Energia

Energia é uma grandeza física que se conserva, isto é, a quantidade total de energia nunca muda. Em termos diferentes, entende-se que energia é a capacidade de realizar trabalho. Existem diversas formas de energia intercambiáveis entre si, ou seja, que podem transformar-se umas nas outras. Apesar disso, quando transformada, a energia pode sofrer degradações em razão da entropia, tornando-se menos útil a cada transformação.

No âmbito da física no Ensino Médio, algumas formas de energia são mais estudadas que outras, como:

• Energia cinética

• Energia mecânica

• Energia potencial gravitacional

• Energia potencial elástica

• Energia térmica

• Energia elétrica

• Energia nuclear

Veja também: Ondas eletromagnéticas - definição, fórmulas e principais características

O que é energia para a física?

O significado de energia para a física é bastante abstrato: trata-se de uma quantidade que sempre é conservada, ou seja, que nunca muda, independentemente de qual seja o fenômeno estudado.

Para que um corpo possa realizar trabalho ou, ainda, mudar de temperatura, é preciso que algum corpo transfira parte de sua própria energia para ele. Essa energia transferida entre corpos pode sofrer transformações, e, por isso, pode ser expressa de muitas formas: potencial, cinética, térmica, elétrica, química, nuclear e outras.

De acordo com o SI, a unidade de medida da energia é joule (J). Por definição, 1 joule é a quantidade de energia que precisa ser transferida para que um objeto mova-se um metro contra a ação de uma força externa de 1 N. Além do joule, existem outras unidades de medida de energia, como a caloria.

A caloria é a energia necessária para que, em condições normais de pressão (1 atm), 1 g de água sofra um aquecimento de 1 ºC. A relação quantitativa entre as unidades joule e caloria foi aferida, pela primeira vez, pelo físico James Prescott Joule (1818-1889). De acordo com as descobertas de Joule, a equivalência mecânica do calor é tal que 1 joule equivale a 4,1 cal.

Como mencionado, um corpo dotado de energia é capaz de realizar trabalho, isto é, tem a capacidade de produzir movimento contra a ação de alguma força externa. Um exemplo disso é quando nos movemos contra a ação da força da gravidade — ao fazê-lo, adquirimos energia potencial gravitacional. Essa energia adquirida, entretanto, não foi criada do nada: ela foi transformada, já que, para movermo-nos contra a gravidade, nosso corpo consumiu certa quantidade de energia no processo. Entenda, a seguir, qual é a relação entre o trabalho e a energia.

Formas de energia

Existem muitas formas de energia, por isso, neste tópico listaremos as mais importantes e descreveremos suas principais características, confira:

• Energia cinética: todo corpo que se move é dotado de energia cinética. Essa forma de energia depende do quadrado da velocidade com que o corpo move-se e é proporcional à sua massa.

• Energia mecânica: é definida como a soma da energia cinética com todas as formas de energia potencial de um sistema físico. Quando não há forças dissipativas, a energia mecânica é conservada.

• Energia potencial gravitacional: quando um corpo está posicionado a alguma altura em relação ao solo, ele apresenta energia potencial gravitacional. Essa forma de energia está relacionada à massa, à gravidade e à altura do corpo em relação ao chão.

• Energia potencial elástica: todo corpo que tende a retornar ao seu formato original após ter sido deformado apresenta uma quantidade de energia potencial elástica. Essa energia depende do quadrado da deformação do corpo.

• Energia elétrica: é o nome popular usado para designar a energia potencial elétrica. A atração entre cargas dá origem a ela. Essa energia depende do produto entre as cargas e é inversamente proporcional à distância que as separa.

• Energia térmica: é a soma da energia cinética das partículas de um corpo. Essa energia é diretamente relacionada à temperatura absoluta do corpo, medida em kelvin. Além disso, a transferência de energia térmica entre corpos é chamada calor.

• Energia nuclear: tem origem nas forças atrativas que mantêm o núcleo atômico coeso. Quando o núcleo dos átomos é desintegrado, ele emite energia em forma de radiação corpuscular e ondulatória.

Caso tenha maior curiosidade sobre o tema deste tópico, leia nosso texto: Formas de energia.

Relação entre trabalho e energia

Trabalho e energia são grandezas de mesma dimensão, ou seja, ambas são medidas em joules. O trabalho pode ser calculado pelo produto interno entre os vetores força e deslocamento. Portanto, a componente da força que é paralela à direção da distância percorrida pelo corpo contribui para a realização do trabalho, enquanto a componente perpendicular não promove qualquer realização de trabalho.

Em outras palavras, a parte da força que aponta na direção do deslocamento do corpo promove a transferência de energia para esse corpo. A figura a seguir traz a fórmula usada para calcular o trabalho realizado pela aplicação de uma força, confira:

F – força (N)

d – distância (m)

θ – ângulo entre força e trabalho (º)

Além da definição anteriormente exposta, sabemos que a realização de trabalho sobre um corpo promove uma variação de energia cinética. Essa variação é determinada pelo teorema do trabalho e da energia cinética, mostrado a seguir:

E_C^F e E_cⁱ – Energias cinética final e inicial

De acordo com esse teorema, a realização de um trabalho equivale à mudança da energia cinética, calculada pela diferença entre a energia cinética final e inicial.

Veja também: Corrente elétrica – como calculá-la e quais são suas principais propriedades

Conservação da energia

Como foi dito, a energia é uma grandeza que é conservada, ou seja, a quantidade total de energia em um sistema fechado é mantida constante, no entanto, também é verdade que a energia sofre transformações e passa a expressar-se de outras formas.

Imagine um sistema em que um skate é colocado para oscilar em uma pista de formato côncavo. Com o passar do tempo, o movimento do skate cessará, já que toda a energia cinética e potencial gravitacional associada a ele é gradativamente convertida em energia térmica, graças à ação das forças de atrito entre os rolamentos e também entre as rodas do skate e o chão.

Apesar de a energia mecânica do skate ter sido reduzida, a energia total associada a ele ainda foi mantida constante: se somássemos toda a quantidade de energia térmica produzida durante a oscilação dele, descobriríamos que não ocorre “perda de energia”.

Apesar de não ter ocorrido perda, dizemos que a energia mecânica que foi transformada em energia térmica trata-se de uma energia dissipada, mas dizemos isso porque, depois de ter sido transformada em energia térmica, a energia mecânica não poderá ser revertida para sua natureza original, pelo menos não integralmente. É como se a energia tivesse perdido qualidade e agora não fosse tão útil quanto antes. O fenômeno que explica a degradação da energia é conhecido como entropia.

Graças ao fenômeno da entropia, descrito pela 2ª lei da termodinâmica, não é possível que qualquer sistema físico opere por tempo indefinido. De acordo com essa premissa, nenhuma máquina pode obter um rendimento de 100%. Em outras palavras, o moto-contínuo, também conhecido como motor perpétuo, não existe.