http://precisoaprenderlinguasestrangeiras.blogspot.com.br/

FÍSICA;Energia...;O que é energia?.; Conservação e transformação de energia ;A origem da energia presente nas fontes ;A energia solar .;


Energia...

Máquina a vapor de Marcelino Gauthier
Foto: Museu tecnológico da Argentina
Desde o início do século XX, a humanidade tem passado por um processo de transformações sem precedentes na História. A produção industrial e agrícola cresce continuamente, as cidades tornam-se cada vez maiores e esse processo tem uma conseqüência: precisa-se cada vez mais de energia.

O grande aumento do uso de energia tem suas origens em meados do século XVIII, com a invenção da máquina a vapor, na Inglaterra. A primeira máquina construída por James Watt (1736-1819) foi ligada a um tear para fabricar tecido, em 1785. Até essa época a energia necessária ao funcionamento das máquinas era obtida dos músculos humanos, da tração animal, de quedas d'água ou moinhos de vento. A máquina a vapor obtém energia da queima do carvão, que libera o calor utilizado para produzir vapor.

Com o aperfeiçoamento das máquinas, foi possível diminuir seu tamanho e aumentar sua potência. Inicialmente as máquinas eram usadas como bombas de água, depois passaram a ser usadas na indústria têxtil e serrarias. No final do século XVIII, surgem as primeiras locomotivas.

Durante o século XIX, os seres humanos aprenderam a utilizar uma outra forma de energia: a eletricidade. Em 1880, a primeira lâmpada industrializável foi produzida e, dois anos depois, projetou-se a primeira usina produtora de energia elétrica. O motor elétrico e os motores que usam a energia de combustão foram desenvolvidos nessa época. O trem elétrico surge em 1879. Em 1893, os primeiros automóveis.


O que é energia?
Conservação e transformação de energia
A origem da energia presente nas fontes
A energia solar


:: O que é energia?


A energia elétrica  é produzida pela água
Apesar de sua enorme presença na vida de todos e de sua importância como conceito científico nas explicações dos fenômenos naturais, é muito difícil expressar por meio de uma definição o que é energia. Em física existe uma definição: energia é a capacidade de realizar trabalho. Mas essa definição não agrada nem mesmo aos físicos, pelas limitações que ela tem. Quando vemos uma lâmpada iluminando uma sala dizemos que ela está emitindo energia luminosa. É difícil imaginar como essa energia luminosa, emitida pela lâmpada e que se espalha pela sala, pode ser vista como uma "capacidade de realizar trabalho".


Assim, a compreensão do conceito de energia não vem do conhecimento de sua definição, mas sim da percepção de sua presença em todos os processos de transformação que ocorrem em nosso organismo, no ambiente terrestre ou no espaço sideral. No mundo macroscópico, das galáxias, estrelas e dos sistemas planetários, ou no microscópico, das células, moléculas, dos átomos ou das partículas subatômicas.


:: Conservação e transformação de energia

A principal característica da energia é sua conservação. Ela não pode ser criada, não pode ser destruída, só pode ser transformada. Sempre que uma quantidade de energia é necessária para alguma atividade, essa energia deve ser obtida por meio de transformações, a partir de outra forma já existente.

A energia pode assumir diferentes formas: elétrica, química, nuclear, térmica, luminosa, cinética. Quando ocorrem fenômenos no universo, seja a fissão de um núcleo atômico, a emissão de luz por uma estrela, a queda de uma pedra na gravidade terrestre, ou o funcionamento de um motor de carro, alguma transformação de energia também acontece.

 
Fontes de energia são os materiais ou 
fenômenos a partir dos quais podemos obter alguma forma de energia. Com o desenvolvimento tecnológico, os seres humanos descobriram várias dessas fontes. Atualmente, as mais utilizadas são:


  • petróleo e seus derivados;
  • carvão vegetal;
  • carvão mineral;
  • lenha;
  • álcool;
  • cursos d'água;
  • átomos de alguns elementos químicos como o Urânio e o Tório.

    Existem ainda outras fontes de energia que começaram a ser utilizadas há poucas décadas e representam uma pequena parcela das fontes atuais: o Sol (pelo uso direto da energia que ele emite), os ventos, o gás natural (metano, CH4).

