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Usina Nuclear Isar, Alemanha

Piscina de combustível nuclear usado

Turbina de uma usina nuclear

Qual é a energia?

Qual é a energia?

Energia é uma quantidade física escalar. A energia é uma medida única de várias formas de movimento e interação da matéria, uma medida da transição da matéria de uma forma para outra. A introdução do conceito de energia é importante porque, se o sistema físico estiver fechado, sua energia será armazenada nesse sistema durante o período em que o sistema será fechado.

Um sistema fechado é um sistema que não troca energia com o exterior. Essa afirmação é chamada lei da conservação de energia: a energia não é criada nem destruída, só pode ser transformada. Só é possível converter um tipo de energia em outro tipo de energia. Por exemplo, energia nuclear em energia elétrica.

Geralmente, a energia é denotada pelo símbolo E. Para indicar a quantidade de calor (a quantidade de energia transmitida pela transferência de calor), geralmente é usado o símbolo Q. Para designar o trabalho como a quantidade de energia transferida, geralmente é usado o símbolo W. O símbolo U é geralmente usado para indicar a energia interna do corpo (a origem do símbolo deve ser especificada).

Tipos de energia

A energia pode ser apresentada de várias formas, que, pelo princípio da conservação de energia, podem ser transformadas uma na outra. Portanto, podemos falar sobre diferentes tipos de energia mais dependendo de seus efeitos do que de sua origem natural. Nesse sentido, a energia pode ser classificada como mecânica, termodinâmica, eletromagnética e nuclear.

Definição de energia mecânica

A energia mecânica é devida às variáveis ​​geométricas e dinâmicas do sistema, do ponto de vista macroscópico, e é a que responde ao esquema matemático mais simples.

A definição de energia mecânica em um corpo material de massa constante (m) é a soma de sua energia cinética e de sua energia potencial. A energia cinética é proporcional à velocidade do corpo, enquanto a energia potencial depende da posição do corpo no campo de força circundante. Assim, no caso da queda livre, a posição seria determinada pela altura e o campo de força pela força da gravidade. A energia potencial de deformação devido às propriedades elásticas de um corpo deformado, como uma mola comprimida, também pode ser considerada.

Definição de energia termodinâmica

A definição de energia termodinâmica faz sentido do ponto de vista molecular. Considerando as variáveis ​​termodinâmicas, podemos definir a energia interna U de um sistema como a soma das energias cinéticas das moléculas que o compõem e a energia potencial das forças entre elas. Cada um dos átomos ou moléculas de um corpo ou de uma substância está em movimento contínuo, seja de rotação, translação ou vibração, em relação à posição de equilíbrio, mais ou menos intenso, dependendo da temperatura. Deste ponto de vista, podemos afirmar que a energia térmica é equivalente à energia cinética das moléculas, conforme formulado por L. Boltzmann em sua teoria cinética dos gases.

A energia interna não é uma quantidade mensurável absoluta, mas apenas as variações de energia entre dois estados do sistema (primeiro princípio da termodinâmica) são medidas.

O nome dado a ela depende da manifestação dessa energia ou da natureza do fenômeno que a gera. Nós definimos

  • energia de ligação ou energia de formação a diferença entre a energia de uma molécula e a dos átomos que a formam (ligação),
  • energia de dissociação a energia liberada na dissociação de um composto,
  • energia de ativação, o aumento de energia necessário para que ocorra uma reação química (energia de ativação) e
  • energia de ressonância a diferença entre a energia de formação teórica e a energia de formação real de um composto ressonante (ressonância).

A energia livre relaciona a variação da energia interna (U) ou entalpia (H) com a variação da entropia (S) de um sistema e serve para indicar em qual direção o sistema evoluirá espontaneamente (afinidade).

Definição de energia eletromagnética

A definição de energia eletromagnética é energia derivada da natureza eletromagnética da matéria.

A energia eletromagnética se manifesta basicamente de duas maneiras: transformar em energia cinética as cargas elétricas que estão em sua zona de influência - que podem ser convertidas em calor (efeito Joule) ou energia mecânica (motores elétricos) - ou se propagar como energia radiante fora da atmosfera. meio onde foi gerado na forma de ondas eletromagnéticas - que podem ser convertidas em energia luminosa etc. - ou também, em escala atômica, emitindo partículas transportadoras de uma certa quantidade de energia determinada pela equação de Planck (efeito fotoelétrico).

Definição de energia nuclear

Energia nuclearA última definição de energia é energia nuclear. Esse tipo de energia mantém os componentes do núcleo atômico muito próximos. A massa de um núcleo atômico é menor que a soma das massas das partículas elementares que o formam (defeito de massa). Esse defeito de massa é devido ao aparecimento de uma energia de coesão absorvida pela estrutura nuclear e que pode ser calculada usando a teoria da relatividade de Einstein.

Essa energia pode ser liberada na forma de energia radiante e energia cinética das partículas expelidas do núcleo.

