Alguns elementos químicos possuem átomos cujos núcleos podem ser fissionados (quebrados) ou fundir-se com outros. Nessas reações nucleares, massa é transformada em energia, conforme demonstrado por Albert Einstein. Existem duas formas de aproveitar essa energia para a produção de eletricidade: a fissão nuclear, em que o núcleo atômico se divide em duas ou mais partículas, e a fusão nuclear, na qual dois ou mais núcleos se unem para produzir um novo elemento. A fissão do átomo de urânio é a principal técnica empregada para a geração de eletricidade em usinas nucleares. A maior vantagem ambiental da geração elétrica por meio de usinas nucleares é a não utilização de combustíveis fósseis, evitando o lançamento na atmosfera dos gases responsáveis pelo aumento do aquecimento global e de outros produtos tóxicos, que não dependem de fatores climáticos (chuva, vento etc.) para o seu funcionamento. O urânio utilizado em usinas nucleares resulta de complexas e custosas operações de enriquecimento isotópico a partir do minério natural e representa uma das dificuldades para sua utilização. 

ENERGIA ELÉTRICA

Tão importante para a forma como vivemos e para o crescimento de um país, a energia elétrica ou eletricidade está associada à circulação de corrente elétrica (movimentação de elétrons) oriunda de uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um corpo ou superfície. De forma semelhante, alguns autores preferem definir a eletricidade como uma variedade de fenômenos que resultam da presença e do fluxo de uma carga elétrica.

A diferença de potencial elétrico pode ser ilustrada pelos polos (ou terminais) de uma pilha ou bateria: um é positivo e o outro é negativo. Assim, ao ligá-los a um circuito elétrico, haverá movimento de corrente entre esses dois polos, percorrendo o circuito. A diferença de potencial é medida em volts (V), grandeza elétrica chamada tensão, que, em uma pilha comum, por exemplo, é de 1,5 V. De modo geral, sem diferença de potencial, não há corrente elétrica. No entanto, mesmo com a aplicação de uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um corpo ou superfície, nem sempre a corrente elétrica é estabelecida. Na realidade, é preciso que o material tenha propriedades condutoras, isto é, seja um bom condutor. Normalmente, metais como o cobre, a prata e o alumínio são exemplos de bons condutores. Há também materiais que inibem a circulação de corrente, os chamados isolantes, como a borracha, o vidro e a porcelana. Tanto os condutores quanto os isolantes são importantes para as aplicações da eletricidade.

ENERGIA QUÍMICA

Em qualquer substância existem ligações químicas entre os átomos que as compõem. A energia química está associada a essas ligações. Essa forma de energia é liberada em reações químicas, como acontece quando um combustível é queimado e transformado em gases de chaminé ou quando o alimento é digerido e absorvido pelos animais. A energia química também pode ser criada e armazenada em reações como a fotossíntese das plantas, em que a energia da radiação solar é parcialmente transformada em energia química nos produtos vegetais resultantes. De fato, na combustão da lenha, a energia liberada resulta da energia solar armazenada quimicamente durante o crescimento da árvore. Por exemplo, nas pilhas elétricas usadas em lanternas, brinquedos e relógios, armazena-se energia química, progressivamente transformada em energia elétrica à medida que os usamos.

ENERGIA MECÂNICA

A energia mecânica pode ser potencial ou cinética, e está sempre associada a massas. A energia potencial está disponível em situações nas quais as massas podem percorrer diferenças de altura devido à gravidade. Por exemplo, a água armazenada no reservatório de uma central hidrelétrica possui energia potencial que, ao ser trazida para um nível inferior, pode ser transformada em energia elétrica. Um caso de particular interesse nas variações de energia mecânica é denominado trabalho, e se observa quando uma força é aplicada a um objeto, de forma a provocar o seu deslocamento. Assim, ao tomar um objeto do chão e colocá-lo sobre uma mesa, estamos aumentando sua energia potencial mediante a execução de trabalho associado à movimentação de sua força-peso. A energia cinética é observada na matéria em movimento, e depende da massa e da sua velocidade ao quadrado. Por exemplo, nos geradores eólicos, parte da energia cinética do vento é transformada em eletricidade.