    O gás utilizado no fogão é uma fonte de energia. Nas moléculas do gás existe energia armazenada na forma de energia química. Por meio de uma combustão (uma queima) essa energia química presente nas moléculas do gás se transforma em energia térmica (calor). Na água represada por uma barragem, a energia está armazenada na forma de energia potencial gravitacional. Se essa água for solta, ela cai ganhando velocidade, com a energia gravitacional se transformando em energia cinética, que pode ser transmitida a um gerador. No chuveiro elétrico, a energia da corrente elétrica, que é transportada por fios condutores, transforma-se em energia térmica (calor) ao passar pela resistência. Esse cal or aquece a água do banho.

    O aumento constante da exploração de novas fontes de energia interfere cada vez mais nos processos naturais. Grandes áreas alagadas por lagos artificiais, poluição atmosférica resultante da queima de combustíveis fósseis, aquecimento do ambiente pelo funcionamento de motores elétricos. As principais conseqüências dessa interferência humana são as alterações no ambiente terrestre e o desequilíbrio ecológico.







    :: A origem da energia presente nas fontes


    Roda d'água transforma em rotação a energia da água que cai
    As fontes de energia nos possibilitam obter a energia necessária para as diversas atividades cotidianas. Mas, se ela não pode ser criada, qual a origem da energia presente no petróleo e seus derivados, no carvão vegetal, no carvão mineral, na lenha, no álcool, nos cursos d'água e nos átomos de alguns elementos químicos como o Urânio e o Tório?

    Nessa lista de fontes de energia, apenas as duas últimas (cursos d'água e átomos) não têm origem em seres vivos. Petróleo, carvão, lenha e álcool são fontes de energia que têm origem em materiais que fizeram parte do corpo de algum ser vivo. E qual a origem da energia presente nesses materiais, que são todos combustíveis?

    A energia química dos materiais combustíveis encontra-se armazenada em algumas de suas moléculas. Essas, por sua vez, são produzidas a partir de uma reação química fundamental para a existência de vida na Terra, a fotossíntese, que ocorre nos vegetais, nas algas e em alguns organismos unicelulares como as cianobactérias.

    Durante a reação de fotossíntese, moléculas de gás carbônico (CO2) combinam-se com moléculas de água (H2O), formando um açúcar, geralmente a glicose (C6H12O6), e gás oxigênio (O2), que se mistura ao ar. A reação de fotossíntese pode ser representada da seguinte maneira:




    Para essa reação ocorrer é preciso haver luz (energia luminosa) transformada, durante a fotossíntese, em energia potencial química, presente na molécula de açúcar. A presença da clorofila é indispensável, apesar de não fazer parte dos reagentes e dos produtos, porque ela é responsável por reações intermediárias que fazem parte da fotossíntese.

    Se os combustíveis têm origem em seres vivos e se os seres vivos obtêm energia da luz solar, por meio da fotossíntese, então, toda a energia existente nos combustíveis é uma energia proveniente do Sol.

    Voltando à lista de fontes de energia (petróleo, carvão mineral e vegetal, lenha, álcool, cursos d'água, átomos), vemos que a origem da energia dos combustíveis é o Sol. Falta considerar os cursos d'água e os átomos.

    No caso dos cursos d'água, qual a origem da energia que a água possui quando se encontra em lugares elevados, seja por causa do relevo natural ou de uma barragem? Neste caso, a energia que a água possui foi obtida quando ela se elevou na atmosfera, e na gravidade terrestre, depois de evaporar por ser aquecida pelo Sol. Ao se elevar, a água acumula energia potencial gravitacional. Como uma pedra que tiramos do chão e elevamos a uma certa altura. É essa energia que permite à água mover-se pelos cursos dos rios em direção às terras mais baixas, até chegar a um grande lago, ou no oceano. Como a pedra, ao ser solta, cai aumentando sua velocidade. Portanto, a energia presente nos cursos d'água também tem origem no Sol, pois é a energia solar que faz ocorrer o ciclo da água, começando por sua evaporação na superfície terrestre.

    Assim, de todas as fontes de energia citadas na lista,apenas a energia de reações nucleares nos átomos de certos elementos químicos não tem origem no Sol.

