A Lei da Conservação da Energia, também conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica, é um dos conceitos fundamentais da física que rege o nosso universo.
Ao longo da história da ciência, esta lei tem sido um pilar fundamental que nos tem permitido compreender e explicar uma vasta gama de fenómenos naturais.
Origem e autor
A ideia de conservação de energia começou a tomar forma no século XIX graças ao trabalho de cientistas como Julius Robert Mayer, James Joule e Hermann von Helmholtz. Esses pesquisadores realizaram estudos exaustivos sobre a conversão de energia térmica em energia mecânica e vice-versa.
No entanto, a formulação mais conhecida desta lei é atribuída a Rudolf Clausius e William Thomson (Lord Kelvin) em meados do século XIX.
O que estabelece a lei da conservação da energia?
Esta lei afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Ou seja, a quantidade total em um sistema isolado não varia com o tempo.
Isto significa que, na ausência de forças externas, a energia total de um sistema é conservada, mesmo que sofra transformações de um tipo de energia para outro. Por exemplo, num sistema fechado, a energia mecânica pode ser convertida em energia térmica devido ao atrito, mas a soma total de ambas as formas de energia permanecerá constante.
Da mecânica newtoniana
Na mecânica newtoniana, o princípio da conservação afirma que: “A energia mecânica total de um sistema fechado de corpos, entre os quais atuam apenas as forças internas do sistema, permanece constante”.
Simplificando, na ausência de forças dissipativas (por exemplo, forças de atrito), a energia não surge do nada e não pode desaparecer. Eles só podem ser convertidos em outros tipos de energia.
Da termodinâmica
Na termodinâmica, a lei de conservação é formulada como a primeira lei da termodinâmica : “A quantidade de calor recebida pelo sistema é usada para alterar sua energia interna e realizar trabalho contra forças externas”.
A lei da conservação da energia afirma que não existem máquinas de movimento perpétuo do primeiro tipo. Sadi Carnot mostrou que tais processos são impossíveis.
Exemplos da lei
Para compreender melhor a Lei da Conservação da Energia, é útil ver alguns exemplos concretos de como ela funciona em situações cotidianas e científicas:
Pêndulo simples
Imagine um pêndulo simples, como um pêndulo de relógio. Quando você levanta o pêndulo até uma certa altura e o solta, ele começa a balançar para frente e para trás. À medida que desce, a sua energia potencial gravitacional diminui, mas a sua energia cinética aumenta.
A soma da energia potencial e cinética em qualquer ponto do seu movimento será sempre constante se não houver forças de atrito ou resistência do ar envolvidas.
Queda livre
Quando você deixa cair um objeto de uma certa altura, sua energia potencial gravitacional é convertida em energia cinética à medida que ele cai.
A lei da conservação da energia afirma que a soma destas duas formas de energia é constante durante a queda.
carro em movimento
Quando um carro está se movendo a uma certa velocidade constante, ele possui energia cinética devido ao seu movimento.
Se o motorista desligar o motor, o carro continuará se movendo devido à inércia, e sua energia cinética permanecerá constante até que ocorra alguma força de atrito, como a frenagem, que converte a energia cinética em energia térmica através do calor gerado pelas rodas. freios.
Transformação de energia em uma usina
Numa central térmica convencional, a energia química armazenada no combustível (como carvão ou gás) é convertida em energia térmica através da combustão. Essa energia térmica é então utilizada para aquecer água e produzir vapor, que aciona uma turbina conectada a um gerador elétrico. A energia térmica é convertida em energia mecânica na turbina e finalmente em energia elétrica no gerador.
Da mesma forma, uma central nuclear pode realizar o mesmo processo mas em vez de partir da energia química dos combustíveis fósseis, a energia térmica é obtida a partir da energia nuclear obtida pela fissão de um átomo.
Em ambos os casos, ao longo de todas estas transformações, a energia total é conservada, embora mude de forma.
Reação nuclear no Sol
No núcleo do Sol ocorre uma reação nuclear chamada fusão nuclear, na qual núcleos de hidrogênio se combinam para formar hélio.
Durante esta reação, uma pequena quantidade de massa é convertida em energia, de acordo com a famosa equação de Einstein, E=mc 2 . A energia liberada na forma de luz e calor é constante, o que mantém o Sol brilhando por bilhões de anos.
Uma montanha-russa
Um carro de montanha-russa faz diversas conversões de energia potencial e energia cinética a cada viagem. Quando está no máximo, quase toda a energia é energia potencial gravitacional. Então, à medida que desce, a velocidade aumenta e a energia é transformada em energia cinética.
Importância na física
A lei da conservação da energia é um pilar fundamental da física e tem uma ampla gama de aplicações em diversos ramos da ciência. Algumas das áreas onde esta lei desempenha um papel crucial incluem:
- Física termodinâmica : A termodinâmica, o ramo da física que estuda as relações entre calor, trabalho e energia, baseia-se na lei da conservação da energia. Esta lei permite-nos compreender como funcionam os motores, motores térmicos e sistemas de refrigeração.
- Mecânica : Na mecânica clássica, a conservação de energia é utilizada para resolver problemas relacionados à cinemática e dinâmica de objetos em movimento. A energia cinética e potencial são exemplos de formas de energia cuja conservação é essencial neste contexto.
- Eletrodinâmica e eletromagnetismo – Este princípio também é aplicável no campo da eletricidade e do magnetismo. Nos circuitos elétricos, por exemplo, a energia elétrica é transformada em energia luminosa em lâmpadas ou em energia térmica em dispositivos de aquecimento.
- Física nuclear : Na física nuclear, esta lei é essencial para a compreensão das reações nucleares e da energia liberada em processos como fusão e fissão nuclear.