ENERGIA TÉRMICA

A energia térmica pode apresentar-se de duas formas: como radiação térmica ou como energia interna que depende de temperatura de gases líquidos ou sólidos. Em um dia de sol, podemos sentir sua radiação térmica, no entanto, em uma pedra aquecida pelo Sol, percebe-se a energia térmica pela temperatura que ela apresenta. Quanto mais quente, mais energia térmica contém. A energia térmica é às vezes equivocadamente denominada de calor, que, a rigor, corresponde ao fluxo de energia térmica observado nas situações em que existe uma diferença de temperatura entre corpos ou objetos em contato. A transferência de calor entre esses corpos promove o aumento da energia térmica do corpo mais frio e a redução da energia térmica do corpo mais quente. Por exemplo, uma panela com água sobre a chama de um fogão recebe calor, aumentando a energia térmica da água, à medida que sua temperatura aumenta. Em resumo, nada contém calor, e sim energia térmica. O calor é energia térmica se movimentando de um corpo para outro.

Conversões energéticas

De modo geral, a energia se torna aparente nas situações em que se transforma, passando de uma forma energética para outra, nas chamadas conversões energéticas. Boa parte dessas conversões acontece de forma espontânea na natureza e determina a constituição e a evolução do universo, e são processos fundamentais para a vida em nosso planeta. Assim, as reações nucleares no interior das estrelas, os vulcões e os terremotos, o ciclo hidrológico (evaporação, formação das nuvens e precipitação, incluindo o escorrimento nos rios até o mar), a formação do vento e das correntes atmosféricas, a fotossíntese e os processos associados à alimentação e à produção de trabalho pelos músculos dos animais são alguns exemplos claros de conversões energéticas.

EXEMPLOS DE CONVERSÕES ENERGÉTICAS

1. interior das estrelas

2. vulcões e terremotos

3. ciclo das águas

4. fotossíntese

As conversões energéticas também têm sido promovidas pelo homem ao longo de sua história, na medida em que permitem, a partir das disponibilidades de energia na natureza, obter formas energéticas mais adequadas para as possibilidades de transporte e armazenamento energético, assim como para seu uso final, visando à movimentação de pessoas e bens, à iluminação e ao aquecimento, entre outros usos da energia. Para tanto, foram desenvolvidos processos tecnológicos e equipamentos energéticos importantes no nosso dia a dia, como as rodas d’água, os moinhos de vento, os motores a combustão e elétricos, as lâmpadas, os refrigeradores e condicionadores de ar. Todos esses equipamentos fazem conversões energéticas. As conversões energéticas, bem como o transporte e o armazenamento de energia, estão por toda parte. Para o nosso deslocamento, utilizamos veículos com motores que convertem a energia química dos combustíveis sucessivamente em energia térmica, que é posteriormente convertida em energia mecânica (potencial quando os veículos sobem e cinética quando ganham velocidade...) e em energia térmica residual. Quando esses veículos são freados, sua energia mecânica se dissipa em mais energia térmica.

Para refletir:

É SEMPRE POSSÍVEL, PARA QUALQUER ATIVIDADE HUMANA, DESTACAR SUA DEPENDÊNCIA DIRETA E INDIRETA DAS CONVERSÕES ENERGÉTICAS PARA ALCANÇAR A PRODUÇÃO DE BENS E SERVIÇOS E O BEM-ESTAR DESEJA

Para nossa alimentação, desde as atividades agrícolas, em que a energia é fundamental para o acionamento de máquinas e tratores e para a produção de insumos (fertilizantes, agroquímicos etc.), passando por transporte, processamento e armazenamento dos produtos agropecuários, até sua preparação final nos fogões e fornos, as conversões, envolvendo diversas formas energéticas, são essenciais. Em síntese, as formas energéticas se convertem umas nas outras, em inumeráveis exemplos. Energia elétrica se transforma em energia mecânica nos motores elétricos, enquanto a energia mecânica pode produzir energia elétrica nos geradores; a energia elétrica se converte em radiação (luminosa) nas lâmpadas, enquanto a radiação luminosa se transforma em energia elétrica nas fotocélulas... A energia, com seu poder transformador, é uma heroína de mil faces, ou um camaleão, ou, quem sabe, um coringa..

As conversões de energia são essenciais até mesmo em nossa alimentação. A energia permite movimentar máquinas agrícolas e tratores, está presente na fabricação de produtos químicos utilizados para fertilizar a terra e defender os vegetais de pragas e, ainda, no transporte, processamento e armazenamento dos produtos agropecuários, até sua preparação final nos fornos e fogões. É possível dizer que, na maioria das atividades realizadas pelo homem, ele depende, seja direta ou indiretamente, das conversões energéticas para realizar a produção de bens e serviços ou para seu bem-estar.

