Física

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Objectivos de aprendizagem

Ao final desta secção, poderá:

  • Explicar a lei da conservação de energia.
  • Descrever algumas das muitas formas de energia.
  • Definir a eficiência de um processo de conversão de energia como a fração deixada como energia útil ou trabalho, ao invés de ser transformada, por exemplo, em energia térmica.

Lei de Conservação de Energia

Energia, como notamos, é conservada, tornando-a uma das quantidades físicas mais importantes na natureza. A lei de conservação de energia pode ser afirmada da seguinte forma:

A energia total é constante em qualquer processo. Ela pode mudar de forma ou ser transferida de um sistema para outro, mas o total permanece o mesmo.

Exploramos algumas formas de energia e algumas formas de transferência de um sistema para outro. Esta exploração levou à definição de dois grandes tipos de energia-mecânica energética (KE + PE) e energia transferida através de trabalho feito por forças não-conservadoras (Wnc). Mas a energia assume muitas outras formas, manifestando-se de muitas maneiras diferentes, e precisamos ser capazes de lidar com todas elas antes de podermos escrever uma equação para a declaração geral de conservação de energia acima mencionada.

Outras formas de energia que não a energia mecânica

Neste ponto, lidamos com todas as outras formas de energia, agrupando-as num único grupo chamado outra energia (EO). Então podemos afirmar a conservação de energia em forma de equação como KEi + PEi +Wnc +OEi = KEf + PEf + OEf.

Todos os tipos de energia e trabalho podem ser incluídos nesta afirmação muito geral de conservação de energia. A energia cinética é KE, o trabalho feito por uma força conservadora é representado pelo PE, o trabalho feito por forças não conservadoras é Wnc, e todas as outras energias são incluídas como OE. Esta equação aplica-se a todos os exemplos anteriores; nestas situações a EO era constante, pelo que subtraiu e não foi directamente considerada.

Fazer Ligações: Utilidade do Princípio de Conservação de Energia

O fato de a energia ser conservada e ter muitas formas a torna muito importante. Você verá que a energia é discutida em muitos contextos, porque ela está envolvida em todos os processos. Tornar-se-á também evidente que muitas situações são melhor compreendidas em termos de energia e que os problemas são muitas vezes mais facilmente conceptualizados e resolvidos considerando a energia.

Quando é que o EO desempenha um papel? Um exemplo ocorre quando uma pessoa come. O alimento é oxidado com a liberação de dióxido de carbono, água e energia. Parte desta energia química é convertida em energia cinética quando a pessoa se move, em energia potencial quando a pessoa muda de altitude e em energia térmica (outra forma de equipamento original).

algumas das muitas formas de energia

O que são algumas outras formas de energia? Você provavelmente pode citar várias formas de energia que ainda não foram discutidas. Muitas delas serão abordadas em capítulos posteriores, mas vamos detalhar algumas aqui. A energia elétrica é uma forma comum que é convertida em muitas outras formas e funciona em uma ampla gama de situações práticas. Os combustíveis, tais como gasolina e alimentos, transportam energia química que pode ser transferida para um sistema através da oxidação. O combustível químico também pode produzir energia elétrica, como em baterias. As baterias podem, por sua vez, produzir luz, que é uma forma de energia muito pura. A maioria das fontes de energia na Terra são, de facto, energia armazenada a partir da energia que recebemos do Sol. Por vezes referimo-nos a isto como energia radiante, ou radiação electromagnética, que inclui luz visível, infravermelhos e radiação ultravioleta. A energia nuclear vem de processos que convertem quantidades mensuráveis de massa em energia. A energia nuclear é transformada em energia da luz solar, em energia elétrica em usinas elétricas e em energia da transferência de calor e da explosão em armas. Os átomos e as moléculas dentro de todos os objectos estão em movimento aleatório. Esta energia mecânica interna dos movimentos aleatórios é chamada energia térmica, porque está relacionada com a temperatura do objecto. Estas e todas as outras formas de energia podem ser convertidas umas nas outras e podem funcionar.

Tabela 1 dá a quantidade de energia armazenada, usada ou libertada de vários objectos e em vários fenómenos. A gama de energias e a variedade de tipos e situações é impressionante.