    O organismo humano obtém a energia necessária ao seu funcionamento pela respiração celular. A respiração celular é uma reação química como a combustão. Moléculas presentes nos alimentos reagem com oxigênio, liberando energia. Nos alimentos, a energia potencial química que suas moléculas possuem é, sempre, o resultado de reações de fotossíntese. Mesmo quando nos alimentamos de carne, a energia existente nesse alimento veio dos vegetais que um animal comeu. Podemos dizer, então, que nosso organismo, por meio dos alimentos, utiliza energia solar para manter-se vivo.








    :: A energia solar



    O sol é a principal fonte de energia na Terra
    Ilustração: SOHO (ESA e NASA)


    Quase toda a energia utilizada pela humanidade é, em última instância, energia solar. Quando queimamos carvão, obtendo energia térmica, estamos utilizando uma energia que o Sol emitiu há muitos anos e que foi transformada em energia potencial química, por uma reação de fotossíntese.

    No caso do petróleo, a fotossíntese ocorreu há milhões de anos. As plantas morreram, ou se transformaram em alimentos de outros seres vivos, que também morreram, e seus corpos passaram por inúmeras transformações que deram origem ao petróleo. Hoje, quando um automóvel a gasolina está se movendo, a energia luminosa transformada em energia química por meio de uma fotossíntese ocorrida há muito tempo, transforma-se em calor no interior do motor e move o carro. Ou seja, a energia cinética do carro a gasolina, ou óleo diesel, em movimento tem origem na energia solar emitida há milhões de anos.

    Mas, de onde vem a energia que o Sol emite? No interior do Sol ocorrem reações nucleares de fusão. Nessas reações, 4 núcleos de átomos de hidrogênio, ou seja, 4 prótons, se fundem, para formar um núcleo de átomo de hélio. Cada núcleo de hélio possui 2 prótons e dois nêutrons. Durante a fusão, dois dos prótons iniciais se transformam em nêutrons.




    Essa é uma representação simplificada da reação nuclear de fusão que ocorre no interior de estrelas como o Sol. Durante essa reação, uma grande quantidade de energia é liberada. Essa mesma reação nuclear ocorre quando uma bomba de hidrogênio (bomba-H) é detonada.


    Interior de um reator nuclear
    A energia liberada na reação nuclear surge da transformação de matéria em energia. A possibilidade de transformar matéria em energia foi considerada, pela primeira vez, pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955). Por meio de um complexo trabalho teórico, Einstein calculou a relação existente entre energia e matéria, mostrando que matéria e energia são formas diferentes de um mesmo objeto físico.

    A relação entre quantidades de matéria e energia é dada pela fórmula E = m . c2 na qual E é a energia, m é a massa convertida em energia e c é o valor da velocidade da luz no vácuo (300 mil km/s, ou 3,0 X108 m/s).

    Na reação nuclear que ocorre no Sol, a massa de cada átomo de hélio que se forma é ligeiramente menor que a massa dos 4 prótons que deram origem a ele. Essa diferença é devida à quantidade de matéria que foi transformada em energia durante a reação de fusão.

    No Sol, a cada segundo, 657 milhões de toneladas de hidrogênio transformam-se em 653 milhões de toneladas de hélio. As 4 milhões de toneladas de diferença correspondem à matéria que se transforma em energia, e é emitida pelo Sol em todas as direções do espaço.



    Texto original: Vinicius Signoreli
    Edição: Equipe EducaRede
    (Abril/2003)







  •            Energia Mecânica: Cinética e Potencial


    A energia mecânica está associada aos corpos, ou sistemas físicos, em movimento ou capazes de realizar movimento.
     
    ENERGIA CINÉTICA
    Dizemos que quando um corpo está em movimento, em relação a um dado referencial, ele possui energia cinética. Sua intensidade é proporcional à sua massa e quadrado da velocidade.

                        

                                         

    Como trabalho e energia se equivalem, as unidades de trabalho e energia são as mesmas.

                               


    Teorema da Energia Cinética – O trabalho resultante das várias forças que atuam sobre um ponto material é igual à sua variação de energia cinética.

                                      



    Isto quer dizer, em outras palavras, que se a velocidade escalar de um móvel se mantém constante, então o trabalho resultante sobre ele é nulo.