Leis básicas das conversões energéticas

AS LEIS DA TERMODINÂMICA

A termodinâmica é uma área da Física que estuda as relações entre calor, trabalho e as propriedades das substâncias que interagem nessas relações. Todos os processos de conversão energética são regidos por duas leis físicas fundamentais que, segundo Einstein, representam as leis mais básicas e incontestáveis do universo. A primeira delas, estabelecida em 1840, é a Lei da Conservação da Energia:

Energia não se cria nem se destrói.

Com a exceção dos casos em que ocorrem reações nucleares e conversão de massa em energia, a soma dos fluxos e estoques energéticos é sempre constante. Essa lei é efetivamente útil para entender como se comportam os equipamentos energéticos. Por exemplo, em um motor elétrico típico, observa-se a entrada de 100 unidades de energia elétrica e a saída de 85 unidades de energia mecânica, enquanto, em um motor de combustão, é possível medir a entrada de 100 unidades de energia química para a produção de 30 unidades de energia mecânica. Como energia não se destrói, a parcela faltante corresponde à energia não convertida em energia mecânica. Em ambos os casos, é liberada como energia térmica. Desse modo, no motor elétrico, 15 unidades da energia elétrica se convertem em energia térmica (que aquece o motor), enquanto, no motor de combustão, 70 unidades da energia do combustível se transformam em energia térmica, liberada nos gases de escapamento e no radiador desse motor.

Uma consequência importante da Lei da Conservação da Energia é a definição de eficiência, que relaciona o efeito energético útil obtido com a energia utilizada para sua obtenção e permite avaliar o desempenho dos equipamentos energéticos. No exemplo do parágrafo anterior, a eficiência do motor elétrico seria de 85%, e a do motor de combustão, 30%, valores representativos para o desempenho desses sistemas de conversão energética e indicadores da energia perdida, ou seja, da energia não transformada na forma desejada. De forma análoga, podem ser determinados valores para a eficiência de lâmpadas, geladeiras e demais sistemas energéticos. Em todos os processos reais de conversão energética, sempre ocorre alguma produção de energia térmica. Assim, a segunda lei básica, desenvolvida entre 1824 e 1865, é a Lei da Dissipação da Energia. Entre as duas leis da termodinâmica, a segunda é a que tem maior aplicação na construção de máquinas e utilização na indústria, pois trata diretamente do rendimento das máquinas térmicas. Dois enunciados diferentes ilustram a segunda Lei da Termodinâmica, os enunciados de Clausius e de Kelvin-Planck:

• Enunciado de Clausius

O calor não pode fluir, de forma espontânea, de um corpo de temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.

A consequência é que o sentido natural do fluxo de calor ocorre da temperatura mais alta para a mais baixa. Além disso, para que o fluxo seja inverso, é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

• Enunciado de Kelvin-Planck

É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho.

Este enunciado implica que não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, isto é, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo. Desse modo, quando se pretende obter energia elétrica ou mecânica, a eficiência será sempre menor que 100%, pois energia térmica será produzida inevitavelmente. Entre as consequências importantes dessa lei, tem-se a irreversibilidade dos processos de conversão energética, pois é possível converter bem (com alta eficiência) energia elétrica ou mecânica em energia térmica, mas apenas parcialmente (com baixa eficiência) energia térmica em outras formas energéticas. Portanto, os processos energéticos não podem ser revertidos de forma perfeita, pois, à medida que o tempo avança e conversões energéticas, naturais ou promovidas pelo homem vão acontecendo, a energia do universo, que não se cria nem se destrói, transforma-se de forma irreversível em energia térmica. Com efeito, uma das formas mais consistentes de medir a passagem do tempo é exatamente observando como se incrementa a energia térmica a partir das outras energias. Não é possível, infelizmente, obter novamente a lenha queimada em uma fogueira a partir das cinzas, da fumaça e da energia liberada, nem usar a água aquecida que sai do chuveiro para produzir energia elétrica que foi usada para aquecê-la. Depois de subir uma ladeira, por mais cuidadosamente que se volte de ré pelo mesmo caminho, não será possível repor no tanque o combustível queimado na subida. Outra consequência dessa lei é o conceito de qualidade de uma forma energética, determinado pela possibilidade de conversão em outras formas. Assim, enquanto a energia elétrica e a energia mecânica apresentam alta qualidade, por serem altamente conversíveis em outras formas energéticas, a energia térmica e a energia química (geralmente utilizada por meio de combustão) são limitadamente conversíveis nas demais. As eficiências dos motores elétricos e de combustão, indicadas anteriormente, mostram isso claramente. É interessante observar como essas duas leis se complementam na compreensão dos processos energéticos: a energia não se destrói e, portanto, não desaparece durante sua conversão em outras formas, mas uma parcela será sempre e irreversivelmente convertida em energia térmica, com baixa conversibilidade.

