ENERGIA

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CONCEITO DE ENERGIA:

O significado de energia para a física trata-se daquilo que não pode ser perdido, nem mesmo criado, é uma quantidade que sempre é conservada em um corpo. Portanto, é conceito abordado na primeira lei da termodinâmica, sobre a conservação de energia, que pode ser armazenada no próprio corpo, transformando-se em energia interna. No entanto, a outra porção dessa energia transferida para o corpo, pode espalhar-se para a vizinhança, na forma de trabalho ou de calor, o que traz à tona a lei zero da termodinâmica. A respeito dessa lei, todos os corpos em contato térmico entre si transferem energia até atingirem a condição de equilíbrio térmico, onde as temperaturas serão iguais e não haverá mais troca de calor. Em suma, a energia não pode ser criada, mas apenas transformada, como diz o Princípio de Lavoisier (será retomado mais à frente).

Ademais, quando a energia é transformada, pode sofrer degradações por causa da entropia, que segundo a segunda lei da termodinâmica, seria uma medida de desorganização de um sistema. A cada transformação, torna-se menos útil, perdendo força. Entropia seria o avanço do caos de um sistema ao decorrer do tempo, não podendo voltar ao que era antes, estando em constante transformação. Por exemplo, quando um cubo de gelo é exposto a um ambiente de maior temperatura, sua temperatura aumentará até que se atinja o equilíbrio térmico, absorvendo energia do ambiente. Agora no estado líquido, ele pode tornar-se sólido novamente, porém não terá a mesma organização que que apresentava anteriormente. O universo tende do caos ao equilíbrio.

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FORMAS DE ENERGIA:

Existem várias formas de energia, tais como: cinética, mecânica, potencial gravitacional, potencial elástica, elétrica, térmica, química, nuclear. No qual são demasiadamente importantes para nosso cotidiano, como a energia elétrica, essencial para a iluminação das cidades, como outros exemplos. Já a energia mecânica, em suma é a capacidade de um corpo de produzir trabalho, sendo a soma da energia cinética (relaciona-se com o movimento de um corpo) com a energia potencial (armazenamento- gravitacional ou elástica). É interpretada como a energia que é transferida por meio da força. A energia química, por sua vez, é armazenada em ligações químicas de átomos e moléculas, sendo liberada por meio da quebra dessas ligações. Pode ser considerada uma energia potencial, por estar armazenada em certas matérias, pode ser um exemplo a transferência da energia de um alimento para o corpo humano durante a digestão.

Outrossim, a energia térmica (ou energia interna) também é de suma importância, sendo representada pela quantidade de calor trocada entre sistemas de diferentes temperaturas. Acerca das máquinas térmicas, elas convertem a energia térmica em trabalho, gerando um determinado rendimento, que quanto maior esse rendimento, melhor será a eficiência de uma máquina. Ou seja, uma máquina eficiente geraria mais trabalho consumindo menos recursos energéticos (ex.: gasolina, óleo diesel, álcool etc). Sob esse viés, é importante apontar que é impossível uma máquina obter um rendimento do 100%, pois durante o processo há uma quantidade de calor que foi dissipado. Observe a fórmula a seguir:

n= P útil/ P total

Nessa fórmula, a letra n representa o rendimento, enquanto o P útil a potência utilizada e o P total a potência utilizada naquela máquina. No final desta conta encontra-se o Pp, que seria a potência perdida durante o processo.

Mediante a todas as informações sobre o rendimento nas máquinas, é propício perguntar: Por que o moto-contínuo é impossível?

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MOTO-CONTÍNUO:

Em tese, um moto-contínuo seriam várias máquinas que reutilizariam indefinitivamente a energia gerada pelo seu próprio movimento, transformando todo o calor recebido em trabalho ou até mesmo gerar sua própria energia. Indubitavelmente, essa máquina hipotética vai de encontro com as leis da termodinâmica, e até mesmo a Lei Áurea da Mecânica, onde diz que o trabalho aplicado em uma máquina é maior ou igual ao trabalho realizado, sendo impossível um rendimento de 100%.