Estratégias de resolução de problemas para a energia

Você encontrará as seguintes estratégias de resolução de problemas úteis sempre que lidar com energia. As estratégias ajudam a organizar e reforçar os conceitos de energia. Na verdade, elas são usadas nos exemplos apresentados neste capítulo. As estratégias familiares de solução de problemas gerais apresentadas anteriormente – identificando princípios físicos, conhecimentos e desconhecidos, verificando unidades, e assim por diante – continuam a ser relevantes aqui.

Passo 1. Determinar o sistema de interesse e identificar que informação é dada e que quantidade deve ser calculada. Um esboço irá ajudar.

Passo 2. Examine todas as forças envolvidas e determine se você conhece ou recebe a energia potencial do trabalho realizado pelas forças. Depois use o passo 3 ou o passo 4.

Passo 3. Se você conhece as energias potenciais para as forças que entram no problema, então as forças são todas conservadoras, e você pode aplicar a conservação de energia mecânica simplesmente em termos de energia potencial e cinética. A equação que expressa a conservação de energia é KEi + PEi = KEf + PEf.

Passo 4. Se você conhece a energia potencial apenas para algumas das forças, possivelmente porque algumas delas não são conservadoras e não têm energia potencial, ou se existem outras energias que não são facilmente tratadas em termos de força e trabalho, então a lei de conservação de energia na sua forma mais geral deve ser usada.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

Na maioria dos problemas, um ou mais dos termos é zero, simplificando a sua solução. Não calcular Wc, o trabalho feito por forças conservadoras; já está incorporado nos termos PE.

Passo 5. Você já identificou os tipos de trabalho e energia envolvidos (no passo 2). Antes de resolver para o desconhecido, elimine termos sempre que possível para simplificar a álgebra. Por exemplo, escolha h=0 no ponto inicial ou final, para que o PEg seja zero lá. Depois resolva para o desconhecido da forma habitual.

Passo 6. Verifique a resposta para ver se ela é razoável. Uma vez resolvido um problema, reexamine as formas de trabalho e energia para ver se configurou correctamente a equação de conservação de energia. Por exemplo, o trabalho feito contra o atrito deve ser negativo, a energia potencial na base de uma colina deve ser menor do que a do topo, e assim por diante. Verifique também para ver se o valor numérico obtido é razoável. Por exemplo, a velocidade final de um skatista que desce uma rampa de 3 m de altura poderia ser razoavelmente 20 km/h, mas não 80 km/h.

Transformação de Energia

Figure 1. A energia solar é convertida em energia eléctrica por células solares, que é utilizada para fazer funcionar um motor nesta aeronave de energia solar. (crédito: NASA)

A transformação de energia de uma forma em outras está acontecendo o tempo todo. A energia química nos alimentos é convertida em energia térmica através do metabolismo; a energia luminosa é convertida em energia química através da fotossíntese. Num exemplo maior, a energia química contida no carvão é convertida em energia térmica à medida que arde para transformar água em vapor numa caldeira. Esta energia térmica no vapor, por sua vez, é convertida em energia mecânica à medida que gira uma turbina, que é ligada a um gerador para produzir energia eléctrica. (Em todos estes exemplos, nem toda a energia inicial é convertida nas formas mencionadas. Este ponto importante é discutido mais adiante nesta seção.)

Um outro exemplo de conversão de energia ocorre em uma célula solar. A luz do sol que incide sobre uma célula solar (ver Figura 1) produz electricidade que, por sua vez, pode ser utilizada para o funcionamento de um motor eléctrico. A energia é convertida da fonte primária de energia solar em energia elétrica e depois em energia mecânica.

