 ⇒ x = 1

Substituindo 2x + 3 ⋅ 2 = 8 ⇒ x = 1

S = {(1,2)}

S = {(1,2)} Regra de Cramer

Forma de se resolver um sistema linear (apenas quando o número de incógnitas for igual ao número de equações). D

D

D τ

A solução é dada da forma  x1 = 1 , x2 = 2 ,..., xn = n  D D D  os valores independentes.

Se então

x y = z

x=

y=

≠0

e

z=

em que D é o determinante da matriz original D e

o das matrizes com

n

Exemplo: x + y = 5

  4x − 2y = 2

Forma matricial:  1   4

1   x  5  ⋅  =   −2   y  2 

5 1 2 −2

1 5

−12 x= = =2 −6 1 1 4 −2

e

y=

4 2 1

1

=

−18 =3 −6

4 −2

S = ( 2,3)

Escalonamento Podemos classificar e resolver sistemas lineares por Para classificar um sistema escalonado, devemos observar a última escalonamento, nos quais faremos operações elementares linha, que deve ser, se existir, a linha nula, onde 0=0. nas linhas ou colunas. Há 3 possibilidades para a ultima linha: Exemplos de sistemas escalonados: • Ser uma equação do 1º grau com 1 incógnita ( 2x = 6, 3z = 0, ... )

x − 3y + 2z = 3  2y − z = 0   3z = 6 

3x − y + z = 5     2y − 3x = 9

o sistema é possível determinado. • Ser uma igualdade verdadeira, sem incógnitas ( 0 = 0, 3 = 3, ... ) o sistema é possível indeterminado. • Ser uma igualdade falsa ( 0 = 3, 5 = 9, ... ) o sistema é impossível.

Exemplo: Escalonar e resolver:

3  x − y + z = 3 ⋅ ( −2 ) ⋅ ( −3)  x − y + z =   3y − 3z = −6 ⋅ −2 ~ 2x + y − z = 0 3 3x − y + 2z = 6  2y z 3  

( )

x − y + z = 3  3y − 3z = −6 ~  z = 1 

Assim, da última linha z=1 . Substituindo na segunda linha: y=-1 . Substituindo na primeira linha: x=1.

27



MAT

14

ANÁLISE COMBINATORIA: PFC E PERMUTAÇÕES

PRINCÍPIO FUNDAMENTAL DA CONTAGEM (PFC) Um evento que ocorre em n situações independentes e sucessivas na qual a 1ª situação ocorre de a1 maneiras, a segunda de a2 e assim por diante até a n-ésima que ocorre de an maneiras, tem o número total de acontecimentos dado por: a1 ⋅ a2 ⋅ ... ⋅ an

Exemplo: Gabriela possui 3 saias e 4 blusas. De quantas maneiras ela pode se vestir utilizando uma saia e uma blusa?

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Pelo PFC, basta multiplicamos 4 ⋅ 3 = 12 , então há 12 maneiras diferentes de Gabriela se vestir.

PRINCÍPIOS ADITIVO E MULTIPLICATIVO Exemplo: Sempre tive vontade de visitar 3 cidades brasileiras e 5 estrangeiras. De quantas formas consigo visitar uma cidade brasileira estrangeira?

De quantas formas consigo visitar uma cidade brasileira uma estrangeira?

Temos 3 opções de cidade brasileira e 5 estrangeiras: 3+5=8 maneiras de visitar uma cidade, seja ela brasileira ou estrangeira.

Temos 3 opções de cidade brasileira e 5 estrangeiras: 3 ⋅ 5 = 15 maneiras de visitar duas cidades, sendo que uma é brasileira e outra estrangeira.

Princípio aditivo

Princípio multiplicativo

ou

e

n (E1 ou E2 ) = n (E1 ∪ E2 ) = n (E1 ) + n (E2 )

n (E1 e E2 ) = n (E1 ∩ E2 ) = n (E1 ) ⋅ n (E2 )

FATORIAL DE UM NÚMERO NATURAL Definição

Simplificações com fatoriais

É denotado por n! , que é o produto dos números naturais de n à 1:

5! 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2! = ¨= 5 ⋅ 4 ⋅ 3 = 60 2! 2!

n! = n⋅ (n − 1) ! = n⋅ (n − 1) ⋅ (n − 2 ) ⋅ ... ⋅ 1 Exemplos: 5! = 5 ⋅ 4! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3! = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2! = = 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1! = 120

Exemplo: Determinar o valor de n para

(

) (n + 2) ! = 20 ⋅ n! n + 2 ( ) ⋅ (n + 1) ⋅ n! = 20 ⋅ n!

que n + 2 ! = 20 ⋅ n!

9! 9 ⋅ 8 ⋅ 7! = ¨= 9 ⋅ 8 = 72 7! 7!

n2 + n + 2n + 2 = 20 ⇒ n2 + 3n − 18 = 0

4! 3! 4! ⋅ 3 ⋅ 2! 3 ⋅ = = 5! 2! 5 ⋅ 4! ⋅ 2! 5

Como não existe fatorial de números negativos, a única solução é n=3

n = −6 e n = 3

PERMUTAÇÃO Permutação simples Pn = n! *n = número de elementos a serem permutados Exemplo: Numa fila de um supermercado estão 3 pessoas. De quantas maneiras elas podem estar posicionadas?

P3 = 3! = 6 Elas podem estar posicionadas de 6 maneiras diferentes.

Permutação com repetição Pn ( a,b,... ) =

n! a!b!...

*n = número de elementos a serem permutados *a, b... número de repetições por elemento Exemplo: Quantos anagramas podemos formar com a palavra I T A L I A N A ?

8! P8 (3, 2 ) = = 3360 3!2! Podemos formar 3360 anagramas com a palavra ITALIANA.

Permutação circular É uma alternância ao redor de uma brincadeira de roda, um círculo, uma mesa ou em qualquer evento que ocorra em círculos.

( ) (

)

É dada pela fórmula: PC m = m − 1 ! Exemplo: De quantas maneiras 7 crianças podem dar as mãos para brincar de roda?

PC ( 7 ) = ( 7 − 1) ! = 6! = 720 maneiras.

28



MAT

15 ANÁLISE COMBINATÓRIA: ARRANJOS E COMBINAÇÕES ARRANJO E COMBINAÇÃO SIMPLES Seja n = número de elementos de um conjunto e p = número de formas de organizar estes elementos

Arranjo simples é caracterizado pela natureza e pela ordem dos elementos

An,p =

Combinação simples é caracterizada apenas pela natureza dos elementos.

n! (n − p ) !

n  n! Cn,p =   =  p  p! (n − p ) !

EXEMPLO

EXEMPLO

Em um sorteio existem 10 bolas numeradas de 0 à 9. Qual o número de possibilidades existentes de formarmos um número de 6 algarismos através do sorteio sem reposição dessas bolas?

1º dígito 2º dígito 3º dígito 4º dígito 5º dígito 6º dígito

Como a ordem dos algarismos é importante, pois cada sorteio representa a unidade, dezena, centena, etc. do número, temos:

n = 10 p=6

A10,6 =

10!

(10 − 6 ) !

=

10! = 4!

10 ⋅ 9 ⋅ 8 ⋅ 7 ⋅ 6 ⋅ 5 ⋅ 4! 4!

¨= 151200

Solange vai viajar e levar 5 pares de chinelos. Sabendo que ela possui 12 pares, de quantas maneiras diferentes ela poderá escolher os pares de sapato para a viagem?

Como iremos montar apenas conjuntos de 5 pares de chinelos, não importando a ordem entre eles, temos:

n = 12 p=5

C12,5 =

12! 12! = = 5! (12 − 5) ! 5!7!

12 ⋅ 11⋅ 10 ⋅ 9 ⋅ 8 ⋅ 7! 5! 7!

¨= 792

ARRANJO E COMBINAÇÃO COM REPETIÇÃO Arranjo com repetição: os elementos podem ser repetidos em cada grupo até p vezes e importa a natureza e a ordem dos elementos.

ARn,p = np

Combinação com repetição: os elementos podem ser repetidos em cada grupo até p vezes e importa apenas a natureza dos elementos.

CR n,p = C n+p−1,p

EXEMPLO

EXEMPLO

Quantas placas de carro podem ser construídas com 3 letras e 4 dígitos?

De quantas formas podemos comprar 4 sucos num supermercado que tem 2 tipos de suco?

ou Alfabeto: 26 letras Números: 10

AR 26,3 = 263 AR10,4 = 10 4

Logo, há 263 ⋅ 10 4 = 175760000 formas de construir as placas.

...

tipo 1 + tipo 2 = 4

CR 4 ,2 = C 4 + 2 −1,4 = C5,4 = 5 Logo, há 5 maneiras diferentes.

29



FÍSICA



FÍS

CINEMÁTICA ESCALAR: MU E MUV

1

MOVIMENTO UNIFORME (MU) Equação horária do espaço é do 1º grau.

• Velocidade constante • Aceleração igual a zero

S = S0 + V0 ⋅ t Espaço × tempo

Velocidade × tempo V

Movimento progressivo

S

A

t

t2

t1

S0

Movimento retrógrado

S

v>0

S0

α

α

t

N

∆S = A

t

v<0 N

tgα = V

Exemplo: Considerando que a esteira rolante tem velocidade constante e igual a 0,5 m/s, qual tempo que a pessoa gasta para subir de sua base, ponto A, até seu topo, ponto B?

B

S = S0 + V0 ⋅ t

V= 0,5m/s

S − S0 = V0 ⋅ t

6m

10 = 0,5 ⋅ t t = 20 s

8m

A

MOVIMENTO UNIFORMEMENTE VARIADO (MUV) Função horária da velocidade é do 1º grau.

• Velocidade variável • Aceleração constante

V

V = V0 + a ⋅ t

V0 V0

α

retrógrado retardado

a<0

S progressivo acelerado

α

progressivo retardado

v>0

t

t

c>0

N

tgα = aceleração

Exemplo: O movimento de dois corpos A e B que trafegam em uma trajetória retilínea é representado por meio do gráfico posição x. Supondo que os móveis permaneçam em seus estados de movimento, pode-se afirmar que se encontram em que instante?

a>0

S

V

a>0

Função horária do espaço é do 2º grau. a S = S0 + V0 ⋅ t + ⋅ t2 2

v<0

5 10

v<0

v>0 v=0

S(m) 45 35

v=0

retrógrado acelerado

 10m = −1m/s v A = − 10 s ∆S  v=  ∆t  5m v = = 0,5m/s  B 10 s t(s)

t

t s = 45 − 1⋅ t s = s = so + v ⋅ t  A sB = 0 + 0,5 ⋅ t ⇒ sA = sB

45 − 1⋅ t = 0,5 ⋅ t

1,5 ⋅ t = 45 t = 30 s

32



FÍS

CINEMÁTICA ESCALAR: TORRICELLI E APLICAÇÕES DE MUV

2

EQUAÇÃO DE TORRICELLI Equação horária do espaço é do 2º grau.

