A energia é um conceito abstrato, mas podemos defini-la de maneira concreta, como sendo a capacidade de um sistema de realizar trabalho. Lembrando que trabalho em Física está relacionado a um deslocamento que acontece quando há ação de uma força.
Vamos falar inicialmente de duas formas de energia: a cinética e a potencial.
A cinética está associada ao movimento. Se um corpo está em movimento e possui uma velocidade, então ele possui energia na forma cinética, e esta é diretamente proporcional ao quadrado da sua velocidade, e ao valor da sua massa.
onde m é a massa do corpo e v a sua velocidade.
O objetivo de grande parte dos nossos sistemas tecnológicos é produzir energia cinética, para que máquinas realizem o nosso trabalho. Um exemplo claro disso são os automóveis, graças a sua energia cinética não precisamos andar grandes distâncias.
Mas como podemos produzir energia cinética?
A resposta a essa pergunta está na outra forma de energia, a potencial. Podemos defini-la como a energia que tem a capacidade de ser transformada em energia cinética.
Quando levamos uma massa de água para o alto de uma montanha e a deixamos lá represada, ela passa a ter a capacidade de se movimentar caso seja liberada. Neste caso a água possui energia na forma de potencial gravitacional pelo fato de está em certa altura.
A energia potencial gravitacional é maior quanto maior for à altura que o corpo é colocado. Podemos medi-la da seguinte forma:
Eg = m.g.h
onde g é a aceleração da gravidade e h a altura ocupada pelo corpo de massa m.
Outra maneira de se obter energia potencial ao deixar um sistema em uma determinada posição, é quando comprimimos uma mola, ou qualquer outro material que ao ser deformado tente a retornar a sua posição original.
Essa energia é chamada de potencial elástica.
Vamos usar como exemplo uma mola.
A energia potencial elástica é diretamente proporcional ao quadrado da deformação provocada na mola, simbolizada por x, e a uma propriedade da mola que está relacionada a sua confecção e o tipo de matéria utilizado, que é a constante elástica, simbolizada pela letra k.
Então podemos calcular a energia potencial elástica através da seguinte equação:
Outra forma de energia potencial é a potencial química.
Esta forma de energia está associada a todo tipo de reação química que libera energia. São exemplos de transformação de energia potencial química em cinética, os motores dos carros, que ao queimar combustível produzem movimento, nosso metabolismo que quebra as moléculas dos nutrientes contidos nos alimentos para produzir a energia que nos permite dentre outras coisas correr.
Então a energia potencial química é liberada na quebra de uma ligação química que forma a molécula de uma substância.
Usinas termelétricas que utilizam combustíveis em seu funcionamento tem como fonte primária a energia potencial química, que é transformada em energia térmica.
A energia térmica, ou calor, está associada a variação de temperatura ou a mudanças de estado físico, é a energia que passa de um corpo mais quente para outro mais frio.
O calor pode ser produzido também através do atrito, por exemplo, quando esfregamos uma mão na outra, nesse caso essa energia é perdida para o ambiente.
Quando acontece o atrito durante os processos de transformação de energia, parte dela é dissipada, ou seja, não pode ser reaproveitada na forma de outro tipo de energia.
Além da produção de calor, o som e a luz são outras evidências de que a energia está sendo dissipada.
Um exemplo disso é quando ocorre uma explosão devido a alguma reação química, temos simultaneamente a produção de energia térmica, sonora e luminosa, que não podem ser reaproveitadas em outro processo de transformação de energia.
Durante as etapas de transformação de energia, quando não há dissipação por atrito, dizemos que a energia se conserva. Ou seja, toda energia potencial é transformada em cinética, e vice e versa.
A soma das energias cinética e potencial de um sistema é chamada de Mecânica.
Se não há variação na energia mecânica dizemos que ela se conservou.
Que tal uns exercícios para colocar todo este conhecimento em prática?