Fique ligado

EM POUCAS PALAVRAS: NAS CONVERSÕES A ENERGIA SE CONSERVA, MAS PERDE QUALIDADE, PROPORCIONALMENTE AO DESEMPENHO DO EQUIPAMENTO.

Energia e potência

Energia é quantidade de capacidade transformadora, e potência é a velocidade na qual essa capacidade é exercida. Alguns exemplos podem ajudar a compreender esse conceito. Vejamos: para mover uma quantidade de terra de um lugar a outro, é necessária uma quantidade de energia, não é? Se quisermos fazer isso em pouco tempo, será preciso um equipamento de grande potência, mas, se não tivermos pressa, pode ser usado um equipamento menos potente para o mesmo serviço. Uma bateria de automóvel tem energia suficiente para manter uma lâmpada de uso residencial acesa por umas seis horas, a mesma energia que é liberada em frações de segundo por um raio durante uma tempestade. Quando compramos uma quantidade de combustível, compramos energia, que poderá fornecer mais ou menos potência, dependendo do tempo em que vamos consumir tal combustível. Geralmente, dizemos que precisamos de energia, mas, muitas vezes, precisamos mesmo é de potência, porque necessitamos de uma quantidade de energia durante certo tempo. Assim, quando queremos iluminar adequadamente um quarto, precisamos de lâmpadas com a potência correta, e quando queremos ir a um local, pretendemos fazer isso em um tempo razoável. De nada adianta consumir a mesma energia, iluminando o quarto durante um tempo maior com uma lâmpada mais fraca, ou mover-se vagarosamente para onde se quer ir, de modo a necessitar de uma potência menor. Veja, a seguir, como o conceito de energia e potência evoluiu ao longo do tempo.

OS CONCEITOS DE ATO E POTÊNCIA EM ARISTÓTELES

Nossa história começa debruçada na primeira obra do filósofo Aristóteles (384-322 a.C.), Filosofia, ou a Opus Magna Metafísica, conforme denominada mais tarde por Andrônico de Rodes (130-60 a.C.). É no livro IX, “A doutrina da potência e do ato”, que percebemos a definição de dois vocábulos gregos, que foram traduzidos para o português como ato (gr. energéia) e potência (gr. dýnamis). No pensamento de Aristóteles, “ato” é o oposto de “potência”. Se, por um lado, ato significa o “Ser” em sua capacidade de se desenvolver, a “potência” é o “Ser” em sua possibilidade de se desenvolver. A ideia aristotélica pode ser exemplificada da seguinte maneira: a árvore é o “ato” da semente daquela árvore, ou seja, a semente é a árvore desta semente em “potência” (ou em potencial). Nota-se que Aristóteles deve ser interpretado em sua época, visto que o conceito hodierno de “potencial” (que é ligado à energia) não é sinônimo de “potência”.

O CONCEITO DE “FORÇA VIVA” (LAT. VIS VIVA) NA ESCOLÁSTICA Já no período denominado Escolástica, observam-se pesquisas no campo da força viva (isto é, vis viva), que se caracterizava pela força natural de movimento de um corpo até a sua parada. Escolásticos como Alberto Magno e Roger Bacon estudaram esse tema e sua relação com a conservação da energia.

Aristóteles (384-322 a.C.), filósofo grego, nasceu em Estagira, colônia de origem jônica, no reino da Macedônia. A região geográfica da Macedônia é atualmente dividida entre a Grécia, a República da Macedônia, a Bulgária, a Albânia e a Sérvia. Aristóteles é filho de Nicômaco, médico do rei Amintas. Toda a sua filosofia se embasa em uma observação minuciosa da natureza, da sociedade e dos indivíduos, organizada de forma enciclopédica. Foi discípulo do filósofo Platão. Elaborou um sistema filosófico no qual abordou e pensou sobre praticamente todos os assuntos existentes, como geometria, física, metafísica, botânica, zoologia, astronomia, medicina, psicologia, ética, drama, poesia, retórica, matemática e principalmente lógica.

Escolástica foi o pensamento cristão produzido na Idade Média. Porque era a filosofia ensinada nas escolas da época pelos mestres, foram chamados de escolásticos. As matérias ensinadas nas escolas da época eram representadas, em uma primeira divisão, em artes liberais: gramática, retórica e dialética. Em uma segunda divisão, quatro artes matemáticas: aritmética, geometria, astronomia e música. A escolástica surge, historicamente, do especial desenvolvimento da dialética.