• Aplicação em movimento uniformemente variado. • Não envolve tempo.

v 2 = v 20 + 2 ⋅ a ⋅ ∆s

Exemplo No instante em que a luz vermelha do semáforo acende, um carro à 36 km/h dista 30 m do semáforo começa a frear com desaceleração constante de -2,0 m/s2.

Podemos, considerando os dados numéricos fornecidos, afirmar que:

36 km/h

a) o carro consegue parar 5 metros antes do semáforo. b) o carro para exatamente na posição do semáforo. c) o carro precisaria começar a frenagem 5 metros antes para parar completamente antes do semáforo.

36 km/h

d) o carro precisaria iniciar a frenagem 20 metros antes para parar completamente antes do semáforo.

30 metros

RESOLUÇÃO Pelas alternativas, precisamos determinar o deslocamento total do veículo até a velocidade ser nula. Assim, a melhor opção de resolução é relacionar a velocidade, aceleração e deslocamento (Torricelli). Sabendo que 36 km/h = 10 m/s:

v 2 = v 20 + 2 ⋅ a ⋅ ∆s

02 = 102 + 2 ⋅ ( −2 ) ⋅ ∆s

∆s = 25m

Ou seja, o veículo precisaria de apenas 25 m para parar completamente (restando ainda 5 metros). Alternativa A.

QUEDA LIVRE E LANÇAMENTO VERTICAL Funções do movimento

- Movimento uniformemente acelerado.

v = v0 + a ⋅ t 1 H = H0 + v 0 ⋅ t + a ⋅ t2 2 v 2 = v 0 2 + 2 ⋅ a ⋅ ∆H

- Aceleração = aceleração da gravidade. 2 Dado na prova: g = 9, 8m/s2 ou g = 10m/s

Questão do referencial: Trajetória orientada para cima

Trajetória orientada para baixo

a = −g

a = +g

Velocidade nula

g

g

V>0

Subida

V<0

Descida

Ponto de altura máxima

0 = v0 + a ⋅ t ⇒ t = V<0

Subida

V>0

Descida

−v 0 a

02 = v 0 2 + 2 ⋅ a ⋅ ∆H ⇒ ∆H =

− v 02 2a

Inversão do sentido do movimento

33



FÍS

CINEMÁTICA VETORIAL: CONCEITOS INICIAIS E MOVIMENTO CIRCULAR

3

CINEMÁTICA VETORIAL Deslocamento vetorial

Velocidade vetorial média:

  ∆r vm = ∆t

z

 ∆r

P1 r1

P2

   ∆r = r2 − r1

r2

Aceleração vetorial média:

  ∆v am = ∆t

y

x

MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORME Frequência

Cinemática do MCU

P1

nº de voltas ∆t

f=

 V

P2

∆θ

R

 V

R

ω

Unidades usuais: Hertz (1/s) RPM (rotações por minuto)

Velocidade angular

ωm =

∆θ e v = ω ⋅R ∆t

V2

Período

Função horária do MCU

θ em radianos

Características - Velocidade vetorial e Aceleração centrípeta: módulo constante. Direção e sentido variável. - Aceleração tangencial é nula.

T=

θ = θ0 + ω ⋅ t

V3

∆t nº de voltas

V1

ac3 ac2  ac1

R

ac4

V4

Tempo necessário para uma volta completa.

Velocidade angular:  v2 2  Módulo: ac = ω ⋅ R = R   Direção: perpendicular  ao movimento   Sentido: centro de  curvatura   

Duas relações importantes: T =

2π 1 e ω = 2π ⋅ f = f T

TRANSMISSÃO DE MOVIMENTO Transmissão de movimento linear

ωA

VA

ωA

RA

VB

A

RB

B

ωB

VA

RA

B

A

Mesma velocidade linear

ωB RB

Transmissão de movimento angular

VB

A

v A = vB

ωA ⋅ R A = ωB ⋅ RB

C RA

RB

VB

Mesma velocidade angular

B

ωA = ωB

v A vB = R A RB

VA

MOVIMENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE VARIADO Forma escalar  a  v

o

 ac

 at

Aceleração angular:

γm =

∆ω e a = γ ⋅ R ∆t

ω

a s = s0 + v 0 ⋅ t + ⋅ t 2 2 v = v0 + a ⋅ t v 2 = v 20 + 2 ⋅ a ⋅ ∆s

Forma angular θ = θ0 + ω0 ⋅ t +

γ ⋅ t2

ω = ω0 + γ ⋅ t

2

ω 2 = ω02 + 2 ⋅ γ ⋅ ∆θ

As grandezas escalares (s, v e a) se relacionam com as respectivas grandezas angulares ( θ , ω , γ ), por:

s =θ ⋅ R v = ω ⋅R a = γ ⋅R

θ em radianos

34



FÍS

CINEMÁTICA VETORIAL: LANÇAMENTOS

4

CINEMÁTICA VETORIAL: COMPOSIÇÃO DE MOVIMENTOS O movimento de um corpo pode ser o resultado da composição de outros movimentos simultâneos.  Deslocamento total ( ∆ rtotal ):

Em relação ao referencial fixo ao observador.

   ∆r total = ∆rrelativo + ∆r arrastamento

 Deslocamento relativo ( ∆rrelativo ):

 Arrastamento ( ∆r arrastamento ):

Se processa no referencial que e movimenta em relação ao observador.

Deslocamento sofrido pelo referencial móvel em relação a um referencial fixo.

Velocidade relativa:

   v total = v relativa +v arrastamento

Situações comuns de um barco em uma correnteza: 1 - Rio abaixo

2 - Rio acima

 v relativa

 v relativa

 v relativa

 v total

 v arrastamento

3 - Eixo do barco perpendicular à correnteza

 v total

4 - Barco parte de A e chega a B

 v total

 v arrastamento

B

 v relativa

 v total

Rio

 v arrastamento

 v arrastamento

A

CINEMÁTICA VETORIAL: LANÇAMENTO OBLÍQUO

y

y

Projeção eixo y

t=ts

ymax Movimento Vertical (MUV)

y = v 0 (senθ ) ⋅ t −

g⋅t 2

 v 0y

2

 v 0y

 vx

 vx

 v v yy

 vy

 vx

 vx

 vx

 vv0

v y = v 0 (senθ ) − g ⋅ t

y0

θ

t=0

 vx

 vx

xT

x0

Tempo de voo tdescida = tsubida =

g

v 0 ⋅ senθ

 vx

 vx

 vx

 vx

 vx

 vx

 vx

x

g

Altura máxima

Alcance A=

x

Projeção eixo x v 0 ⋅ senθ

logo: t voo = tsubida + tdescida = 2 ⋅

v 20

Hmax

⋅ sen ( 2θ ) g

Hmax =

v 02 ⋅ senθ 2⋅ g

Movimento Horizontal (MRU)

x = v 0 (cos θ ) ⋅ t

v x = v 0,X = v 0 ⋅ cos θ

(constante)

35



FÍS

DINÂMICA: CONCEITOS INICIAIS

5 FORÇA

No S.I.: N (newton) F  = m ⋅ a  Outra unidade usual: kgf (quilograma-força)

Grandeza vetorial que representa qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre. Interações da distância Força peso, força elétrica, força gravitacional.

 F

Interações de contato Força de contato (normal e atrito), força de tração, força elástica.

 N

 −F

r

µ = µe ou µd

 P

m

m

K

FAtrito = µ ⋅ N

 FAtrito

m x

K

Seção ampliada

  F Elástica = − K ⋅ x m

DINÂMICA: LEIS DE NEWTON E FORÇA RESULTANTE 1º Lei de Newton: Princípio da Inércia

Diagrama de corpo livre: substitui interações com o corpo por uma força.

   F R = 0 ⇔ v = cte

 F

2º Lei de Newton: Proporcionalidade entre resultante e aceleração

 R=

  R = m⋅a

m

 ⋅a

 R= 

m⋅

A

 a

R



R

3º Lei de Newton: Ação e reação

 NA

 F

 FB,A

A

100 N 100 N

C

B  NB

 FA ,B

 FC,B

 FB,C

 NC

C

B

 PA

 PC

 PB

SOMA DE FORÇAS  F1

A força resultante é determinada pela soma vetorial das forças atuantes em um sistema isolado. Pela 2ª Lei de Newton: direção e sentido da resultante é igual à direção e sentido da aceleração.

2 forças paralelas: módulo da resultante = soma ou subtração dos módulos de cada força

2 forças formando um ângulo α :módulo da resultante determinado pela Lei dos Cossenos

 a

R = 4 − 2 = 2N

F1= 4N

F2= 2N

2 forças perpendiculares = módulo da resultante determinado por Pitágoras



 a

R

2

2

2

R = 3 + 4 ⇒ R = 5N

F2= 4N  N

 Py

 Px

α

 P

α

F1= 3N F2= 3N

Py = P ⋅ cos θ Px = P ⋅ senθ

 F3

 a

R

120°

 F1x  A F2y  F2x

=

 F2 Polias Fixa

F=R



R

R 2 = 32 + 32 + 2 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ cos120º ⇒ R = 3N

A

R

 N

A

R 2 = F12 + F22 + 2 ⋅ F1 ⋅ F2 ⋅ cos α



 F1

Em muitos casos, a determinação da resultante é facilitada pela decomposição em um sistema de coordenadas.

Plano Inclinado: decompor no sentido do plano

 F2

 F3

 F2

 F1

Fixa

...

Móvel

R

F=

R 2

 F1y

Sendo n = número de polias móveis

F=

R 2n

36



FÍS

DINÂMICA: APLICAÇÕES PRÁTICAS

6

RESULTANTE DA FORÇA CENTRÍPETA  v

 Rc

 v

 ac

Lembrando que o módulo da aceleração centrípeta é dado por:

 Rc

v2 r

 m ⋅ v2 Módulo: R c = r  Resultante centrípeta Direção: perpendicular ao movimento Sentido: do centro de curvatura  

 v

 Rc

 Rc

ac =

 v

RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS 1) Decompor as forças atuantes no sistema na direção do raio de curvatura e perpendicular à essa direção

2) Analisando as componentes de forças no perpendicular, se houver equilíbrio entre elas, a força resultante será nula.

3) Analisando as forças na direção do raio de curvatura, a resultante deve ser a centrípeta

5) Resolver sistema de equações (equações 2, 3 e 4) para determinar grandeza de interesse.

4) Analisando as condições geométricas do problema, determinar relação entre distâncias e ângulos

EXEMPLO: Pêndulo cônico: determinar velocidade angular 1)

θ

T ⋅ cos θ = m ⋅ g

 T

L Rc

T=

De onde temos

r = L ⋅ senθ

5) Resolvendo o sistema

T ⋅ senθ = m ⋅ ω ⋅ r

Asa-delta em voo circular

 Fn

v = r ⋅ g ⋅ tgθ

Carro descrevendo uma curva (pista elevada)

v = r ⋅ g ⋅ tgθ

 F

 P

r

m ⋅ v2 L

θ

centro

θ

 N

ω=

g L ⋅ cos θ

Carro descrevendo uma curva (pista nivelada)

v MAX = µe ⋅ r ⋅ g  N

r

r

 P

chegamos a

T ⋅ cos θ = m ⋅ g  2 T ⋅ senθ = m ⋅ ω ⋅ r r = L ⋅ senθ 

2

mg

Corpo girando preso a um fio 

 T

r

3) Na horizontal, resultante é centrípeta

 P

centro

L

θ L

T ⋅ senθ

θ

v

4)

2) Na vertical temos equilíbrio

T ⋅ cos θ

θ

 P

 Fat

 P

DINÂMICA DO MOVIMENTO CIRCULAR: GLOBO DA MORTE Um motociclista com sua moto descreve uma trajetória circular de raio r, num plano vertical, no interior de um globo da morte. O motociclista realiza a volta completa, sem descolar do piso. Determine a velocidade mínima do motociclista no ponto mais alto da trajetória.