    Demonstração:
     
    Para uma força constante que age no sentido do movimento e considerando que o móvel tem velocidade inicial VO, após determinado intervalo de tempo, sua velocidade será V e a força terá realizado um trabalho que será igual à variação da energia cinética:


                                               


    Sendo a força constante, o movimento será uniformemente variado. Aplicando-se a expressão de Torricelli:

                    



    Substituindo na expressão do trabalho:

                            


    Apesar de a dedução ter sido feita para uma força constante, ou seja, movimento uniformemente variado, esse teorema é válido para qualquer tipo de movimento.

    ENERGIA POTENCIAL
    Dizemos que quando um corpo é capaz de realizar movimento, em relação a um dado referencial, ele possui energia potencial.
    No estudo da mecânica, consideraremos dois tipos de energia potencial: a energia potencial gravitacional e a energia potencial cinética.
    A energia potencial gravitacional está associada ao trabalho que a força peso pode realizar sobre um corpo de massa  m no campo gravitacional da Terra. Por isso, sua expressão é a mesma do trabalho da força peso, visto anteriormente.

                     

                                        

    Como se trata de energia suas unidades serão as mesmas de trabalho.

                            


    A energia potencial elástica está associada ao trabalho que a força elástica pode realizar devido a uma deformação x ao longo de uma mola helicoidal. Por isso, sua expressão é a mesma do trabalho da força elástica, visto anteriormente.

                         


                                          


                        

















    Professor da Unicamp mostra o cientista renomado pela relatividade como um dos pais da mecânica quântica
    © Marcia Minillo
    Add caption
    Chibeni: justiça  à mecânica quântica
    Da perspectiva de um físico filósofo – ou um filósofo da física – o pensamento de Einstein ganha ainda mais profundidade. Na palestra “As contribuições e críticas de Einstein à física quântica”, no dia 8 de novembro, Silvio Chibeni, do Departamento de Filosofia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), mostrou que a contribuição do renomado físico alemão vai muito além da teoria da relatividade com que o público leigo o identifica. Ele não só foi pioneiro em formular os princípios da mecânica quântica, como também buscou melhorá-los discutindo as limitações da teoria.

    Como boa parte dos avanços científicos, a teoria da relatividade foi formulada de maneira incremental por vários pesquisadores que trabalhavam no problema. “A relatividade restrita era algo que já estava mais ou menos no ar, na época. A contribuição de Einstein foi principalmente no sentido de fechar esse conhecimento, de dar uma finalização e sobretudo um enfoque filosófico diferente, que modificou a forma pela qual os assuntos estavam sendo discutidos”, contou Chibeni. Mas a partir daí o cientista alemão passou adiante do que outros pensavam e deu o pulo para explicar a relatividade geral, que tem a ver com gravitação. “Nesse caso a contribuição dele foi mais individual, quase tudo dependeu dele.” 

    Em termos de idéias originais, a contribuição de Einstein também foi decisiva na criação do segundo dos grandes pilares da física contemporânea, a mecânica quântica, cuja formulação final foi proposta em meados da década 1920 por dois físicos independentemente: o alemão Werner Heisenberg e o austríaco Erwin Schrödinger. Foram esses nomes que entraram para a história da ciência mais fortemente associados à mecânica quântica, mas foi o trabalho precursor de outro alemão que estabeleceu os fundamentos da teoria. “Há pouca dúvida de que sem a contribuição de Einstein esse desenvolvimento importante na física teria demorado muito mais para acontecer”, disse o filósofo paulista.

    Ele explica que é comum considerar-se que a física quântica nasceu em um artigo publicado por Max Planck em 1900, em que propôs uma fórmula na qual considerava que o processo de produção de luz fosse quantizado – em pacotes em vez de gradual. Mas na verdade  a quantização só foi proposta como um aspecto físico real em 1905, num trabalho em que Einstein explicou como elétrons se desprendem de placas metálicas sobre as quais incide luz, um fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico. Para dar conta das observações desse fenômeno feitas no final do século XIX, o físico alemão propôs que a luz tinha uma natureza granular: o que atinge o metal são pequenos pacotes de luz. Uma proposta revolucionária diante da teoria sedimentada, até aquele momento, de que a luz tinha natureza ondulatória. Só dez anos depois o norte-americano Robert Andrews Millikan conseguiu mostrar, com uma série de experimentos, que a equação proposta por Einstein para descrever aspectos quantitativos do fenômeno estava correta. 

