Energia

“Energia é a única moeda realmente universal: uma de suas formas deve sempre se transformar para que qualquer coisa possa ser feita.”

Prof. Vaclav Smil

Apenas através do Trabalho e da Temperatura se torna possível visualisar a Energia, uma grandeza abstrata e invisível.

A História da Energia descreve a importância desse insumo na civilização, sua utilização libertou os seres humanos de muito trabalho braçal, permitindo que crescem e se multiplicassem.

Trabalho x Energia

Trabalho requer energia e Energia requer trabalho.

Intuitivamente, todos sabem que para realizar trabalho gasta-se energia. Por exemplo, utiliza-se energia para carregar peso, os seres vivos necessitam se alimentar para subir escadas e se locomover. Por outro lado, o gasto energético requer alimentação. Porém, a produção de alimentos consume energia na caça, na pesca, no preparo do solo, na plantação, colheita e processamento dos alimentos. Mas isto já estava escrito…. ¹

Para a Física, Trabalho(W) equivale à Força(F) vezes o deslocamento (S) no sentido da Força, conforme descrito pela equação 1.

Onde:

• • W é o Trabalho[J];
  • F é a Força[N];
  • S é o deslocamento ou distância percorrida exercendo a Força[m];
  • θ é o ângulo entre a força e o deslocamento.

No caso da corredora da Figura 1, o Trabalho realizado depende apenas da altura subida e da força exercida pela perna da atleta.

A força exercida atua em sentido contrário ao seu peso e a inclinação para a frente resulta numa variação positiva de trabalho porque o ângulo θ se encontra entre 0º e 90º. Isto implica numa variação positiva de energia. Mas:

• Para onde foi esta Energia?
• De onde veio este Trabalho?

A força exercida pela atleta (F) e o deslocamento (S) possuem componentes horizontais e verticais, conforme mostra a Figura 2.

Considerando que a corredora em velocidade constante, as Leis de Newton determinam que o somatório das forças deve ser nulo. Isto significa que a componente vertical (F_y) deve ser igual à força peso(P) e a força (F_x) igual à força (F_a).

A inclinação da escada determina o ângulo α e o ângulo θ resulta da relação entre as forças F_x e F_y. A Equação 2 mostra a relação entre as forças e ângulos e a Equação 3 o módulo do Trabalho realizado pela corredora.

Observa-se que o Trabalho realizado possui duas componentes, uma horizontal e outra vertical. A componente horizontal do Trabalho (x) se relaciona com a força de atrito entre os pés e o chão². Sem atrito não se caminha e, por isso, a falta de atrito em superfícies muito lisas e escorregadias produz quedas.

A componente vertical (y) do Trabalho se relaciona com o peso e a inclinação da escada.

Voltando às perguntas anteriores, para onde foi o trabalho realizado?

A atleta realizou o Trabalho de subir correndo a escada utilizando energia muscular obtida a partir da queima dos carboidratos armazenados no seu corpo. Ela queimou combustível porque viver consome a energia obtida a partir da combustão lenta de carboidratos. Contudo, nem toda a energia gerada por essa combustão se transforma em trabalho, parte da energia gerada pela atleta se transformou em calor, que foi dissipado pela transpiração. ³

Isto sugere que nem toda variação de Energia se transforma em Trabalho.

Continuando, para onde foi o Trabalho realizado pela atleta?

A parcela vertical do Trabalho foi utilizada para elevar seu peso(P) em y metros de altura e se transformou em Energia Potencial relacionada ao campo gravitacional da terra.

A parcela horizontal se converteu em energia cinética (velocidade) e em energia térmica decorrente do atrito entre o tênis e a escada. 

A Energia Térmica dissipada não pode ser recuperada, mas as Energias Potencial e Cinética sim.⁴

Se a Atleta saltasse do alto da escada, a força da gravidade a aceleraria e transformaria a energia potencial em velocidade, energia cinética.

Por outro lado, considere o homem carregando peso ao longo de uma superfície plana conforme mostra a Figura 3.

De acordo com a Equação 1, o trabalho realizado é nulo porque a força e o deslocamento formam um ângulo de 90º. Isto significa que deslocamentos perpendiculares à Força não produzem Trabalho.

Mas o trabalhador da Figura 3 realmente não produz trabalho? ⁵

Portanto, todo Trabalho produz variações de Energia, mas nem toda variação de Energia produz Trabalho.

Tipos de Energia

Existem diversos tipos de Energia:

• • Energia Potencial;
  • Energia Elétrica;
  • Energia Magnética;
  • Energia Luminosa;
  • Energia Gravitacional;
  • Energia Nuclear;
  • Energia Térmica;

Devido ao princípio da Conservação de Energia, não se pode criar nem destruir energia, apenas transformá-la.

Contudo, as transformações não são totalmente controláveis, sempre surge uma parcela indesejada de energia, normalmente térmica que denominamos de perda. Porém, essa energia não desapareceu, ela apenas se transformou em outra forma de energia.

Finalmente, pode-se transformar todas as formas de energia em eletricidade.

A questão de qual fonte utilizar depende de Aspectos Técnicos, Econômicos e Ambientais, que serão abordados ao longo do curso.