No ponto mais alto da trajetória

   Rc = N + P

No ponto mais baixo da trajetória

   Rc = N − P

 v

mg  N

 N

 FN  v

mg

 P

m ⋅ g + FN = m

v2 R

No ponto mais alto da trajetória (menor velocidade), a velocidade é mínima quando

FN = 0

Logo m ⋅ g = m

v2 ⇒ v = r ⋅g R 37



FÍS

TRABALHO E ENERGIA: CONCEITOS INICIAIS

7

TRABALHO Trabalho de uma força constante  F

Trabalho resultante  F3

 d

θ

 F4

B

A

 F2  F1

τ = F ⋅ d ⋅ cos θ

O trabalho resultante é a soma dos trabalhos de cada força.

Trabalho de uma força variável

τ R = τ1 + τ 2 + ... + τ n

F

F

τ

Equivale ao trabalho realizado pela força resultante.

τ d

N

d

τ R = FR ⋅ d ⋅ cos θ

τ = Área da figura

ENERGIA Energia cinética

Teorema da Energia Cinética

Ec =

m

m ⋅ v2 2

τ R = ∆EC =

Ep, elástica =

k ⋅ x2 2

τ AB = E − E x

Representa o trabalho realizado ( τ ), ou a energia transformada ( ∆E ), por unidade de tempo ( ∆t ):

Relação entre a potência útil ( Pútil )

Pm = F ⋅ vm ⋅ cos θ

B p

(2)

(1) B

UNIDADES DE MEDIDA Rendimento ( η )

Relacionando a potência de uma força com a intensidade de uma força, temos que:

2

NÃO depende da trajetória!

Potência de uma força ( Pm )

∆E ∆t

m ⋅ vA

Q

POTÊNCIA E RENDIMENTO

=

A q A p

Energial Potencial Elástica

τ

2

Trabalho de uma força conservativa é igual à energia potencial inicial menos a energia potencial final do corpo.

Ep, gravitacional = m ⋅ g ⋅ h

∆t

m ⋅ vB

Teorema da Energia Potencial

Energia potencial ⇒ Energia armazenada, associada à posição.

Pm =

B

d

Trabalho da força resultante é igual à variação de energia cinética do corpo 2 2

Energia potencial

Energia Potencial Gravitacional

vB

A

 FB

h

 FR

vA

Energia cinética ⇒ Energia associada ao movimento.

e a potência total (Ptotal ) fornecida:

Trabalho e Energia SI: [τ ] = [E] = J ( joule, equivalente a N ⋅ m) Unidade prática: [P] = kWh (quilowatt-hora, equivalente a 3,6 ⋅ 106 J)

Conversão

η=

Pútil

Ptotal

1kWh = 3, 6 ⋅ 106 J

Potência SI: [P] = W (watt, equivalente a J / s)

38



FÍS

TRABALHO E ENERGIA: CONSERVAÇÃO E APLICAÇÕES PRÁTICAS

8

ENERGIA MECÂNICA A energia mecânica de um sistema é a soma da energia cinética com a energia potencial ( que pode ser gravitacional e/ou elástica).

Emec = Ec + Ep

Energia cinética

⇒ Ec =

m ⋅ v2 2

Energia potencial ⇒ Epgravitacional = m ⋅ g ⋅ h

Epelástica =

k ⋅ x2 2

SISTEMAS CONSERVATIVOS Nos sistemas conservativos apenas forças conservativas realizam trabalho, não modificando a energia mecânica do sistema. A 36 km/h

C

Exemplo: Um carro de montanha russa, com massa m = 1000 kg, sem atrito, parte do repouso do ponto A. Calcule a velocidade do carro no ponto B, admitindo que o ponto A está a uma altura h = 5 m do ponto B. (Adote g = 10 m/s²).

Solução:

36 km/h

B

Ecinética A + Epotencial A = Ecinetica B + Epotencial B

36 km/h

0 + m⋅ g⋅h =

Emec A = EmecB = Emec C

1000 ⋅ 10 ⋅ 5 =

Exemplos de forças conservativas:

m ⋅ vB2

+0 2 1000 ⋅ VB2

2 VB = 100 = 10m/s

Força peso, força elástica

SISTEMAS NÃO CONSERVATIVOS Nos sistemas não conservativos existem forças dissipativas que realizam trabalho e, com isso, ocorre transformação de parte da energia mecânica em outro tipo de energia.

 Fat

 N

 P

 V

EmecFinal = EmecInicial + τ dissipativa Exemplos de forças dissipativas: Forças de contato em geral (decomposta em atrito e normal), tração

Exemplo: Um carro de montanha russa, com massa m = 1000 kg, parte do repouso do ponto A e atinge um ponto B com velocidade de 5 m/s. Admitindo que o ponto A está a uma altura h = 5 m do ponto B, determine qual o trabalho realizado pela força de atrito no sistema (Adote g = 10 m/s2)

Solução: Ecinetica B + Epotencial B = Ecinética A + Epotencial A + τFat m ⋅ vB2

+ 0 = 0 + m ⋅ g ⋅ h + τ Fat 2 1000 ⋅ 92 = 1000 ⋅ 10 ⋅ 5 + τ Fat 2 τ Fat = −9500 J

39



FÍS

9

DINÂMICA IMPULSIVA

IMPULSO, QUANTIDADE DE MOVIMENTO E TEOREMA DO IMPULSO Impulso

Impulso de uma força variável

Quantidade de movimento

  Q =m⋅ v

  I = F ⋅ ∆t

F

Teorema do impulso

O impulso resultante de um sistema de forças sobre um corpo é igual à variação da quantidade de movimento.

Área 0

   IR = Q final − Q inicial

t

t2

t1

I =N Área

SISTEMAS ISOLADOS. SISTEMAS ISOLADOS COM VELOCIDADE RELATIVA Centro de massa

Sistema Isolado

Admitindo um sistema de pontos materiais P1, P2,..., Pn e de massas m1, m2,..., mn, respectivamente. O ponto C de coordenadas (xCM, yCM) obtidas através das médias ponderadas:

 F2

Sistema

 F1

 Fn

Pn(xn,yn)

 F3

  ΣFexternas = 0

P2(x2,y2)

 Q sistema = cte

C(xcm,ycm)

P1(x1,y1)

  Q inicial = Q final

m1 ⋅ x1 + m2 ⋅ x2 + ... + mn ⋅ xn

xCM =

m1 + m2 + ... + mn

m1 ⋅ y1 + m2 ⋅ y 2 + ... + mn ⋅ yn

y CM =

    m1 ⋅ v1 + m2 ⋅ v 2 + ... = mA ⋅ v 'A + mB ⋅ v 'B + ...

m1 + m2 + ... + mn

Se um sistema é isolado, o centro de massa permanece em seu estado de movimento original (repouso ou movimento uniforme)

COLISÕES antes do choque

v1

m1

v2

m2

durante o choque

depois do choque

m1

v '2

v '1

m1 m2

Coeficiente de restituição e=

m2

  Q inicial = Q final

m1 ⋅ v1 + m2 ⋅ v 2 = m1 ⋅ v '1 + m2 ⋅ v '2 Adotando um referencial positivo para as velocidades. Caso o vetor velocidade esteja no sentido oposto, temos v<0

Coeficiente de restituição Energia Energia Quantidade de movimento

v afastamento

=

Choque elástico

Choque inelástico

v aproximação

v '2 − v '1 v 2 − v1

Choque perfeitamente inelástico

e=1

0<e<1

e=0

Conserva-se

Dissipação parcial

Dissipação máxima

Conserva-se

Conserva-se

Conserva-se

40



FÍS

GRAVITAÇÃO

10 LEIS DE KEPLER

Ra

Rp

A2

θ F

df

Terceira lei de Kepler: a lei dos períodos

∆t2

m

r

M F

Segunda lei de Kepler: a lei das áreas

Cubo do semieixo maior (d3)

Primeira Lei de Kepler: a lei das órbitas

∆t1

A1

Foco

Foco

d Todos os planetas se movem em orbitas elípticas tendo o Sol como um dos focos.

50.000

Netuno

10.000

Urano

1.000 Jupiter

100 10 1

Marte Terra Venus 10 100 Mercúrio

Saturno

1.000 10.000

Quadrado do período (T2) 3

d

Se ∆t1 = ∆t2 , A1 = A 2

T2

= cte

FORÇA E CAMPO GRAVITACIONAL Força Gravitacional

F = G⋅

m1 ⋅ m2

Campo Gravitacional

g

d2

g = g0 =

Ponto no interior do astro (d < r).

R2

Ponto na superfície do astro (d = r).

Varia linearmente com a distância medida a partir de seu centro.

Onde:

G⋅m

G = 6, 67 ⋅ 10 −11 N ⋅ m2 / Kg2

R

d Ponto a uma distância d do centro do astro (d > r).

g=

G⋅m d2

ÓRBITAS CIRCULARES Velocidade de escape

Velocidade de órbita circular de um satélite:

Vcirc =

G⋅m d

Período da órbita circular:

T = 2π

Ve =

Hipérbole

d3 G⋅m

Parábola

Emec = −

G ⋅M⋅m d

V < Vcirc

Órbita elíptica

V = Vcirc

Órbita circular

Vcirc < V < Ve

Órbita elíptica

V = Ve

Trajetória é parabólica e não constitui uma órbita

V > Ve

Trajeória é um arco de hipérbole e não constitui uma órbita.

Elipse

+

Energia mecânica:

2 ⋅ G ⋅M = 2 ⋅ Vcirc r

Círculo

41



FÍS

11

ESTÁTICA

DEFINIÇÃO E APLICAÇÕES Equilíbrio do ponto material

Tipos de equilíbrio

  ΣF = 0 ⇔ R = 0

Equilíbrio estável G

Tipos de equilíbrio de corpo rígido estável

instável

indiferente

Equilíbrio instável

G

G

Base

fora de base

G= centro de gravidade

TORQUE Torque de uma força Decompondo a força, temos:

M = Fa ⋅ b   Fy = F ⋅ senβ

β

Equilíbrio de um corpo extenso MF = MF + MF X

Y

MF = 0 + Fa ⋅ senβ

 F

c   Fx = F ⋅ cos β

 NB

A

 F

 P

B

Equilíbrio de Translação (centro de massa em repouso ou em M.R.U.); ΣM = 0 Equilíbrio de rotação (em relação a qualquer ponto do corpo).

d EXEMPLO Duas crianças, cujos pesos estão indicados em newtons, se equilibram em uma gangorra. Determine o valor da força vertical N e a posição x da segunda criança. x

500N

x y

 ΣF = 0

O

2m

x

 NA

SOLUÇÃO Determinamos o valor de N pela condição de equilíbrio de translação:  ΣF = 0 ⇒ 500 + 400 + 50 = N ⇒ N = 950N Determinamos o valor de x pela condição de equilíbrio de rotação, calculando os momentos em relação ao eixo de apoio da gangorra.