1) (ENEM 2009)
A luz solar que atinge a parte superior da atmosfera terrestre chega a uma taxa constante de 135,2 mW/cm². Dessa radiação, apenas 50% conseguem chegar à superfície, pois parte dela é refletida pelas nuvens e absorvida pela atmosfera. A radiação solar pode ser aproveitada para aquecer água de reservatórios, entre outras aplicações. Um sistema básico para transformar energia solar em térmica é ilustrado na figura ao lado acima. Esse sistema é constituído de coletores solares e de um reservatório térmico, chamado boiler. Os coletores solares, geralmente, são feitos de materiais que absorvem bem a radiação solar, e o calor gerado nos coletores é transferido para a água que circula no interior de suas tubulações de cobre. A água aquecida é armazenada no boiler. Dessa forma, a água é mantida quente para consumo posterior. A caixa de água fria alimenta o boiler, mantendo-o sempre cheio. Disponível em: www.icb.ufmg.br. Acesso em: 22 jun. 2008 (adaptado).
É correto afirmar que os coletores solares permitem boa economia de energia, pois
(A) se aplicam à produção tanto de energia térmica quanto elétrica.
(B) constituem fonte energética alternativa aos combustíveis fósseis usados no transporte.
(C) convertem energia radiante em energia térmica, que é usada no processo de aquecimento da água.
(D) permitem economizar até 135,2 mWh de energia elétrica, que seriam gastos com aquecimento elétrico.
(E) a energia luminosa coletada por eles pode ser usada para reduzir o número de lâmpadas usadas no ambiente.
Gabarito: C
A alternativa C descreve de maneira concreta o objetivo dos coletores solares, que é utilizar a energia solar para aquecer a água. Essa prática representa uma boa economia, pois dispensa o uso de chuveiros elétricos que consomem bastante energia.
2) (ENEM – 2009) A energia geotérmica tem sua origem no núcleo derretido da Terra, onde as temperaturas atingem 4.000 ºC. Essa energia é primeiramente produzida pela decomposição de materiais radiativos dentro do planeta.
Em fontes geotérmicas, a água, aprisionada em um reservatório subterrâneo, é aquecida pelas rochas ao redor e fica submetida a altas pressões, podendo atingir temperaturas de até 370 ºC sem entrar em ebulição. Ao ser liberada na superfície, à pressão ambiente, ela se vaporiza e se resfria, formando fontes ou gêiseres. O vapor de poços geotérmicos é separado da água e é utilizado no funcionamento de turbinas para gerar eletricidade. A água quente pode ser utilizada para aquecimento direto ou em usinas de dessalinização.
Roger A. Hinrichs e Merlin Kleinbach. Energia e meio ambiente. Ed. ABDR (com adaptações).
Depreende-se das informações acima que as usinas geotérmicas
(A) utilizam a mesma fonte primária de energia que as usinas nucleares, sendo, portanto, semelhantes os riscos decorrentes de ambas.
(B) funcionam com base na conversão de energia potencial gravitacional em energia térmica.
(C) podem aproveitar a energia química transformada em térmica no processo de dessalinização.
(D) assemelham-se às usinas nucleares no que diz respeito à conversão de energia térmica em cinética e, depois, em elétrica.
(E) transformam inicialmente a energia solar em energia cinética e, depois, em energia térmica.
Gabarito: D
As usinas geotérmicas e nucleares são exemplos de usinas termelétricas, que fazem uso do calor, para produzir vapor de água em alta pressão que movimenta a turbina.
A diferença entre elas está na maneira como esse calor é obtido, ou seja, na fonte primária. No caso da geotérmica, ele vem do núcleo da Terra e nas usinas nucleares vem das reações de fissão nuclear que acontecem com o urânio enriquecido.
3) (ENEM 2010) No nosso dia a dia deparamo-nos com muitas tarefas pequenas e problemas que demandam pouca energia para serem resolvidos e, por isso, não consideramos a eficiência energética de nossas ações. No global, isso significa desperdiçar muito calor que ainda poderia ser usado como fonte de energia para outros processos. Em ambientes industriais, esse reaproveitamento é feito por um processo chamado cogeração. A figura a seguir ilustra um exemplo de cogeração na produção de energia elétrica.