Por intermédio do conceito exibido, é indispensável a explicação quanto às diversas violações que essa hipótese apresenta:

O moto-contínuo de primeira espécie forneceria mais energia ao exterior do que consome. Violando assim o Princípio da conservação de energia, pois a variação da energia interna é igual à diferença entre a quantidade de calor absorvido e a quantidade de trabalho realizado. Ou seja, não há como criar energia, pois o valor do calor recebido teria que ser equivalente ao valor da energia interna do sistema.

O moto-contínuo de segunda espécie teria um rendimento de 100%, sendo errôneo, pois é impossível formar todo calor em trabalho, como foi observado anteriormente. Esse tipo de movimento perpétuo viola o Princípio da Entropia, em que se discute a medida de desorganização de um sistema. Isto é, não é possível uma máquina não possuir um nível de entropia, visto que tende a desordem.

O moto-contínuo de terceira espécie eliminaria completamente o atrito e qualquer outra coisa que dissipe energia, mantendo sua inércia eternamente, sendo uma ótima forma de estocagem de energia. Esse caso está errôneo pois o atrito e a dissipação de energia zero nunca foram encontrados, evidenciando mais uma incoerência.

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ARISTÓTELES:

ATO E POTÊNCIA:

Segundo Aristóteles, todas as coisas são feitas de formas e matéria, que podem mudar de forma ou continuar no estado de matéria. Sendo assim, o movimento constitui-se em ato e potência, sendo o ato aquilo que as coisas são e a potência a possibilidade de vir a ser.

Desta forma, a existência em potência é tida como indeterminada, posto que a passagem de potência a ato pode ou não ocorrer. Enquanto o ato é visto pelo filósofo como o estado perfeito do corpo, concebido como princípio ativo determinante. A passagem da potência para o ato implicaria uma mudança do ser, ou seja, algo não deixa de existir, de ser, porque muda: simplesmente passa a existir de outro modo.

Destarte, o ser só pode atualizar-se com a condição de haver nele a capacidade potencial para tal ato, seja externa ou interna, logo o ato é considerado o fim a ser atingido pela potência.

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LAVOISIER:

LEI DE CONSERVAÇÃO DAS MASSAS:

"Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma". A famosa frase de Antoine Lavoisier diz sobre sua Lei de Conservação das Massas, que na física aplica-se diretamente ao conceito de conservação de energia. Sendo assim, Lavoisier realizou vários experimentos para observar a aparente perda de massa envolvendo reações de combustão, sempre utilizando balanças com as substâncias fechadas. Antoine explica que a aparente perda de massa ocorre em razão de os produtos das reações de combustão serem gasosos e, portanto, em sistemas abertos que fossem pesados, ia parecer que a massa diminuiu.

Portanto, realmente nada é criado ou destruído, porque os elementos que constituem as espécies iniciais não somem, eles simplesmente se rearranjam a fim de formar novas substâncias. Relacionando-se com a Primeira lei da Termodinâmica, onde a energia em si não muda, apenas se transfere para os arredores ou para o próprio corpo.

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JOULE:

James Prescott Joule estudou o fenômeno da transformação da energia elétrica em energia térmica, por meio de um aquecimento de um condutor ao ser percorrido por correntes elétricas (ex.: ferro de passar roupa). Esse fenômeno foi denominado efeito joule, em sua homenagem.

EFEITO JOULE:

Ocorre devido ao encontro do fluxo de elétrons da corrente elétrica e com as átomos do condutor. Enquanto os elétrons sofrem colisões com essa átomos, parte de sua energia cinética (também chamada de energia de movimento) é transferida para o átomo, que aumenta seu estado de agitação, consequentemente aumenta sua temperatura. Assim a energia elétrica transforma-se em energia térmica em um condutor.