N

50N

Alavancas interfixas

ΣM = 0 500 ⋅ 2 = 400 ⋅ x ⇒ x = 2,5m

400N

Alavancas inter-resitentes

Alavancas interpotentes apoio

apoio  F  R

 R

 F

apoio  F

 R

F ⋅ dF,apoio = R ⋅ dR,apoio 42



FÍS

12

HIDROSTÁTICA

CONCEITOS BÁSICOS Densidade de um corpo

d=

Massa específica de um material

m V

µ=

onde V é o volume ocupado por um corpo de massa m.

Pressão (p)

m V

p=  F

onde V é o volume ocupado por uma massa m de um determinado material.

F A

A

PRESÃO HIDROSTÁTICA E LEI DE STEVIN Pressão hidrostática

Lei de Stevin

hM M

Consequência

Dois pontos na mesma horizontal de um mesmo fluido em equilíbrio têm a mesma pressão.

µ1

patm + µ1 ⋅ g ⋅ h1 = patm + µ2 ⋅ g ⋅ h2

pM = pATM + µH

2O

h2

h1 1

⋅ g ⋅ hM

1

No ponto M, a pressão atua em todas as direções

2

3

4

5

µ2 2

p1 = p2

p1 = p2 = p3 = p 4 = p5

patm + µ1 ⋅ g ⋅ h1 = patm + µ2 ⋅ g ⋅ h2

PASCAL E ARQUIMEDES Princípio de Pascal

F1

A1

 F1

=

Princípio de Arquimedes e empuxo  E

F2

A2

A1

 Ppato

 F2

A2

“O acréscimo de pressão produzido sobre um líquido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido.”

 E

Vdeslocado

 Pdeslocado

E = Pdeslocado Todo corpo mergulhado num fluido (líquido ou gás) fica sujeito a uma força vertical para cima, exercida pelo líquido, sendo a intensidade dessa força igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.

E = µfluído ⋅ Vdeslocado ⋅ g 43



FÍS

13

TERMOFÍSICA: CONCEITOS INICIAIS E DILATAÇÃO

ENERGIA TÉRMICA, CALOR E TEMPERATURA Energia térmica

Calor

Energia associada à agitação térmica (energia cinética total das moléculas).

Energia térmica em trânsito.

CORPO QUENTE

CORPO FRIO

Temperatura

átomos com maior agitação

Grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos.

átomos com menor agitação

ESCALAS TERMOMÉTRICAS ESCALA KELVIN

ponto de ebulição da água ponto de solidificação da água

ESCALA CELSIUS

ESCALA FAHRENHEIT

373,15 K

100ºC

212ºF

273,15 K

0ºC

32ºF

0K

-273,15ºC

-459ºF

zero absoluto

Relações C = K − 273

C F − 32 = 5 9 K − 273 F − 32 = 5 9

DILATAÇÃO Dilatação térmica: O aumento da temperatura aumenta a agitação das partículas que formam esse corpo. Esse afastamento resulta em um aumento das dimensões do corpo.

Dilatação linear

∆L

Dilatação superficial

L0

S0

L

S

∆S = S0 ⋅ β ⋅ ∆T S = S0 ⋅ (1 + β ⋅ ∆t)

com β = 2 ⋅ α

∆L = L0 ⋅ α ⋅ ∆T e L = L0 ⋅ (1 + α ⋅ ∆T) Dilatação volumétrica

V0

V

Dilatação volumétrica dos líquidos

∆V = V0 ⋅ γ ⋅ ∆T V = V0 ⋅ (1+ γ ⋅ ∆T)

com γ = 3 ⋅ α

V0 T0

aquecimento

V

Líquido extravasado

T

∆Vreal = ∆Vaparente + ∆Vre cipiente , com γ real = γ ap + γ rec

44



FÍS

14

TERMOFÍSICA: TROCAS DE CALOR

CONDUÇÃO, CONVECÇÃO E IRRADIAÇÃO Condução térmica

Convecção térmica

Transporte de energia sem transporte de matéria. Ocorre principalmente nos sólidos. Extremidade menos quente

Irradiação térmica

Transferência de calor por meio de transporte de matéria, devido a uma diferença de densidade e à ação da gravidade.

Extremidade menos fria

Transferência de calor por meio de ondas eletromagnéticas. Se propaga no vácuo.

Congelador Ar frio Extremidade quente

Extremidade fria

IRRADIAÇÃO

Ar quente

Calor

CALOR ESPECÍFICO E CAPACIDADE TÉRMICA Calor específico (c)

Capacidade térmica (CT)

Quantidade de calor necessária pra variar em um grau a temperatura de uma unidade de massa.

c=

Q m ⋅ ∆T

Substância

Razão entre a quantidade de calor trocada (cedido ou recebido) e a correspondente variação de temperatura.

CT =

Calor específico (cal/g.ºC)

Amônia(Líquida)

1,125

Lítio

1,041

Água

1

Q e CT = m ⋅ c ∆T

IMPORTANTE

Cobre

0,0921

Alumínio

0,214

Ferro

0,107

A capacidade térmica (CT) é uma propriedade de um corpo, e o calor específico (c) é uma propriedade da substância que constitui o corpo.

CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE Calor sensível

Recebe Calor

Gelo a 0ºC

SENSÍVEL

Recebe Calor

LATENTE

120 Vaporização

100

or

p Va

o

Q s = m ⋅ c ⋅ ∆T

Gelo a -20ºC

Água a 0ºC

Líquid

Temperatura (ºC)

Troca de calor onde há apenas alteração na temperatura dos corpos envolvidos.

Calor Latente

Recebe Calor

SENSÍVEL

Recebe Calor Água a 100ºC LATENTE

0 -20

Q L = m ⋅L

Calor Recebido

Sól

Troca de calor onde há mudança de estado físico.

ido

Fusão

Vapor a 100ºC

Recebe Calor

SENSÍVEL

Vapor a 120ºC

EQUILÍBRIO TÉRMICO E SISTEMA ISOLADO 1

2

Q1,recebido Entorno

Q 2, cedido

Dois corpos, em um sistema isolado, trocam calor (Q) de forma a atingir o equilíbrio térmico, ou seja, atingem uma temperatura comum.

∑Q = Q + Q 1

2

+ ... + Q n = 0

com Q recebido > 0 e Q cedido < 0

45



FÍS

TERMOFÍSICA: TRANSFORMAÇÕES GASOSAS

15

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Energia interna

Trabalho realizado por um gás

Soma da energia cinética com a energia potencial associada à configuração das partículas de um gás.

Pressão

Vfinal > Vinicial

∆T = 0 ⇒ ∆U = 0 ∆T > 0 ⇒ ∆U > 0

W>0

∆T < 0 ⇒ ∆U < 0

Expansão gasosa

W

Energia interna U1

Trabalho realizado pelo gás sobre a vizinhança.

Volume

1ª da Termodinâmica

Pext

Pext

Pgas

Pgas

Q

∆V > 0 W>0

Compressão gasosa

Energia interna U2

Vfinal < Vinicial Pressão

Um sistema gasoso recebe calor do meio externo. A energia pode ser armazenada no sistema ( ∆U ) e/ou pode ser utilizada na realização de trabalho (W)

W<0

Q = ∆U + W

Volume

∆V < 0 W<0

Trabalho realizado pela vizinhança sobre o gás (sofrido pelo gás).

TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Equação de Clapeyron

Lei geral dos gases

p ⋅ V = n⋅R ⋅ T

Lei que relaciona dois estados diferentes de uma transformação gasosa, desde que não haja variação na massa do gás.

Pressão em N/m volume em m3 e temperatura em Kelvin: 2

R = 8,31

J mol ⋅ K

Pressão em atm volume em litros e temperatura em Kelvin:

Transformação

Gráficos

Relações

Isobárica (pressão cte)

τ

W = p ⋅ ∆V

Isocórica (volume cte)

W=0

Isotérmica (temperatura cte)

τ

Q=W ∆U = 0

Adiabática

τ

Q =0 ∆U = − W

p1 ⋅ V1 p2 ⋅ V2 = T1 T2

atm ⋅ l R = 0,082 mol ⋅ K

τ

Cíclica

∆U = 0 Q=W

horário τ >0

TRANSFORMAÇÕES CÍCLICAS E RENDIMENTO

Q1 MOTOR Q2 fonte fria

W

η=

W Q1

ou

η = 1−

Q fria

Q quente

fonte quente

Q fria

Q1 = W + Q 2

Q1 REFRIGERADOR

Q2

fonte fria

W

η=

η=

Q quente

Q2

D

W

ou Q fria

Q quente − Q fria

Pressão

W = Q1 − Q 2

fonte quente

Ciclo de Carnot

Refrigerador

Motor

C

Para motores: T η = 1 − fria Tquente

Tfria

=

Tquente

QFQ

A1 e A2 = Adiabáticas

A A1

QFF

T1 e T2 = Isotérmicas

T1 B

T2 A2

Volume

46



QUÍMICA



QUI

ESTRUTURA DA MATÉRIA

1 SUBSTÂNCIAS PURAS Substância pura simples

Substância pura composta

Mesmo arranjo de átomos de um único elemento.

Mesmo arranjo de átomos de mais de um elemento.

O O O

O

O O

O O

O O

O O

O

O

H

O

H

H H

EXEMPLO: Oxigênio (O2)

O

H

O

H

O

H H

O

O

H

H

H

O H

O

gasoso

PE

O H

• Densidade característica. • PE(ponto de ebulição) e PF(ponto de fusão) constantes. temperatura

EXEMPLO: Água (H2O)

H

PF

líquido sólido tempo

MISTURAS PE(ponto de ebulição) E/OU PF(ponto de fusão) variáveis

Mistura homogênea

Mistura heterogênea

Mais de uma substância com uma única fase (solúveis entre si).

Mais de uma substância com mais de uma fase (insolúveis entre si).

temperatura gasoso

∆PE

água + sal

sólido

água

tempo

EXEMPLO: Água (H2O) e Óleo

EXEMPLO: Água (H2O) e Sal (NaC )

líquido

∆PF

óleo

Se PF é constante: mistura eutética Se PE é constante: mistura azeotrópica

SEPARAÇÃO DE MISTURAS Dissolução

Filtração Passa-se a mistura por uma superfície porosa (filtro) que retém o sólido. poeira + ar

Destilação fracionada Aquecimento e separação pela diferença do tempo de ebulição das substancias. Os sólidos são mantidos no recipiente inicial.

petróleo

Dissolve-se apenas uma substância da mistura e separa-se a outra por filtração.

gás gasolina querosene diesel óleo combustível

Sifonação

Espera-se o tempo necessário para o composto mais denso se sedimentar.

