Você provavelmente usa a palavra energia em sua vida cotidiana o tempo todo, mas o que realmente significa? A que quantidade física você está chegando quando diz coisas como "Eu simplesmente não tenho energia hoje" ou "Essas crianças precisam queimar um pouco de energia"?
O uso coloquial da palavra pode lhe dar uma noção inicial do que é energia, mas neste artigo você vai aprenda como os físicos definem energia, aprenda quais são os diferentes tipos de energia e veja alguns exemplos ao longo do caminho.
Definição de Energia
Energia é a capacidade de trabalhar ou causar mudanças. É diferente de uma força. Uma força é o que causa a mudança, enquanto a energia pode ser considerada como o ímpeto por trás da força. É preciso energia para aplicar uma força, e aplicar uma força a um objeto geralmente transfere energia para ele.
A unidade SI de energia é o joule onde 1 joule = 1 newton × 1 metro ou 1 kg⋅m2/ s2. Outras unidades incluem calorias, quilocalorias e quilowatt-hora.
Tipos de energia
As duas formas mais fundamentais de energia são
Os cientistas geralmente diferenciam entre versões macroscópicas e microscópicas desses tipos de energia. Por exemplo, energia potencial que é armazenado devido à gravidade ou devido a uma mola comprimida é chamadomecânicoenergia potencial. Mas os objetos também podem ter um tipo diferente de energia potencial armazenada nas ligações entre as moléculas e entre os núcleos de um núcleo atômico.
A energia cinética mecânica é a energia devida ao movimento de um objeto macroscópico. Mas dentro de qualquer objeto, as próprias moléculas têm suas próprias energias cinéticas de um tipo diferente.
A soma do potencial mecânico e da energia cinética de um objeto é chamada deenergia mecânica total. Isso não é igual à energia total do objeto, que seria a soma de todas as formas de sua energia, incluindo térmica, química e assim por diante.
O tipo de energia potencial armazenada em ligações moleculares é uma forma de energia chamadaquímicoenergia. A energia armazenada em ligações atômicas ou ligações nucleares é chamadaatômicoenergia ounuclearenergia.
A energia cinética que existe em um nível molecular devido às vibrações e movimentos das moléculas é chamadatérmicoenergia ouaquecerenergia. Quando você mede a temperatura, você está medindo a quantidade média desse tipo de energia.
Energia Potencial Mecânica em Mais Detalhes
Os tipos mais comuns de energia potencial mecânica que você pode aprender sobre incluem:
- Energia potencial gravitacional:A energia armazenada em um objeto com base em sua localização em um campo gravitacional. Por exemplo, uma bola mantida bem acima da terra tem energia potencial gravitacional. Quando liberado, ele cairá como resultado.
- Energia potencial elétrica:Esta é a energia armazenada em um objeto carregado devido à sua posição em um campo elétrico. Por exemplo, os elétrons em um circuito se tornarão dotados de uma certa quantidade de energia potencial elétrica devido à bateria. Quando o circuito está conectado, isso faz com que os elétrons fluam.
- Energia potencial magnética:Esta é a energia armazenada em um objeto com momento magnético devido à sua localização em um campo magnético. Considere quando você segura dois ímãs de botão próximos um do outro e os sente puxando; isso ocorre por causa da energia potencial magnética.
- Energia potencial elástica:Esta é a energia armazenada em um material elástico. Por exemplo, um elástico esticado armazenou energia, assim como uma mola comprimida. Quando um deles for solto, eles se moverão.
Energia cinética mecânica em mais detalhes
A energia cinética mecânica difere da energia potencial porque está associada ao movimento e existe em apenas uma variedade. Uma equação simples dá a energia cinética de qualquer objeto de massammovendo-se com velocidadev. Isso é:
KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Quanto mais rápido um objeto se move ou mais pesado ele é, mais energia cinética ele possui.
Quando um objeto que tem energia potencial é liberado e pode se mover livremente, ele começa a acelerar. Como resultado, sua energia cinética aumenta. Ao mesmo tempo, a energia potencial diminui. Na rede, a energia mecânica total do objeto permanece constante (assumindo que não haja atrito ou ação de forças semelhantes), é apenas que a energia muda de forma.
Equações para energia
Na última seção, a equação para energia cinética mecânica foi introduzida. Existem também fórmulas para diferentes tipos de energias potenciais, bem como equações que descrevem a relação entre a energia e outras quantidades físicas.
A energia potencial gravitacional da massamna alturahacima da Terra está:
PE_ {grav} = mgh
Ondeg= 9,8 m / s2 é a aceleração da gravidade.
A energia potencial elétrica de uma cargaqna voltagemVe simples:
PE_ {elec} = qV
O energia potencial armazenada em uma mola É dado por:
PE_ {primavera} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Ondeké o Primavera constante (uma constante que depende da rigidez da mola) eΔxé a quantidade pela qual a mola é comprimida ou esticada.