RESISTOR:

Para não haver complicações no meio da transferência de energia, como um curto circuito no sistema ou sobrecarga de energia no mecanismo, o resistor é um dispositivo que possui função principal de dificultar a passagem da corrente elétrica e transformar energia elétrica em energia térmica por Efeito Joule. Sendo assim, a dificuldade que o resistor apresenta à passagem da corrente elétrica é chamada de resistência elétrica.

Sob esse viés, a resistência elétrica relaciona a resistência oferecida à passagem da corrente elétrica com tensão e corrente elétrica. Como observa-se na seguinte fórmula:

R = U/i

Lembrando que, a unidade utilizada é o ohm (Ω), derivada do volt/ampère.

LEI DE JOULE:

Mediante às afirmações apresentadas, a potência elétrica consumida por um resistor é dissipada. Essa potência é dada pela seguinte fórmula:

P = U . i

Substituindo pela lei de Ohm, torna-se:

P = R.i2

Por fim, a fórmula final apresentada na lei de Joule, é:

Eel = R . i2 . ∆t

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EINSTEIN:

TEORIA DA RELATIVIDADE GERAL:

Albert Einstein imaginou as três dimensões do espaço e a do tempo juntas, formando uma espécie de tecido que nos rodeia que é deformado pela presença dos corpos, sendo chamado de espaço-tempo.

ESPAÇO-TEMPO:

Em primeira análise, é importante ressaltar sobre o conceito de universo, que é em um nível fundamental é composto de quanta (entidades com propriedades físicas como massa, carga, momentum, etc) que podem interagir uns com os outros. Dependendo da forma que o olha, um quantum pode ser uma partícula, uma onda ou qualquer coisa em algum estado intermediário. Logo, dois ou mais quanta podem se unir para construir estruturas complexas como prótons, átomos, moléculas ou seres humanos. No entanto, independente do que o universo seja feito, as coisas que o compõem precisam de um palco para realizar suas interações. Em Newton, esse palco era plano, vazio e de espaço absoluto, o espaço em si era uma entidade fixa, e o tempo sempre passava ao mesmo ritmo. Ou seja, para qualquer observador, partícula ou quantum em qualquer lugar, eles deveriam experimentar o espaço e o tempo exatamente iguais uns aos outros.

Não obstante, Einstein provou que a concepção de Newton era falha, afirmando que as partículas que se movem próximas à velocidade da luz experimentam o tempo (se dilata) e o espaço (se contrai) de forma diferente em comparação com uma partícula que está se movendo lentamente, ou que está em repouso. A energia de uma partícula era dependente da estrutura, significando que o espaço e o tempo não eram entidades absolutas. A forma como se experimenta o universo dependia de seu movimento através dele. Assim surgiu a Teoria da Relatividade Espacial: algumas coisas eram invariantes, como a massa de uma partícula em repouso ou à velocidade da luz, mas outras variam conforme o modo como você se move pelo espaço e tempo.

Em segunda análise, o tensor métrico de Einstein define como o espaço-tempo que sua curvatura depende da matéria, energia e tensões presentes dentro dele, o conteúdo de seu universo define a sua curvatura espacial no espaço-tempo. Logo, a maneira como o universo é curvo aponta como a matéria e a energia vão se mover através dele. Aplicando esse pensamento a planetas e estrelas, é como se o Sol fosse uma bola pesada colocada no meio de uma cama elástica, fazendo com que o tecido se curve. Essa curvatura que cria o que é chamado de força gravitacional, então a Terra e os demais planetas permanecem em órbita não apenas porque simplesmente são atraídos por ele por causa de sua massa, como pensava Newton. Para Einstein, isso ocorria pois o Sol é uma estrela tão massiva que os outros corpos seguem a curvatura que ela gera no tecido do espaço-tempo, ou seja a gravidade é o efeito que a curvatura do espaço-tempo tem sobre os corpos.