Utilizando um sifão, passa-se o liquido mais denso da mistura para outro recipiente.

água + sal

poeira ar

Decantação

areia + sal

óleo

areia

Levigação Como a densidade dos componentes da mistura é diferente, utiliza-se um fluxo de fluído (líquido ou gás) para separá-las.

água +areia

água

areia

água

Extração

Flotação O sólido se anexa à superfície de bolhas de gás fazendo com que se separe do líquido. pó de serra água areia + pó de serra

água

Utilizando-se um solvente ocorre a transferência de um ou mais solutos da mistura para o solvente utilizado. hortelã

chá

areia

compressor de ar

água

hortelã

49



QUI

ESTRUTURA ATÔMICA

2 ESTRUTURA Dalton – Bola de bilhar

Thomson – Pudim de passas

-

+ • Indestrutível • Indivisível • Maciço

+

-

elétrons

+

- +

Rutherford – Modelo planetário

-

• Cargas negativas distribuídas uniformemente em uma esfera de carga positiva.

• Átomo é um grande vazio • Núcleo pequeno e positivo • Elétrons orbitam (eletrosfera)

Sommerfeld – Órbitas elípticas

Nuvens de elétrons – Orbitais

Böhr – Níveis de energia n=1 n=2

5s 5p

n=3

radiação em forma de luz

A ZX

Número de massa Número atômico

5f

• Introdução da mecânica quântica. • Orbital = maior probabilidade de se encontrar elétrons (máximo dois, um spin up e um spin down).

Isótopos

Isóbaros

Isótonos

Mesmo número de massa

Mesmo numero atômico

Mesmo número de nêutrons

H (hidrogênio) H (deutério)

H (trítio)

quantidade de prótons

3s

1s

• Órbita elípticas. • Introdução da relatividade restrita. • Números quânticos azimutal (ou secundário) e magnético. • Subníveis de energia: s, p, d e f

1 1 2 1 3 1

prótons+nêutrons

2p

5d

• Níveis de energia = camadas. • Elétrons emitem radiação, quando saltam de uma camada superior para uma inferior. • Não existem elétrons fora das camadas ou entre elas. Simbologia de um átomo

núcleo

2s

14 6

C (carbono-14)

11 5

14 7

N (nitrogênio)

12 6

B (boro) C (carbono)

n = 11 − 5 = 12 − 6 = 6

DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA Diagrama de Pauling s

p

camadas

nível

K

1

1s

L

2

2s

2p

M

3

3s

3p

N

4

4s

4p

O

5

5s

P

6

Q

7

subnível

d

f

máximo de elétrons por nível

2

8 18

3d

• Energia crescente no sentido do diagrama. • Camada de Valência, maior nível atingido. Nem sempre a camada de valência é a mesma do subnível de maior energia. EXEMPLO

Ni

4d

4f

32

5p

5d

5f

32

Ordem crescente de energia

6s

6p

6d

18

1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 4s2 ,3d8

7s

7p

2

Ordem de camadas eletrônicas

2

6

10

14

máximo de elétrons por subnível

28

subnível de maior energia

2 2 2 1s , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 3d8 , 4s  , 2s          K N L

M

última camada ou camada de valência

50



QUI

3

TABELA PERIÓDICA E MASSA ATÔMICA

PADRÃO DE MASSA

12

C

Padrão de massas atômicas foi baseado no carbono-12

dividido em 12 partes

1u=

1 do átomo de 12C 12

Massa atômica de um elemento químico = média ponderada das massas atômicas dos isótopos.

1u

(unidade de massa atômica)

CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA 1 IA

18 VIIIA 2 IIA

ns1 ns2

13 IIIA

Representativos Transição interna Transição externa

nd1

nd10

14 IVA

15 VA

16 17 VIA VIIA

ns2

np1 np2 np3 np4 np5 np6

nf1

Período determinado pelo maior nível de energia Família determinado pelo subnível mais energético

Famílias de elementos representativos • IA ou 1 : Metais alcalinos • IIA ou 2: Metais alcalino-terrosos • IIIA ou 13: Família do boro • IVA ou 14: Família do carbono • VA ou 15: Família do nitrogênio • VIA ou 16: Calcogênios • VIIA ou 17: Halogênios • VIIIA ou 18: Gases Nobres

nf14

PROPRIEDADES PERIÓDICAS Raio atômico

Energia de Ionização

Eletronegatividade

Afinidade eletrônica

Eletropositividade

Densidade

Reatividade

Pontos de Fusão e Ebulição

0 + X (g) + energia → X (g)

51



QUI

4

LIGAÇÕES QUÍMICAS

TIPOS DE LIGAÇÃO PROPRIEDADES

Ligação Iônica Na

+

C

+ +

C

Na

C

Na

-

C

• Retículos cristalinos. • Sólidos e quebradiços. • Ligação Forte. • Elevados pontos de fusão e ebulição. • Fundidos ou em solução aquosa são bons condutores de corrente elétrica.

+

Na

cátion (+)

C

-

ânion (-)

+

Na

METAL + AMETAL

C H C

H

H

TIPOS DE LIGAÇÃO

PROPRIEDADES

Ligação Covalente

C AMETAL + AMETAL

• Compartilhamento de elétrons da camada mais externa (valência). • Formação de moléculas (normalmente). • Péssimos condutores de corrente elétrica.

Ligação Simples

H

H C

Cl

Ligação Dupla

O

O

O

Ligação Tripla

N

N N

N

Ligação Metálica + + + +

+

-

+

-

+

-

+

-

+ +

-

+ +

-

+ +

-

+ +

+ + + + + + + +

O

Ligação Coordenada

O

S O

O S

O

Todas as ligações covalentes comuns já realizadas. Existência de pelo menos um par de elétrons não compartilhados e um átomo instável.

PROPRIEDADES

• Brilho metálico. • Ótimos condutores de corrente elétrica e calor. • Sólidos nas condições ambientes (exceto Hg). • Ductibilidade. • Maleabilidade.

Cátion Elétrons livres

Metal perde elétrons = torna-se cátion Elétrons livres (-) vagam entre os cátions.

METAL + METAL (MAR DE ELÉTRONS)

TEORIA VSEPR E GEOMETRIA MOLECULAR Número Estérico

2

0 pares de

e −não ligantes 180°

O C O

F

3

120°

B

1 par de

F

4

C H

S O

F H

e −não ligantes

109°28'

H

H

Num. Estérico = Num. Ligantes + Num. de Pares de

2 pares de

O

H

N H

e −não ligantes

H

107.8°

O H

105°

H

e − não compartilhados (base átomo central)

52



QUI

POLARIDADE E FORÇAS INTERMOLECULARES

5

ELETRONEGATIVIDADE E POLARIDADE DE LIGAÇÃO Nuvem de elétrons em uma ligação química: Eletronegatividade alta ⇒ Atração da nuvem eletrônica.

Eletronegatividade : potencial de atração de elétrons. Quanto menor o raio atômico, maior sua eletronegatividade.

 µ

Escala: F > O > N > C >Br> I >S>C>P>H (Flúor é o elemento mais eletronegativo)

δ+ H

C

δ−

C

H

δ+ δ−   µ ≠0

Momento Bipolar

POLARIDADE MOLECULAR Apolares

Polares

(momento dipolar resultante igual a zero).

(momento dipolar resultante diferente de zero).

 µr ≠ 0



 µr = 0 

 µ1

µ2

µ1

µ2

 µ1

   µ1 + µ2 = 0

O C O

δ− δ+ δ−

δ−

δ+

µr

O

µ2

H

H +

µ2

δ

 µ1

µr = µ1 + µ2 ≠ 0

FORÇAS INTERMOLECULARES Ligação de hidrogênio

Íon - dipolo

Dipolo permanente - dipolo induzido

Dipolo - dipolo

Forças de London

Momento Bipolar −

δ

+

δ−

+

Molécula polar + Íon

δ

+

δ δ+ δ−

δ− δ+

Ligação de Hidrogênio

δ+

δ+ − δ

δ+

δ−

δ+

δ−

δ+ind

δ−ind

δ+inst δ−inst

δ+ind δ−ind

Dipolo instantâneo

H em uma molécula polar + (F, O ou N) em outra molécula.

FORTE

δ−

Molécula polar + Molécula polar.

Molécula polar + Molécula apolar.

INTENSIDADE DA FORÇA ALTOS ALTA

Solubilidade • “Semelhante só solubiliza semelhante”. • Apenas substâncias com forças intermoleculares de magnitudes comparáveis são solúveis entre si.

PONTOS DE FUSÃO E EBULIÇÃO TENSÃO SUPERFICIAL

Dipolo induzido

Molécula apolar + Molécula apolar

FRACA BAIXOS BAIXA

EXEMPLOS • HC (polar) é bastante solúvel em água (polar) • Iodo (apolar) é bastante solúvel em tetracoloreto de carbono (apolar) • Iodo é pouco solúvel em água

53



QUI

FUNÇÕES INORGÂNICAS

6

DEFINIÇÃO DE ARRHENIUS H2O HA   → H+(aq) +A-(aq)

(

Ácido produz como único cátion H ou H3O +

H2O BOH   → B+(aq) +OH-(aq) +

Sais são produtos de uma reação de neutralização.

Base produz como único ânion, o íon OH− (hidroxila)

)

ÁCIDOS NOMENCLATURA:

NOMENCLATURA:

Hidrácidos (não têm oxigênio)

Oxiácidos (possuem oxigênio)

Hx A

perclórico

Per...ico

Ácido + (nome de A) + ídrico Exemplo: HC Ácido Clorídrico

NOMENCLATURA Ânions

Prefixo + nome de ânion + sufixo

HCO 4

...ico

clórico

HCO3

sulfúrico

...oso

cloroso HCO2

Hipo...oso

hipocloroso HCO

H2SO 4

nítrico

HNO3

fosfórico

sulforoso

nitroso

fosforoso H3PO3

H2SO3

H3PO 4

HNO2

Ácido

carbônico H2CO3

...oso ...ico ...ídrico

Ânion

...ito ...ato ...eto

hipofosforoso H3PO2

FORÇA DOS ÁCIDOS: Hidrácidos

FORÇA DOS ÁCIDOS: Oxiácidos

HC , HBr e HI

Ácido Forte

HF

Ácido Moderado

Demais

Ácido Fraco

Sendo β=[Número de átomos de oxigênio] menos o [Número de átomos de hidrogênio ionizáveis]

β≥ 2

Ácido Forte

HCO 4 ,H2SO 4

β=1

Ácido Moderado

H3PO 4 ,H2SO3

β=0

Ácido Fraco

HCO ,H3BO3

BASES NOMENCLATURA:

B(OH)x

FORÇA E SOLUBILIDADE:

Exemplo: NaOH - Hidróxido de sódio

Hidróxido + de + B (nome do cátion)

Fracas Moderadas Fortes      Demais bases<Bases de metais alcalino - terrosos<Bases de metais alcalinos     insolúveis

pouco solúveis

solúveis

Exceção:

NH4OH

Base fraca e solúvel

SAIS NOMENCLATURA:

Exemplo:

Nome do ânion (do ácido)+de+nome do cátion

NaC - Cloreto de sódio

SOLUBILIDADE: Nitratos (NO3− ), Cloratos(CO3− )e Acetatos(CH3COO − )

Solúveis

Cloreto (C ),Brometo(Br ) e Io det o (I ).

