No vasto universo da física e da ciência, a energia potencial manifesta-se de diversas formas, cada uma com características e aplicações próprias. Essas formas de energia potencial são fundamentais para entender como funciona o mundo que nos rodeia, desde o voo de um pássaro até o funcionamento de usinas de energia.
Nesta exploração dos tipos de energia potencial, examinaremos as características gerais desta classificação em diversos contextos, desde a influência gravitacional nos objetos até a força magnética subjacente aos dispositivos eletrônicos.
Cada tipo de energia potencial tem suas propriedades e sua relevância em nosso dia a dia e, juntas, oferecem uma visão mais completa do incrível mundo da energia em todas as suas formas.
Energia potencial gravitacional
Energia potencial gravitacional é a energia potencial que um objeto ganha devido ao efeito gravitacional de outro objeto (geralmente corpos muito grandes como a Terra).
Esta energia é diretamente proporcional à massa do objeto e ao tamanho da massa atraída. A magnitude da massa atraída cria a aceleração da gravidade. Esta aceleração da Terra é de aproximadamente 9,8 m/s² na superfície da Terra.
A energia potencial gravitacional é equivalente à energia necessária para colocar um objeto a uma certa altura.
É chamada de energia gravitacional ou energia potencial gravitacional. Para um objeto com massa m, na altura h, a seguinte expressão se aplica à energia gravitacional do objeto:
E p = m·g·h
Onde (em unidades SI):
- E p - A energia potencial em joules (J).
- m - a massa em quilogramas (kg)
- h - a altura em metros (m)
- g - aceleração da queda em m/s² (aproximadamente 9,81 m/s²)
A energia potencial gravitacional se o objeto estiver no nível h = 0 é definida como zero.
Porém, quando este objeto está localizado a uma grande distância da superfície da Terra, a gravidade não é mais constante e a fórmula acima não se aplica mais.
A expressão para a energia potencial gravitacional torna-se então:
A energia potencial a uma distância infinita da Terra é zero aqui, porque a fórmula é a mais simples (isto porque, ao contrário de muitos outros casos, a diferença de energia aqui tem um limite finito). A energia potencial é, portanto, sempre negativa e, como no modelo mencionado acima, aumenta à medida que o objeto se afasta da Terra.
Um exemplo desse tipo é uma montanha-russa. O momento em que o carro está no ponto mais alto é quando ele tem mais energia potencial e quase nenhuma energia cinética.
A força da gravidade exerce uma força que empurra o carro para baixo. Durante a descida, a energia é transformada em energia cinética.
Nos pontos mais baixos, as energias cinética e potencial se inverteram.
Energia potencial elástica
Energia potencial elástica é a energia armazenada na capacidade de um corpo retornar à sua posição natural. Esta forma de energia também é chamada de energia da mola ou energia potencial elástica.
A elasticidade é uma propriedade de certos materiais pela qual, uma vez deformados, esticados ou separados da sua posição inicial, podem recuperar o seu estado original, ou equilíbrio.
Uma mola linear (ideal) com constante elástica k que é puxada (ou empurrada) por uma distância Δl tem um aumento na energia da mola de:
Energia potencial elétrica
A energia potencial elétrica é a energia potencial que resulta de forças conservadoras de Coulomb. Esta energia está associada à configuração de várias cargas pontuais em um sistema definido.
Também pode ser chamada de energia potencial eletrostática.
Um objeto pode ter energia potencial elétrica devido a dois elementos principais: sua própria carga elétrica e sua posição em relação a outros objetos eletricamente carregados.
Energia potencial química
As ligações químicas são capazes de armazenar energia potencial. A energia potencial química está relacionada ao arranjo estrutural de átomos ou moléculas. Este arranjo pode ser o resultado de ligações químicas dentro de uma molécula ou de outra forma.
A energia química pode ser transformada em outras formas de energia através de uma reação química.
Exemplos de energia potencial química:
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Quando o combustível é queimado, a energia química é convertida em calor
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Durante o processo metabólico da digestão. Os alimentos metabolizados em um organismo biológico são transformados em energia.
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O processo de fotossíntese. Através deste processo, as plantas verdes transformam a energia solar em energia química.
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Reações eletroquímicas. A energia elétrica pode ser convertida em energia química por meio de reações eletroquímicas. Estas reações ocorrem durante o carregamento da bateria.
Energia potencial nuclear
A energia potencial nuclear é uma forma de energia armazenada nos núcleos dos átomos. Baseia-se nas forças de atração que mantêm unidos os componentes subatômicos, chamados núcleons, que constituem o núcleo.
Essa energia é liberada ou absorvida durante reações nucleares, como fusão e fissão nuclear.
- Durante a fissão nuclear, um núcleo pesado se divide em núcleos mais leves, liberando uma grande quantidade de energia na forma de calor e radiação.
- Por outro lado, na fusão nuclear, os núcleos leves se combinam para formar um núcleo mais pesado, liberando ainda mais energia.
A energia potencial nuclear é a força por trás da imensa quantidade de energia liberada no sol e é um componente chave na geração de eletricidade em usinas nucleares.
O estudo e o controlo da energia nuclear potencial têm aplicações tanto pacíficas como militares. Em aplicações pacíficas, é utilizado na geração de energia nuclear para a produção de eletricidade. Contudo, a libertação descontrolada desta energia sob a forma de armas nucleares pode ter consequências catastróficas.
Energia potencial magnética
A energia potencial magnética está relacionada à energia armazenada em um campo magnético. Ímãs e bobinas de fio que transportam corrente elétrica são exemplos de sistemas que podem conter essa forma de energia.
Quando movemos um ímã ou alteramos a corrente em uma bobina, a energia potencial magnética é transformada em energia cinética ou elétrica, assim como ocorre nos geradores elétricos.
Energia potencial térmica
A energia potencial térmica refere-se à energia armazenada na temperatura de um sistema. Neste contexto, a temperatura mais elevada de um objeto ou substância está associada a uma maior energia térmica potencial.
Essa energia pode ser aproveitada para realizar trabalhos úteis em aplicações de motores térmicos, como motores de combustão interna ou turbinas a vapor. Quando o calor é transferido de um sistema para outro, a energia potencial térmica pode ser convertida em trabalho mecânico, eletricidade ou qualquer outra forma de energia útil dependendo da aplicação, tornando-a um componente essencial na geração de energia e em diversas áreas da tecnologia.
Energia Potencial de Poço Quântico
A energia potencial de poço quântico é um conceito essencial na física quântica e está relacionada à energia armazenada por partículas subatômicas confinadas em estruturas microscópicas chamadas “poços quânticos”.
Esses poços quânticos são como armadilhas de partículas, onde as partículas são mantidas dentro de limites bem definidos.
Energia potencial da mola de torção
Em sistemas mecânicos que envolvem molas de torção (molas que torcem em vez de esticar ou comprimir), a energia potencial de torção é armazenada.
Esta energia potencial é liberada quando a mola de torção relaxa e retorna à sua posição de equilíbrio. Esta forma de energia tem aplicações em dispositivos como relógios e ferramentas de medição de torque.