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Tabela 1. Energia de Vários Objetos e Fenômenos
Objeto/Fenômeno Energia em joules
Big Bang 1068
Energia liberada em uma supernova 1044
Fusão de todo o hidrogénio nos oceanos da Terra 1034
Uso anual de energia mundial 4 × 1020
Bomba de fusão grande (9 megatoneladas) 3.8 × 1016
1 kg de hidrogénio (fusão em hélio) 6,4 × 1014
1 kg de urânio (fissão nuclear) 8,0 × 1013
Bomba de fissão de tamanho Hiroshima (10 kilotoneladas) 4.2 × 1013
90.000 toneladas de porta-aviões a 30 nós 1,1 × 1010
1 barril de petróleo bruto 5.9 × 109
1 tonelada TNT 4,2 × 109
1 galão de gasolina 1.2 × 108
Utilização diária de electricidade doméstica (países desenvolvidos) 7 × 107
Abrigo diário para adultos (recomendado) 1.2 × 107
1000 kg de carro a 90 km/h 3.1 × 105
1 g de gordura (9,3 kcal) 3,9 × 104
Reacção de hidrólise do ATP 3.2 × 104
1 g de hidratos de carbono (4,1 kcal) 1,7 × 104
1 g de proteína (4.1 kcal) 1,7 × 104
Bola de ténis a 100 km/h 22
Mosquito (10-2 g a 0,5 m/s) 1,3 × 10-6
Electrão único num feixe de tubo de TV 4.0 × 10-15
Energy to break one DNA strand 10-19

Eficiência

Enquanto a energia é conservada num processo de conversão de energia, a saída de energia útil ou trabalho será menor do que a entrada de energia. A eficiência Eficiência Eficiência de um processo de conversão de energia é definida como

>>Eficiência (Efficiency) ===frac{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}frac{\i}{\i1}(Eficiência) =frac{\i}(Eficiência) =frac{\i}{\i}{\i}(Eficiência) =frac{\i}{\i}{\i1}(Eficiência) =frac{\i}(Eficiência) =frac{\i}(Eficiência) =frac{\i}(Eficiência) =frac Numa central eléctrica alimentada a carvão, por exemplo, cerca de 40% da energia química do carvão torna-se energia eléctrica útil. Os outros 60% se transformam em outras formas de energia (talvez menos úteis), como a energia térmica, que é então liberada para o meio ambiente através de gases de combustão e torres de resfriamento.

Tabela 2. Eficiência do Corpo Humano e Dispositivos Mecânicos
Atividade/dispositivo Eficiência (%)
Ciclismo e escalada 20
Nadar, superfície 2
Nadar, submerso 4
Ambalagem 3
Elevação 9
Motor a vapor 17
Motor a gasolina
Motor diesel 35
Central nuclear 35
Central eléctrica a carvão 42
Motor eléctrico 98
Luz fluorescente compacta 20
Aquecedor a gás (residencial) 90
Célula solar 10

PhET Explorations: Massas e Molas

Um laboratório realista de massas e molas. Pendure massas de molas e ajuste a rigidez e amortecimento das molas. Você pode até mesmo diminuir o tempo. Transporte o laboratório para diferentes planetas. Um gráfico mostra as energias cinéticas, potenciais e térmicas para cada mola.

Clique para executar a simulação.

Secção Resumo

  • A lei de conservação de energia afirma que a energia total é constante em qualquer processo. A energia pode mudar de forma ou ser transferida de um sistema para outro, mas o total permanece o mesmo.
  • Quando todas as formas de energia são consideradas, a conservação de energia é escrita em forma de equação como KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf + OEf, onde OE é todas as outras formas de energia além da energia mecânica.
  • As formas de energia comumente encontradas incluem energia elétrica, energia química, energia radiante, energia nuclear e energia térmica.
  • A energia é frequentemente utilizada para fazer trabalho, mas não é possível converter toda a energia de um sistema para trabalhar.
  • A eficiência Efeito de uma máquina ou humano é definida como {Eff}==frac{{{W}_{\i1}{\i1}{E}_{\i}{\i1}Extracto{\i}, onde Wout é a saída útil do trabalho e Ein é a energia consumida.

Perguntas Conceituais

  1. Cenário a seguir. Um carro para o qual a fricção não é desprezível acelera de descansar um morro abaixo, ficando sem gasolina após uma curta distância. O motorista deixa o carro descer o morro mais longe, depois sobe e sobre uma pequena crista. Ele então desce o morro até um posto de gasolina, onde trava até uma parada e enche o tanque com gasolina. Identifique as formas de energia que o carro tem, e como elas são alteradas e transferidas nesta série de eventos. (Ver Figura 2.)