Energias renováveis ​​e energias não renováveis

Existem também duas definições de energia que se referem à forma de uso. Nesse sentido, podemos distinguir energia renovável e energia não renovável. Geralmente, nos referimos a essas duas definições para falar sobre a geração de energia elétrica, mas o uso desses tipos de energia nem sempre é para gerar eletricidade.

Energia renovável é a energia que vem de fontes inesgotáveis. Alguns exemplos desse tipo de energia são energia solar (fotovoltaica e térmica), energia eólica, energia hidráulica.

Energia não renovável é energia proveniente de fontes limitadas. Nos não renováveis, o consumo desse tipo de energia é superior à sua capacidade de regeneração. Alguns exemplos desse tipo de energia são combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) e energia nuclear, entre outros. No caso da energia nuclear, e mais especificamente da fissão nuclear, embora uma grande quantidade de energia possa ser obtida por unidade de combustível nuclear, o urânio é um recurso natural limitado que não se regenera por si próprio.

Como a energia é usada? Usos e aplicações de energia

O uso da energia como fonte de trabalho sempre foi uma necessidade essencial para o homem e um dos fatores fundamentais do desenvolvimento econômico moderno e do progresso técnico.

Até o início da revolução industrial, exceto em experimentos isolados, o homem usava como fontes de energia, força muscular, energia hidráulica e energia eólica na produção de trabalhos mecânicos e combustíveis vegetais na obtenção de calor. Até então, esses eram os únicos recursos utilizados para obter energia, embora, com o tempo, esses sistemas tenham sido aperfeiçoados para obter rendimentos mais altos (uso mais racional dos animais, aprimoramento das técnicas de navegação, invenção da roda hidráulica, etc.)

O princípio do desenvolvimento das técnicas de exploração de energia foi o surgimento do motor a vapor e a transformação da roda hidráulica em uma turbina. Mais tarde, a construção dos primeiros motores de combustão deu o impulso final na obtenção de energia mecânica a partir do calor.

Hoje, as fontes de energia mais utilizadas são cachoeiras, combustíveis e fissão nuclear e, menos importante, energia solar, eólica, geotérmica e maré.

A exploração de energia hidráulica requer condições topográficas e hidrográficas adequadas e a construção de reservatórios e máquinas de grande escala, a fim de obter rendimentos de energia aceitáveis ​​(que podem atingir 80% ou mais da energia potencial da água) Geralmente sempre para a produção de energia elétrica.

A fonte mais importante de energia consiste em combustíveis que passaram por um crescimento exponencial nos últimos anos. O desempenho máximo é muito menor do que o obtido pela energia hidráulica, mas sua alta concentração de energia explica o considerável desenvolvimento sofrido. O calor obtido dos combustíveis é diretamente utilizado ou convertido em energia mecânica (motores, turbinas ...) e também para obter energia elétrica por meios eletroquímicos (célula de combustível).

O terceiro tipo de energia mais utilizado é a energia nuclear, geralmente obtida pela fissão de núcleos de substâncias como urânio, plutônio, tório, etc. A tecnologia das reações de fusão nuclear ainda não está suficientemente desenvolvida para permite a exploração industrial e é usado apenas em laboratórios experimentais e aplicações militares. A energia obtida na fissão nuclear se manifesta na forma de calor e atinge temperaturas muito mais altas do que as obtidas com combustíveis convencionais, no entanto, os rendimentos que podem ser obtidos atualmente ainda são muito baixos (da ordem de 30% ) A energia nuclear tem aplicação basicamente na produção de energia elétrica e na propulsão de navios.

História do estudo da energia

A noção de energia aparece pela primeira vez na pesquisa de Joule e Carnot sobre a conversão de calor em trabalho mecânico e graças à teoria de Helmholtz, na qual vincula o trabalho realizado por um sistema isotérmico à energia e entropia internas. deste sistema. Desse modo, a energia não está apenas ligada ao conceito de trabalho mecânico, mas também ao trabalho elétrico, químico ou calorífico. Por esse motivo, podemos falar sobre energia elétrica, energia química e energia térmica.

Ao mesmo tempo, pode-se dizer que, se uma certa quantidade de trabalho, ou parte equivalente desse trabalho, desaparecer em um sistema físico isolado, formando parte de diferentes formas de energia, a mesma quantidade de trabalho deverá aparecer em outras formas de energia, de acordo com a definição de lei de conservação de energia.

Como resultado das investigações realizadas por William Thomson e RJE Clausius no meio do s. XIX, o processo de degradação de energia ficou evidente, ou seja, que o trabalho útil que pode ser obtido em um sistema isolado nem toda a energia é conservado, mas que há uma parte dessa energia que é degradada (entropia, segunda princípio da termodinâmica). Posteriormente, e seguindo a teoria de A. Einstein sobre a equivalência entre massa e energia (1905), o princípio de conservação foi estendido, e atualmente não há diferença entre a conservação de massa e a conservação de energia, dando origem a A teoria da relatividade, lei de conservação.

Em 1900, Max Planck deu a explicação de muitos fenômenos até então inexplicados pela teoria dos quanta da energia (mecânica quântica), que foi a contribuição de um conceito fundamental para o conhecimento da energia.

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Última revisão: 10 de fevereiro de 2020