    A idéia dos quanta de luz foi muito contestada entre os físicos – e continuou contestada mesmo depois que Einstein ganhou o Prêmio Nobel em 1921. “Einstein foi solitário na defesa dessa perspectiva durante muito tempo.”


    (Página 2 de 2)
    Teoria na prática Chibeni mostrou que a quantização de propriedades físicas também foi aplicada por Einstein na explicação de diversos outros fenômenos. Em 1905 ele usou a teoria para explicar o curioso fenômeno do movimento browniano, que tinha sido descrito a partir de como grãos de pólen se movem num fluido. A confirmação experimental de suas equações nos anos subseqüentes foi fator decisivo para que a teoria dos átomos fosse definitivamente aceita. Usando os mesmos princípios teóricos, em 1906 ele explicou certas anomalias no comportamento de sólidos a baixas temperaturas. Em 1924 adotou e desenvolveu a proposta de uma estatística quântica, feita pelo então desconhecido físico indiano Satyendra Bose. E por fim apoiou, nessa mesma época, a idéia bizarra – porém fundamental para a mecânica quântica – das “ondas de matéria”, formulada pelo jovem Louis de Broglie.


    Mas o próprio Enstein não ficou completamente convencido com todo esse trabalho precursor. Quando a teoria final foi formulada, ele se tornou, até o fim da vida, o seu principal crítico. Embora achasse a teoria correta, afirmava que ela era incompleta.  “Um indício dessa incompletude é que as predições quânticas em geral têm um caráter probabilístico e, em geral, não  especificam algumas propriedades dos objetos individuais”, explicou Chibeni. Fazendo uma comparação, é como se alguém informasse a média de idade de um grupo de pessoas, mas não a idade de cada uma. O mais importante argumento apresentado por Einstein para a tese da incompletude da mecânica quântica foi publicado em 1935, em colaboração com Boris Podolsky e Nathan Rosen. Eles estudaram certos pares de objetos que foram criados juntos e compartilham propriedades físicas, mesmo se transportados para locais distantes. Se a mecânica quântica estivesse completa, qualquer ação sobre um deles afetaria instantaneamente o outro. “Para Einstein isso era inaceitável, por violar aquilo que ele chamava de princípio da localidade ou princípio da ação local, segundo o qual as ações físicas não podem ser instantâneas e atingir imediatamente objetos remotos no espaço.”


    Seguindo essa linha de pensamento – que logo foi considerada dissidente pela comunidade dos físicos, em 1952, o norte-americano David Bohm – que na época estava no Brasil, trabalhando na Universidade de São Paulo – conseguiu formular uma teoria mais completa que a mecânica quântica. Ironicamente, porém, sua proposta tinha um aspecto indesejável: justamente violava o princípio da localidade. “Quando esse fato foi notado, naturalmente surgiu a questão de saber se essa ‘não-localidade’ seria uma particularidade da teoria de Bohm ou, ao contrário, uma propriedade intrínseca de qualquer teoria mais completa que a mecânica quântica”, disse Chibeni. A resposta foi dada pelo escocês John Bell, que em 1964  provou que qualquer teoria completa e local viola certas  predições estatísticas da mecânica quântica. De acordo com o filósofo da Unicamp, essas predições foram inequivocamente confirmadas em diversos experimentos realizados desde então.


    Esses resultados teóricos e experimentais tiveram como ponto de partida as críticas de Einstein, que apontou rumos de investigação, o que deixa claro que mesmo criticando ele contribuiu de maneira extremamente positiva – mesmo que a teoria tenha seguido um rumo contrário ao que ele imaginava. “Ele não viveu para ver que suas críticas à mecânica quântica desembocaram num resultado que ele detestaria, ou seja, para completar a teoria quântica é preciso abrir mão da localidade”, concluiu o filósofo da Unicamp.


    As contribuições e críticas de Einstein  à física quântica
    Silvio Seno Chibeni, físico e professor livre-docente do Instituto de Filosofia e Ciências Humanas (IFCH) da Unicamp