    Figure 2. Um carro com fricção não negligenciável desce uma colina, sobre uma pequena crista, depois desce novamente e pára num posto de gasolina.

  2. Um carro com fricção não negligenciável desce uma colina, sobre uma pequena crista, depois desce novamente e pára num posto de gasolina.
  3. Um carro com fricção não negligenciável desce uma colina, depois desce novamente e finalmente pára num posto de gasolina.
  4. Um carro com fricção não negligenciável desce uma colina, depois desce novamente e finalmente pára num posto de gasolina. Cada uma destas posições é marcada com uma seta apontando para baixo.
  5. Descreva as transferências e transformações de energia para um dardo de arremesso, começando do ponto em que um atleta pega o dardo e terminando quando o dardo está preso no chão após ser lançado.
  6. Os dispositivos com eficiências inferiores a um violam a lei de conservação de energia? Explique.
  7. Liste quatro formas ou tipos diferentes de energia. Dê um exemplo de conversão de cada uma dessas formas para outra forma.
  8. Liste as conversões de energia que ocorrem quando se anda de bicicleta.

Problemas & Exercícios

  1. Usando valores da Tabela 1, quantas moléculas de DNA poderiam ser quebradas pela energia transportada por um único elétron no feixe de um tubo de TV antiquado? (Esses elétrons não eram perigosos em si mesmos, mas criavam raios x perigosos. Os modelos posteriores de TVs tubulares tinham uma blindagem que absorvia os raios x antes de escapar e expor os espectadores.)
  2. Usando considerações energéticas e assumindo uma resistência de ar desprezível, mostram que uma rocha atirada de uma ponte 20,0 m acima da água com uma velocidade inicial de 15.0 m/s atinge a água com uma velocidade de 24,8 m/s independente da direção de lançamento.
  3. Se a energia nas bombas de fusão fosse usada para suprir as necessidades energéticas do mundo, quantos dos 9 megatoneladas seriam necessários para um ano de fornecimento de energia (usando dados da Tabela 1)? Isto não é tão rebuscado quanto parece – existem milhares de bombas nucleares, e sua energia pode ser aprisionada em explosões subterrâneas e convertida em eletricidade, como a energia geotérmica natural é.
  4. (a) O uso da fusão de hidrogênio para fornecer energia é um sonho que pode ser realizado no próximo século. A fusão seria uma fonte de energia relativamente limpa e quase ilimitada, como pode ser visto na Tabela 1. Para ilustrar isto, calcule quantos anos as atuais necessidades energéticas do mundo poderiam ser supridas por um milionésimo da energia de fusão de hidrogênio dos oceanos. (b) Como este tempo se compara com eventos historicamente significativos, tais como a duração de sistemas econômicos estáveis?

Glossário

lei de conservação de energia: a lei geral de que a energia total é constante em qualquer processo; a energia pode mudar de forma ou ser transferida de um sistema para outro, mas o total permanece o mesmo

energia elétrica: a energia transportada por um fluxo de carga

energia química: a energia em uma substância armazenada nas ligações entre átomos e moléculas que podem ser liberadas em uma reação química

energia radiante: a energia transportada por ondas eletromagnéticas

energia nuclear: energia liberada por mudanças dentro dos núcleos atômicos, como a fusão de dois núcleos leves ou a fissão de um núcleo pesado

energia térmica: a energia dentro de um objeto devido ao movimento aleatório de seus átomos e moléculas que responde pela temperatura do objeto

eficiência: uma medida da eficácia da entrada de energia para fazer trabalho; energia útil ou trabalho dividido pela entrada total de energia

Soluções selecionadas para problemas& Exercícios

1. 4 × 104 moléculas

2. Equivalendo ΔPEg e ΔKE, obtemos v=\sqrt{2gh+v_0^2}=\sqrt{2{2}esquerda(9.80\texto{m/s}^2}direita){esquerda(20.0\texto{m}direita)+esquerda(15.0\texto{m/s}direita)^2}=24.8\texto{ m/s}

4. (a) 25 × 106 anos; (b) Isto é muito, muito mais longo que as escalas de tempo humanas.

  1. Valores representativos ↵

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