Solúveis

Exceções: Ag+ , Hg22+e Pb2+

Sulfatos (SO )

Solúveis

Exceções: Ca2+ , Sr 2+ , Ba2+ e Pb2+

Insolúveis

Exceções: metais alcalinos, alcalinoterrosos e NH+4

Insolúveis

Exceções: metais alcalinos e NH+4

2− 4

Sulfetos (S2− ) Carbonatos (CO ) e Fosfatos(PO ) 2− 3

3− 4

ÓXIDOS Óxidos são compostos binários em que o oxigênio é o elemento mais eletronegativo.

NOMENCLATURA:

Óxido + de + (elemento)

Classificação Ácidos

CO2 +H2O → H2CO3

• Reagem com água formando ácido. • São todos moleculares.

Básicos

Na2O+H2O → 2NaOH

• Reagem com água formando base. • São todos iônicos.

Anfóteros • Reagem tanto com ácido como com base.

ZnO, Al2O3

OBSERVAÇÃO

• Nomenclatura de óxidos Moleculares que formam mais de uma substância química Prefixos: mono (opcional), di, tri, tetra, penta, etc. para indicar a quantidade de átomos de cada elemento

Neutros • Não reagem com água, ácido ou base.

CO, NO,N2O

N2O5

pentóxido de dinitrogênio

• Compostos iônicos de cátion que possui de duas valências (hidróxidos e óxidos) Hidróxido (ou óxido) + nome do cátion de menor valência + oso Hidróxido (ou óxido) + nome do cátion de menor valência + ico ou Hidróxido (ou óxido) + de + nome do cátion + valência do cátion

Fe(OH)2 Hidróxido ferroso ou Hidróxido de ferro II

FeO

Fe(OH)3 Hidróxido férrico ou Hidróxido de ferro III

Fe2O3 Óxido férrico ou Óxido de ferro III

Óxido ferroso ou Óxido de ferro II

54



QUI

7

REAÇÕES INORGÂNICAS

REAÇÕES INORGÂNICAS ADIÇÃO Dois ou mais reagentes formam um único produto. Exemplo:

1 H2 + O2 → H2O 2

A+B → C

SIMPLES TROCA Substância simples reage com substância composta, originando nova substância simples e nova substância composta pelo deslocamento entre seus elementos.

AB+C → CB+A

DECOMPOSIÇÃO Um único reagente gera dois ou mais produtos.

A → B+C

Exemplo:

Δ CaCO3(s)  → CaO(s) +CO2(g)

DUPLA TROCA Duas substâncias compostas reagem originando outras duas substâncias compostas.

AB + CD → AD + BC

Metais

CONDIÇÕES DE OCORRÊNCIA

Ocorre a reação se C e A forem metais, e C for mais reativo que A. Reatividade dos metais e hidrogênio: Li > K > Ca > Na > Mg > A > Zn > Cr > Fe >

• Forma-se pelo menos um produto insolúvel Exemplo:

H2SO 4(aq) + Ba(OH)2(aq) → 2H2O(l) + BaSO 4(s)   

Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

insolúvel

Exemplo: 2 Na  + Fe  C 2 → 2NaC + Fe + reativo

• Forma-se pelo menos um produto menos ionizado (mais fraco) Exemplo:

−reativo

Ametais

HC (aq) + NaOH(aq) → NaC (aq) +

Ocorre a reação se C e A forem ametais, e C for mais reativo que A. Reatividade dos ametais:

F > O > C > Br > I > S

 + H2 Exemplo: C 2 + reativo

S

H2O 

menos ionizado

• Forma-se pelo menos um produto mais volátil. Exemplo: CaCO3(s) + 2HC (aq) → CaC 2(aq) + H2O(l) + CO2(g) 

→ 2HC + S

mais volátil

−reativo

REAÇÕES DE NEUTRALIZAÇÃO São denominadas reações de neutralizaçãoas quais tanto o ácido quanto a base são consumidos e novos produtos são formados.

HX (aq) + BOH(aq) → BX (aq) + H2O(l)

NEUTRALIZAÇÃO TOTAL

NEUTRALIZAÇÃO PARCIAL

• É formado um sal de caráter neutro. • Reação entre um ácido e uma base de força semelhante.

• A quantidade de íons hidroxila (OH) e hidrogênio (H) dissociados é diferente. • Forma-se um sal ácido ou um sal básico.

Exemplo:

HC (aq) +NaOH(aq) → NaC (aq) +H2O(l)

Exemplo: H2CO3(aq) +NaOH(aq) → NaHCO3(aq) +H2O(l)  Sal ácido

HC (aq) +Mg(OH)2(aq) → Mg(OH)C (aq) +H2O(l)   Sal básico

PROBLEMAS AMBIENTAIS CHUVA ÁCIDA • Aumento da acidez da água das chuvas. • Decorrente da liberação de: a) óxidos de nitrogênio ( NO x ) b) dióxido de carbono ( CO2 ) c) dióxido de enxofre ( SO2)

Os óxidos (ácidos) reagem com a água das nuvens, formando ácido nítrico, ácido carbônico e ácido sulfúrico. Exemplo:

2NO2(g) +H2O(l) → HNO3(aq) +HNO2(aq)

DEPLEÇÃO DO OZÔNIO • Destruição da camada de ozônio. • Decorrente principalmente da emissão de clorofluorcarbonetos (CFC), muito utilizado em aerossóis. Exemplos: hν CC 3F  → CC 2F+C C +O3 → O2 +CO CO+O3 → 2O2 +C

SMOG FOTOQUÍMICO • Grande concentração de massa de poluentes estagnada, sofre uma reação fotoquímica produzindo uma camada roxo-acinzentada. • O ozônio reage com os hidrocarbonetos, formando álcoois, cetonas e aldeídos, como, formaldeído e a acroleína.

55



QUI

8

CÁLCULOS QUÍMICOS

Molécula

Massa molecular

• Conjunto de átomos que estabelecem ligações covalentes entre si. • Representada pelo número de átomos dos elementos que a compõe. O hidrogênio oxigênio

H2O

massa de H=1u ⇒ massa de H2O =18 u  massa de O =16 u

H

H

nº de átomos de hidrogênio

• Massa de uma molécula. • Soma das massas dos átomos que compõem a molécula. EXEMPLO: massa de H2O = 2×massa de H+1×massa de O

Quando há só um átomo do elemento o número 1 pode ser suprimido

Mol

Massa Molar Ca

H2O

N2

massa atômica/molecular

40u

18u

28u

massa molar

40g/mol

18g/mol

Quantidade de matéria: medida em mol

1 dúzia de ovos

1 mol de carbono

1mol contém 6,02 ⋅1023 entidades (constante de Avogadro)

1 dúzia de

1 mol de átomos

6,02 ⋅1023 átomos

1 mol de moléculas

6,02 ⋅1023 moléculas

1 mol de fórmulas

6,02 ⋅1023 fórmulas

6,02×10

bolas de tênis

bolas de baseball

átomos de Ca

= 3 kg

= 8 kg

= 40 g

28g/mol 23

moléculas de H2O

= 18 g

CÁLCULOS QUÍMICOS n=

Fórmula: Quantidade de matéria (em nº de mols)

m (massa) M (massa molar)

= equivale a

Legenda:

Quantidade de matéria

Massa

Volume (gás na CNTP)

Nº de partículas

1 mol

Massa molar

22,4L

6,02 ⋅1023

1 mol de água H2O

18 g de água

22,4L de H2O(g)

6,02 ⋅1023 moléculas de água

Considerando uma amostra de 36 gramas de água de massa molar MH2O =18 g mol 1mol → 18 gramas 36 ⇒ x= = 2 mol 18 x mol → 36 gramas

1mol → 6,02 ⋅ 1023 partículas ⇒ y = (2 ⋅ 6,02×1023 )partículas 2 mol → y partículas

∴ x = 2mol de água

∴ y =12,04 ⋅ 1023 partículas de água

Há na amostra 2 mols de àgua.

Há na amostra 12,04 · 1023 partículas de àgua.

CÁLCULO DE FÓRMULAS Em 5,32 gramas de pirofosfato de sódio existem 1,84 gramas de sódio, 1,24 gramas de fósforo e 2,24 gramas de oxigênio. O sódio possui massa molar MNa = 23 g mol , o fósforo possui massa molar MP = 31g mol o oxigênio possui massa molar MO =16 g mol . A substância possui massa molar Mpirofosfato = 226g mol .

Fórmula Percentual Porcentagem de massa do sódio

1,84 ⋅ 100% = 34,59% 5,32 Porcentagem de massa do fósforo 1,24 ⋅ 100% = 23,31% 5,32 Porcentagem de massa do oxigênio 2,24 ⋅ 100% = 42,10% 5,32 Fórmula percentual:

Na34,59%P23,31%O 42,10%

Fórmula Mínima

Fórmula Molecular

Partindo da fórmula percentual, divide-se a porcentagem de massa de cada elemento pela sua respectiva massa molar.

Supondo que tivéssemos apenas a fórmula mínima da substância

Na :

23,31 34,59 P: = 0,75 =1,5 31 23 42,10 O: = 2,6 16

Se não forem inteiros, divide-se todos pelo menor. Se ainda houver um não inteiro, multiplicam-se todos por um inteiro conveniente.

Fórmula mínima:

Na4P2O7

Massa molar da fórmula mínima: Mm = 4 ⋅ 23+2 ⋅ 31+7 ⋅16 = 226 Determinar n =

Mpirofosfato Mm

=

266 =1 266

Multiplicar a fórmula mínima por n para obtermos a fórmula molecular.

Fórmula molecular:

n ⋅ (Na4P2O7 ) = Na4P2O7

56



QUI

ESTEQUIOMETRIA

9 LEIS PONDERAIS Lei de Lavoisier

Lei de Proust

Lei de Dalton

Lei de conservação das massas

Lei das proporções constantes

Lei das proporções múltiplas

"Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". • Num sistema fechado, massa dos produtos =massa dos reagentes.

“Uma determinada substância pura contêm sempre os mesmos elementos combinados na mesma proporção em massa, independente da sua origem.”

“Se uma massa fixa de um elemento se combina com massas diferentes de um segundo elemento, estas massas estão em uma relação de números inteiros pequenos.”

BALANCEAMENTO DE REAÇÕES - MÉTODO ALGÉBRICO Atribuir coeficientes algébricos à equação para serem futuramente determinados por meio da resolução de um sistema.