A descoberta do universo em expansão, o surgimento do Big Bang e a dominação da energia escura que levará a um frio e vazio destino são todos apenas compreensíveis no contexto da relatividade geral, e isso significa entender essa relação chave: entre matéria/energia e espaço-tempo.

MATÉRIA/ENERGIA:

Acerca do que foi afirmado logo acima, a única constante do universo é a velocidade da luz, ou seja, tempo, espaço, matéria e energia são relativos, mas a velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma, independentemente do referencial adotado para medi-la. Portanto, a massa de um corpo é a mesma, sem importar sua posição no espaço, já que o número de átomos não muda. No entanto, voltando à teoria de que um corpo tem sua massa inercial alterada sempre que perde ou ganha energia, entendemos que um corpo sempre ganhará ∆E (energia), quando sua massa ∆m tem um aumento. Para comprovar essa teoria, Einstein utilizou a fórmula ∆E = ∆m x c2. Com isso, toda vez que o corpo perde energia, sua massa de inércia também diminui, assim como toda vez que ganha, a massa inercial aumenta. Essa mesma fórmula também pode ser reconhecida como:

E= m.c2

Logo, a Teoria da Relatividade de Einstein nos mostrou que as mudanças da massa inercial são tão pequenas que se colocarmos os corpos em uma balança ela não detectará nenhuma mudança.

ZERO ABSOLUTO:

Sobre a Terceira Lei da Termodinâmica, diz respeito ao limite inferior da temperatura: o zero absoluto. De acordo com a lei, essa temperatura é inatingível. No entanto, ao chegarmos a apenas alguns graus além dessa temperatura, alguns efeitos interessantes surgem: os átomos ficam muito próximos uns aos outros, mesmo os gases, como hidrogênio e hélio, tornam-se sólidos, assim como algumas substâncias apresentam propriedades supercondutoras.

Porém, alguns físicos também acreditam que, caso um corpo atingisse a temperatura do zero absoluto, sua massa deixaria de existir. O motivo está na energia de repouso, conceito criado por Albert Einstein. De acordo com a relação de Einstein entre massa e energia de repouso, um corpo sem qualquer energia não pode ter massa.

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ENERGIA ESCURA:

Energia escura é a forma hipotética de energia que estaria distribuída em grande parte do universo. Esse tipo de energia seria o grande responsável de ocasionar a aceleração da expansão do universo. De acordo com Einstein, a matéria contida no universo tende a desacelerar essa expansão. Ocorrendo porque a expansão do universo, que tenta aumentar a distância entre dois pontos no espaço, deve lutar contra o efeito da atração gravitacional da matéria que ele contém, o que tende a aproximá-los. Entretanto, no final do século XX, os astrônomos tentaram medir essa taxa de desaceleração de expansão usando observações de supernovas em galáxias distantes. Assim, eles descobriram que a expansão não está desacelerando, mas sim acelerando. As distâncias entre galáxias longínquas estão aumentando em uma taxa crescente.

Observações astronômicas apontam o exato momento em que a energia começou a dominar a matéria (aproximadamente quatro bilhões de anos atrás), o que indica que a energia escura atualmente corresponde a 70% da energia total do universo. Sendo o contrário da energia escura, a matéria escura é uma forma de matéria que não interage com a luz, tendo presença detectável apenas por seus efeitos gravitacionais na formação e evolução de estruturas no universo. Como a matéria comum, a matéria escura ajuda a retardar a expansão do universo; isto é, o efeito oposto da energia escura.

Destarte, se a energia escura expandir cada vez mais, chegaria um ponto em que as galáxias ficariam tão distantes que a luz de uma não atingiria a outra. Nesse cenário, após alguns bilhões de anos, as estrelas morrem, a temperatura cai drasticamente e o universo fica imerso em uma profunda escuridão. Nesse viés, o universo alcança o nível máximo de entropia, em que tudo torna-se distante, frio e vazio. Atendendo às informações sobre a energia escura, essa é uma das teorias de como o universo pode acabar.