A mudança de energia térmica (também conhecida como energia térmica transferida) é dada pela seguinte equação:
Q = mc \ Delta T
OndeQé a energia,mé a missa,cé a capacidade de calor específica eΔTé a mudança de temperatura em unidades de Kelvin.
A quantidade física de trabalho (definida como o produto da força e do deslocamento) tem as mesmas unidades que a energia (J ou Nm). As duas quantidades, trabalho e energia cinética, estão relacionadas por meio do teorema da energia cinética de trabalho, que afirma que a rede de trabalho em um objeto é igual à mudança na energia cinética do objeto.
A Lei da Conservação de Energia
Um fato fundamental da natureza é que a energia não pode ser criada nem destruída. Isso está resumido no lei de conservação de energia. Esta lei afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante.
Embora a energia total permaneça constante, ela pode mudar de forma e freqüentemente muda. O potencial pode se transformar em cinético, a cinética pode se transformar em energia térmica e assim por diante. Mas o valor total sempre permanece o mesmo.
É importante observar que esta lei especifica um sistema isolado. Um sistema isolado é aquele em que não pode de forma alguma interagir com seu entorno. O único sistema possivelmente perfeitamente isolado no universo é, bem, o próprio universo. No entanto, é possível fazer muitos sistemas na Terra que estão perto de serem isolados (assim como é possível tornar o atrito insignificante, mesmo que nunca seja 0.)
A conversão de energia pode acontecer de várias maneiras, geralmente a partir da energia armazenada sendo liberada como energia cinética de algum tipo ou como energia radiante.
A energia química, por exemplo, pode ser liberada durante as reações químicas. Durante essa reação, ele muda de energia potencial química para alguma outra forma, que pode incluir energia radiante ou energia térmica.
A energia nuclear é liberada durante uma reação nuclear. É aqui que o famoso EinsteinE = mc2a equação entra em jogo (a energia é igual à massa vezes a velocidade da luz ao quadrado). A massa de um núcleo que se divide para liberar energia será ligeiramente mais leve no final em uma quantidade determinada pela fórmula de Einstein. Por mais louco que pareça, a própria massa pode ser considerada uma forma de energia potencial.
Fontes de energia elétrica utilizáveis na Terra
Aqui na Terra, você provavelmente usa energia elétrica com frequência. Cada vez que você acende uma luz em sua casa ou lê algo em uma tela eletrônica como está agora, você está usando energia elétrica. Mas de onde vem essa energia?
A resposta óbvia são as baterias ou a tomada, mas qual é a fonte primária real?
Quando se trata de baterias, a energia geralmente é armazenada quimicamente em uma célula da bateria, mas muitos dispositivos eletrônicos exigem que suas baterias sejam recarregadas conectando-as a uma tomada.
A energia que chega à sua casa por meio de linhas de força se origina em uma usina elétrica em algum lugar. As usinas de energia têm muitas maneiras diferentes de coletar energia e transformá-la em energia elétrica.
Algumas fontes comuns de energia colhidas por usinas de energia e convertidas em eletricidade incluem:
- Energia solar:Esta é a energia radiante que vem do sol e pode ser capturada por células solares.
- Energia geotérmica:Esta é a energia térmica encontrada nas profundezas do solo que pode então ser transferida para a superfície da Terra para uso.
- Combustíveis fósseis:Isso inclui carvão e óleo, que geralmente são queimados para liberar energia armazenada em ligações químicas.
- Energia nuclear:As usinas nucleares geram energia separando núcleos atômicos e aproveitando a energia armazenada nas ligações nucleares.
- Energia hidroelética:Esta é a energia que vem da energia potencial gravitacional, bem como da energia cinética da água corrente.
- Energia eólica:Para colher energia eólica, turbinas gigantes são usadas. O vento gira as turbinas, transferindo sua energia para elas.
Energia no corpo humano
Lembra-se do início deste artigo, onde as frases “Eu simplesmente não tenho energia hoje” e “Essas crianças precisam queimar um pouco de energia” foram mencionadas? Os humanos usam energia o tempo todo, e não apenas de seus dispositivos eletrônicos. Tanto os grandes movimentos do seu corpo quanto os pequenos processos dentro dele requerem energia.
É preciso energia para correr, caminhar, nadar ou apenas escovar os dentes. Lembra da energia cinética? Quando você se move, você o faz por meio da energia cinética. Essa energia tem que vir de algum lugar.
Muitos processos invisíveis que ocorrem em seu corpo também requerem energia, como respirar, circular seu sangue, digerir e assim por diante.
De onde os humanos obtêm sua energia? Comida, claro! Os alimentos que você ingere armazenam energia química. Quando esse alimento chega ao estômago, o ácido estomacal decompõe o alimento e, moléculas da comida fazem o seu caminho para todos os diferentes lugares do seu corpo que podem precisar energia. Então, quando surge a necessidade, a energia é obtida por meio de uma pequena reação química.
Agora, se você não comer o dia todo e correr muito, gastará muita energia e se sentirá "esgotado" até comer e fornecer ao corpo mais do que ele precisa.