Passo 2) Monta-se e resolve-se o sistema, igualando a quantidade de cada átomo dos produtos e dos reagentes. 2x = 2y (para o Nitrogênio) x = y  y =1  Supondo x =1 ⇒   4x = 2z (para o Hidrogênio) ⇒  2x = z z = 2 3x = y +z (para o Oxigênio) 

NH4NO3 → N2O+H2O

EXEMPLO:

Passo 1) Nomeiam-se os coeficientes. Passo 3) Substitui-se os coeficientes encontrados.

xNH4NO3 → yN2O+zH2O

1NH4NO3 → 1N2O+2H2O

ESTEQUIOMETRIA Utiliza-se os coeficientes das reações balanceadas para determinar a quantidade de cada composto presente na reação.

O2

H2O

2 mol

1 mol

2 mol

Quantidade de massa

2 ⋅ MH = 2 ⋅ 2g

MO = 2 ⋅ 32g

2 ⋅ MH O = 2 ⋅ 18g

Volume de gás na CNTP

2 ⋅ 22, 4L

22, 4L

2 ⋅ 22, 4L

H2

Dada uma reação balanceada:

Quantidade de Mol

2H2 +O2 → 2H2O Coeficientes na razão 2:1:2

2

2 ⋅ 6,02 ⋅ 10

Nº de moléculas Exemplo: Qual a massa de H2 necessária para formar 6 mol de H2O? 2H2 Estequiométrica

2H2O

2 ⋅ MH = 2 ⋅ 2g

2 mol

xg

6 mol

2

Real

Real

Exemplo: Para se formar 6,02 · 1023 moléculas de H2O, qual o volume necessário de O2(g) na CNTP? 1O2 Estequiométrica

2H2O

22,4L

2 ⋅ 6,02 ⋅ 10

yL

Real

22, 4 ⋅ 60,2 ⋅ 1023 12,04 ⋅ 1023 ⇒ y = 112L y=

23

6,02 · 1023

2

H2 :

1mol → 2 g ⇒ x = 2 mol x mol → 4 g

O2 :

1mol → 32 g y mol → 64 g

massa da substância pura ⋅ 100 massa da amostra

Exemplo: 120 g de Mg com 80% de pureza reage com O2 produzindo MgO. Qual a massa de MgO produzida?

Estequiométrica

2 ⋅ 6,02 ⋅ 1023

6,02 ⋅ 1023

(MMg = 24 g mol e MMgO = 40g mol)

Mg

MgO

48g

80g

(0,8 · 120)g

xg

0,8 ⋅ 120 ⋅ 80 48 ⇒ x = 160 g x=

2

2

Como a proporção estequiométrica é 2:1, O2 está em excesso (1 mol de excesso).

Calcula-se a quantidade de mols de cada um dos compostos:

Excesso: Reagente que sobrará após o limitante ser consumido.

2Mg + O2 → 2MgO

23

2

Exemplo: Suponha que 4g de hidrogênio foram postas para reagir com 64g de oxigênio. Sabemos que a equação balanceada da reação é: 2H2 + 1O2 → 2H2O e que MH = 2g mol, MO = 32g mol e MH O = 18 g mol

Limitante: limita a quantidade de produto produzido, por ser totalmente consumido.

%Pureza =

4⋅6 x= ⇒ x =12 g 2

2

⇒ y = 2 mol

A quantidade de produto será ditada pelo H2.

%Rendimento =

quantidade de produto obtida ⋅ 100 quantidade de produto teórica

Exemplo: Qual a massa de CaO produzida pela decomposição térmica de 200 g de CaCO3 com rendimento de 80%?

CaCO3 → CaO + CO2 CaCO3

(MCaCo = 100 g mol ; MCaO = 56 g mol) 3

CaO

Estequiométrica

100g

(0,8 · 56)g

Real

200g

yg

0,8 ⋅ 56 ⋅ 200 100 ⇒ y = 89,6 g y=

57



QUI

10

TRANSFORMAÇÕES GASOSAS

VARIÁVEIS DE ESTADO DE UM GÁS Gás: fluido elástico, impossível de ser liquefeito só por um aumento de pressão ou só por uma diminuição de temperatura. Volume Molar

Volume • Gases são trabalhados, geralmente, em sistemas fechados • Independentemente da quantidade de partículas, o gás ocupará por completo o volume do frasco que o contém

GÁS A GÁS B

• Volume ocupado por um mol de determinada substância. Na CNTP* o volume molar de um gás é 22,4L.

A mesma quantidade de gás em frascos diferentes ocupará volumes diferentes.

1 mol de He=22,4L

volume volume 2V V

Pressão

He

CO2

1 mol de CO2=22,4L

Temperatura

“Gases executam movimentos caóticos, ocasionando colisões de suas partículas com as paredes do recipiente. O somatório da força do choque, de cada partícula, por unidade de área atingida é a pressão exercida pelo gás” Medida em Pascal (Pa, N m2 ) ou em atmosferas atm) ou em milímetros de mercúrio (mmHg)

“Medida do grau de agitação das partículas do gás” • Diretamente proporcional a energia cinética das partículas do gás • Medida na escala Kelvin (K)

0°C = 273,15K

1atm= 760mmHg=101325Pa =1,013bar

*CNTP (condições normais de temperatura e pressão) 273,15 K (0 °C) / 1 atm(101 325 Pa) / Vmolar = 22, 4L

CPTP (condições padrão de temperatura e pressão) 273,15 K (0 °C) / 105 Pa(1 bar) / Vmolar = 22,7L

TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Lei de Boyle (temperatura constante)

Lei de Gay-Lussac (volume constante)

pressão

P1 ⋅ V1 =P2 ⋅ V2

P

P2 P1 T1

T2

P1 T1

volume

Lei de Charles (pressão constante)

T2

T (K)

Hipótese de Avogadro

V

V1 V2 = T1 T2

P2

P1 P2 = T1 T2

“Volumes iguais de gases quaisquer à mesma pressão e temperatura contêm o mesmo número de moléculas.”

V2

0ºC 1 atm

V1 T1

T2

22,4L He

22,4L CO2

6,02 ⋅ 1023

moléculas

T (K)

22,4L CH4

6,02 ⋅ 1023

moléculas

6,02 ⋅ 1023

moléculas

GÁS IDEAL Composto de partículas puntiformes • Não a interação intermolecular • Todas as colisões perfeitamente elásticas • Partículas movem-se desordenadamente Gás real se comporta como gás ideal quando sujeito a • Pressão baixa • Alta temperatura

Obedece a lei geral dos gases ideais (consequente das leis citadas à cima)

pV =nRT

Sendo R:

8,31

J mol ⋅ K

ou 0,082

atm ⋅ L mol ⋅ K

ou

62,3

mmHg ⋅ L mol ⋅ K

58



QUI

MISTURAS GASOSAS

11

FRAÇÃO MOLAR, VOLUME E PRESSÃO PARCIAL Volume Parcial

Pressão Parcial

“Volume parcial é o volume que um dos componentes da mistura possuiria se estivesse sozinho e submetido à mesma pressão e temperatura da mistura.”

“Pressão parcial é apressão que um dos componentes da mistura possuiria se estivesse sozinhoe com mesmo volume e temperatura da mistura.”

Ar

He

He

He

Ar Ar

He

He

Ar Ar

Ar

He He

VA =

PA =

Lei de Amagat “A soma dos volumes parciais é igual ao volume total da mistura.”

He He

Pressão da Mistura

nARTmistura Pmistura

He

He

He

Ar

Volume Parcial do He

He

He

Ar

He

Volume da Mistura

Ar Ar

He

He

He

He

He

Pressão Parcial do He

nARTmistura Vmistura

Lei de Dalton “A soma das pressões parciais é igual à pressão total da mistura”

nA

Fração molar de um gás A (XA), componente da mistura: X A = n

=

total

VA P = A Vtotal Ptotal

MASSA MOLAR APARENTE EXEMPLO: Composição percentual do ar atmosférico

Relação entre a soma das massas e o número de mols, totais, dos gases da mistura.

78% de Nitrôgênio

m Map = total ntotal

21% de Oxigênio 1% de Argônio

Então, XN2= 0,78, XO2= 0,21 e XAr= 0,01. Portanto,

Determinada pela média ponderada entre as massas molares de cada componente na mistura

Map = MN ⋅ XN +MO ⋅ X O +MAr ⋅ X Ar

Map = MA ⋅ X A +MB ⋅ XB +...

2

2

2

2

Map = 28 ⋅ 0, 78 +32 ⋅ 0, 21+ 40 ⋅ 0, 01= 28, 96 g/mol

DIFUSÃO E EFUSÃO Difusão é a propriedade de dois ou mais gases misturarem-se espontaneamente homogeneamente, quando colocadas em presença uma das outras.

N2 1 atm

O2 1 atm

N2 0,5 atm O2 0,5 atm

Efusão é a passagem de um gás através de pequenos orifícios, como poros.

N2 0,5 atm O2 0,5 atm

Lei de Graham “A velocidade de difusão e de efusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade.”

vA ρ MB = B = vB ρA MA 59



QUI

12

SOLUÇÕES

SOLUBILIDADE Capacidade do solvente de dissolver o soluto, varia dependendo do soluto e do solvente, suas quantidades e a temperatura a que estão submetidos. Solução saturada

Coeficiente de solubilidade

Contém a máxima quantidade de soluto numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura.

+

Solução insaturada

=

+ 50g de NaC

Mais soluto dissolvido que o coeficiente de solubilidade

Curvas de solubilidade

Solubilidade de gases (Lei de Henry)

Coeficiente de solubilidade (g do soluto /100g de água)

100g de H2O

25g de NaC

Soluções supersaturadas (instáveis)

Indica o máximo de soluto que uma determinada quantidade de solvente é capaz de dissolver.

Solução saturada

= 100g de H2O

14g de corpo de fundo Quantidade máxima de soluto dissolvido: 50g - 14g = 36g

KNO3

120 100 80 60 40 20

“A solubilidade de um gás em um líquido, a determinada temperatura, é diretamente proporcional à pressão parcial que o gás exerce sobre o líquido.”

K2CrO4 NaC Ce2(SO4)3

20

40

60

80 Temperatura (ºC)

ENTALPIA EM SOLUÇÕES solubilidade (g do soluto /100g de água)

Dissolução Endotérmica • Absorção de energia. • Frasco da reação esfria.

• Liberação de energia. • Frasco da reação esquenta.

∆H > 0

Quanto maior a temperatura maior a solubilidade.

solubilidade (g do soluto /100g de água)

Dissolução Exotérmica

temperatura Dissolução Endotérmica

∆H < 0

Quanto maior a temperatura maior a solubilidade.

temperatura Dissolução Exotérmica

MEDIDAS DE CONCENTRAÇÃO Molaridade Molaridade (M) indica quantos mols de soluto estão presentes num determinado volume de solução expresso em litros.

m=

Concentração comum

n1

C=

Concentração comum (C) indica a massa de um soluto num determinado volume de solução.

V

(mol/L)

Densidade

m1

Densidade ( ρ ) de uma solução é a relação entre a sua massa e o volume ocupado por ela.

V

(g/L)

Sendo m1 a massa de soluto e V o volume da solução.

Sendo n1 o número de mols do soluto e V o volume da solução.

Sendo m a massa da solução e V o seu volume.

ρ=

m V

Unidades mais utilizadas g/cm3 = g/mL g/dm3 = g/L kg/dm3 = kg/L

MISTURA DE SOLUÇÕES Quando misturamos duas soluções alteraremos tanto a quantidade de soluto quanto a quantidade de solvente Com mesmo soluto

Com solutos diferentes (ou diluição de soluções)

m1(A) + m1(B) = m1(final) n1(A) + n1(B) = n1(final)

C(A) ⋅ V(A) + C(B) ⋅ V(B) = C(final) ⋅ V(final)

m(A) ⋅ V(A) +m(B) ⋅ V(B) =m(final) ⋅ V(final)

Os cálculos da concentração e da molaridade final devem ser feitos separadamente para cada soluto Concentração final de A C(A) ⋅ V(A) = C(final) ⋅ V(final)

Com V(A) + V(B) = V(final)

+ NaOH 0,15 mol/L V=200mL

0,15 ⋅ 0, 2 + 0, 2 ⋅ 0,1 0,3 = 0,17mol/L

NaOH x mol/L V=300mL

m(A) ⋅ V(A) = m(final) ⋅ V(final)

Com V(A) + V(B) = V(final)

0,1 = 0, 05mol/L 2 0, 2 mC12H22O11 = 2 = 0,1mol/L

mNaCl =

+

x= NaOH 0,30 mol/L V=100mL

Molaridade final de A

0,1 mol de NaC V=1L

0,2 mol de C12H22O11 V=1L

0,1 mol de NaC e 0,2 mol de C12H22O11 V=2L

60



QUI

PROPRIEDADES COLIGATIVAS

13 DIAGRAMA DE FASES pressão fase sólida

pcr ppt

fase líquida

ponto triplo Tpt

Curva de fusão: limita as regiões das fases sólida e líquida.

fluído supercrítico ponto crítico

Ponto triplo: ponto comum as três curvas, equilíbrio entre as três fases

Curva de vaporização: limita as regiões das fases líquida e gasosa

fase gasosa

Ponto crítico: Além deste ponto é impossível ocorrer mudança de estado modificando apenas um dos fatores (pressão ou temperatura).

Curva de sublimação: limita as regiões das fases sólida e gasosa

Tcr

temperatura

PRESSÃO MÁXIMA DE VAPOR

êmbolo móvel

êmbolo móvel

êmbolo móvel

Influência da temperatura

fase intermediária

Para um líquido entrar em ebulição, é necessário que a pressão de vapor seja igual à ambiente.

pressão de vapor nível do mar

34,6°C

78,3°C

100°C

líquido em ebulição

Água

fase de equílibrio dinâmico

pressão atmosférica

pv

Álcool Éter

fase inicial

Ponto de Ebulição

O aumento da temperatura acarreta num aumento da pressão de vapor de um líquido. 760mm Hg

A pressão interna na situação de equilíbrio é chamada de pressão máxima de vapor.

*Panela de pressão: temperatura de ebulição da água aumenta

temperatura

PROPRIEDADES COLIGATIVAS Tonometria

Ebuliometria

Criometria

Abaixamento da pressão de vapor de um solvente através da adição de um soluto molecular não volátil.

Aumento na temperatura de ebulição de um solvente através da adição de um soluto não volátil.

Abaixamento na temperatura de congelamento de um solvente através da adição de um soluto molecular não volátil.

Solvente puro

Solução diluída

Solução concentrada

H2O pura PE=100ºC

Criometria Ebuliometria Tonometria

fase líquida fase sólida

Solução aquosa de glicose 2 molar ∆PE=1,04ºC PE=101,04ºC

H2O pura 0ºC

Solução aquosa de glicose 1 molar ∆PF=-1,86ºC PF=-1,86ºC

Solução aquosa de glicose 2 molar ∆PF=-3,72ºC PF=-3,72ºC

Osmometria: Passagem de um solvente por uma membrana semipermeável de um meio hipotônico (menos concentrado) para um meio hipertônico (mais concentrado).

Propriedades coligativas e diagrama de fases pressão (atm)

Solução aquosa de glicose 1 molar ∆PE=0,52ºC PE=100,52ºC

MSP

solução

após um certo tempo

solvente

MSP

solução mais diluída

osmose meio isotônico

fase gasosa temperatura (ºC)

meio hipotônico

solvente

meio hipertônico

Pressão Osmótica ( π ): Pressão para impedir a osmose.

π = m⋅ R ⋅ T m= molaridade

R = constante universal dos gases T = temperatura

concentração relativa de sal movimento das moléculas de água

Compostos iônicos ou que formam íons Quando temos um soluto de natureza iônica, cada mol do composto gera um mol de cada íon (caso seja um eletrólito forte), aumentando o efeito coligativo. Exemplo: 1 mol de NaCl dissolvido em 1 litro de água tem um efeito coligativo duas vezes maior que 1 mol de glicose em um litro de água.

61



QUI

14

TERMOQUÍMICA

Variação de entalpia

∆H = HProdutos − HRe agentes

Calor trocado a pressão constante:

Fatores que influenciam na variação de entalpia Quantidade de reagentes e produtos

Reações Exotérmicas

Reações Endotérmicas

Temperatura

Liberam energia na forma de calor.

Absorvem energia na forma de calor.

Pressão: mudanças efetivas apenas em

A + B → C + D + Calor

A + B + Calor → C + D

Fase de agregação: energia da fase sólida>

HR

HP

∆H

HP

substancias gasosas e na ordem de 1000 atm

Energia da fase líquida>Energia da fase gasosa

∆H

HR

Variedade alotrópica: forma mais estável menos energética e menos estável mais energética.

HP > HR ⇒ ∆H > 0

HP < HR ⇒ ∆H < 0

Presença de solvente

Variação de entalpia da reação global é a soma das variações de entalpia de cada etapa

Lei de Hess

∆Hglobal = ∆H1 + ∆H2 + ...

EXEMPLO

I

C(graf ) + O2(g) → CO2(g)

∆H = −393kJ/mol

II

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(  )

∆H = −571kJ/mol

III

CO2(g) + 2H2O(  ) → CH4(g) + 2O2(g)

∆H = +889kJ/mol

Global C(graf ) + 2H2(g) → CH4(g) LEMBRE-SE: Invertendo a equação, inverte-se também o sinal do ∆H

∆H = −393 − 571 + 889 = −75kJ/mol LEMBRE-SE: Multiplicando uma equação por um número, multiplica-se também o ∆H

A + B → C ∆Hreação

A +B → C

C → A + B −∆Hreação

2A + 2B → 2C 2 ⋅ ∆Hreação

Energia de Ligação

Entalpia padrão de formação

Calor necessário para romper um mol de ligações.

Calor trocado na reação de formação de 1 mol de determinada substância, a partir de substâncias simples, à temperatura de 25°C ou 298°K, pressão de 1 atm, em fase de agregação comum e na forma alotrópica mais estável.

H2(g) → 2H(g) ∆H = +104 kcal C 2(g) → 2C (g) ∆H = +58 kcal Na formação de ligações, (energia liberada).

∆H < 0

H(g) + C (g)→ HC (g) ∆H = −103 kcal

1 1 H + C → 1HC (g) 2 2(g) 2 2(g)

EXEMPLO

∆H

H2(g)

+

C 2(g)

(H − H)

( C − C )

+104

+58

+162 kcal (absorvido)

+

2HC (g)

(

2 H − C

)

2 ⋅ ( −103) -206 kcal (liberado)

∆H = +162 − 206 = −44kcal

o f ,HC

= −22kcal

IMPORTANTE: Entalpia padrão de formação de substâncias simples é zero. Variação de entalpia de uma reação em função das entalpias padrão de formação:

∆Hreação

Calor de Combustão Calor trocado na combustão completa de 1 mol de determinada substância. ∆H < 0 , pois sempre há liberação de energia nas combustões. EXEMPLOS

1CH4(g) + 2O2(g) → 1CO2(g) + 2H2O ∆Hcombustão = −212,8 kcal

1C(graf )+1O2(g) → 1CO2(g) ∆H=-94,1kcal

∆HRe ação = ∆Hof , Produtos − ∆Hof , Re agentes

62



QUI

15

CINÉTICA QUÍMICA

OCORRÊNCIA E VELOCIDADE DA REAÇÃO Teoria das Colisões

Velocidade Média

Gráfico Cinético

Para que uma reação química ocorra: • Afinidade entre as partículas. • Geometria favorável. • Energia suficiente para vencer a energia de ativação.

Energia (kJ/ mol)

O3

Complexo ativado

NO

Suponha uma reação:

aA + bB → cC + dD

O2

NO2

Velocidade média:

Vm =

∆[A] ∆[B] ∆[C] ∆[D] = = = a ⋅ ∆t b ⋅ ∆t c ⋅ ∆t d ⋅ ∆t

Coordenada de reação ou caminho de reação

FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO Concentração

Pressão

Temperatura

Quanto maior a concentração, maior a probabilidade de colisões efetivas entre as partículas. Logo maior a velocidade da reação.

Quanto maior a pressão num sistema maior o número de colisões entre as partículas, portanto, maior a velocidade da reação.

Aumento da temperatura representa um aumento na energia cinética das partículas, causando choques mais frequentes e mais violentos, aumentando a velocidade da reação.

P1

V1

P2

V1 2

Superfície de contato

Natureza dos Reagentes

Luz e Eletricidade

Área de um determinado reagente efetivamente exposta aos demais reagentes. Quanto maior a superfície maior a velocidade.

Quanto maior o número de ligações a serem rompidas e quanto mais fortes elas forem, mais lenta é a reação.

Aumentam a efetividade de determinadas reações e, portanto, a velocidade.

VELOCIDADE DE REAÇÃO E ENERGIA DE ATIVAÇÃO Quanto maior a energia de ativação, menor a velocidade de reação.

Catalisador: Substância que aumenta a

velocidade da reação, diminuindo a energia de ativação dos reagentes. • Não sofre alteração na sua massa • Se a reação for reversível, não desloca o equilíbrio.

Inibidor: Substância que diminui a velocidade

A

B

da reação através do aumento da energia de ativação dos reagentes.

Eat

Complexo ativado sem catalisador

Ecat Hr

Diminuição da energia de ativação provocada pelo catalisador Energia de ativação com catalisador

com catalisador

Hp

∆H Produtos Caminho da reação

LEI DE VELOCIDADE Suponha uma reação:

aA + bB → cC + dD

v = k ⋅ [A]α [B]β • α e β determinados experimentalmente. • K constante de velocidade; aumenta com a temperatura • α + β ordem da reação. • Em uma reação elementar α e β são os coeficientes estequiométricos de “A” e “B” respectivamente.

Reações Elementares aA + bB → cC + dD

Ocorrem numa única etapa.

v = k ⋅ [A]a [B]b

Reações Não Elementares • Ocorrem em mais de uma etapa. • Etapa lenta determina a velocidade da reação.

H2 + 2NO → N2O + H2O (lenta)

H2 + N2O → N2 + H2O (rápida) 2H2 + 2NO → N2 + 2H2O (global)

1

v = k ⋅ H2  NO 

2

63




www.cursomed.com.br


Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.