Em relação ao processo secundário de aproveitamento de energia ilustrado na figura, a perda global de energia é reduzido por meio da transformação de energia
(A) térmica em mecânica.
(B) mecânica em térmica.
(C) química em térmica.
(D) química em mecânica.
(E) elétrica em luminosa.
Gabarito: A
No processo secundário temos uma turbina que funciona a partir do vapor que é produzido com a energia recuperada do processo primário.
Então temos energia térmica na produção do vapor se transformando em energia mecânica no movimento da turbina.
4) (ENEM – 2009) Considere a ação de se ligar uma bomba hidráulica elétrica para captar água de um poço e armazená-la em uma caixa d’água localizada alguns metros acima do solo. As etapas seguidas pela energia entre a usina hidroelétrica e a residência do usuário podem ser divididas da seguinte forma:
I–na usina: água flui da represa até a turbina, que aciona o gerador para produzir energia elétrica.
II–na transmissão: no caminho entre a usina e a residência do usuário a energia elétrica flui por condutores elétricos.
III–na residência: a energia elétrica aciona um motor cujo eixo está acoplado ao de uma bomba hidráulica e, ao girar, cumpre a tarefa de transferir água do poço para a caixa.
As etapas I, II e III acima mostram, de forma resumida e simplificada, a cadeia de transformações de energia que se processam desde a fonte de energia primária até o seu uso final. A opção que detalha o que ocorre em cada etapa é:
(A) Na etapa I, energia potencial gravitacional da água armazenada na represa transforma-se em energia potencial da água em movimento na tubulação, a qual lançada na turbina, causa a rotação do eixo do gerador elétrico e a correspondente energia cinética, dá lugar ao surgimento de corrente elétrica.
(B) Na etapa I, parte do calor gerado na usina se transforma em energia potencial na tubulação, no eixo da turbina e Joule no circuito interno do gerador.
(C) Na etapa II, elétrons movem-se nos condutores que formam o circuito entre o gerador e a residência: nessa etapa, parte da energia elétrica transforma-se em energia térmica por efeito Joule nos condutores e parte se transforma em energia potencial gravitacional.
(D) Na etapa III, a corrente elétrica é convertida em energia térmica, necessária ao acionamento do eixo da bomba hidráulica, que faz a conversão em energia cinética ao fazer a água fluir do poço até a caixa, com ganho de energia potencial gravitacional pela água.
(E) Na etapa III, parte da energia se transforma em calor devido a forças dissipativas (atrito). Na tubulação; e também por efeito Joule no circuito interno do motor; outra parte é transformada em energia cinética da água na tubulação e potencial gravitacional na caixa d’água.
Gabarito: E
A alternativa correta é a letra E, as perdas de energia ocorrem durante todos os processos através do atrito e do efeito Joule, que é a transformação de energia elétrica em calor, devido a resistência do fio. A energia elétrica que não é perdida aciona a bomba que a transforma em energia cinética, movimentando a água para cima, onde passa a ter energia na forma de potencial gravitacional.
5) (ENEM 2012) A usina termelétrica a carvão é um dos tipos de unidades geradoras de energia elétrica no Brasil. Essas usinas transformam a energia contida no combustível (carvão mineral) em energia elétrica. Em que sequência ocorrem os processos para realizar essa transformação?
(A) A usina transforma diretamente toda a energia química contida no carvão em energia elétrica, usando reações de fissão em uma célula combustível.
(B) A usina queima o carvão, produzindo energia térmica, que é transformada em energia elétrica por dispositivos denominados transformadores.
(C) A queima do carvão produz energia térmica, que é usada para transformar água em vapor. A energia contida no vapor é transformada em energia mecânica na turbina e, então, transformada em energia elétrica no gerador.
(D) A queima do carvão produz energia térmica, que é transformada em energia potencial na torre da usina. Essa energia é então transformada em energia elétrica nas células eletrolíticas.
(E) A queima do carvão produz energia térmica, que é usada para aquecer água, transformando-se novamente em energia química, quando a água é decomposta em hidrogênio e oxigênio, gerando energia elétrica.
Gabarito: C
Estamos falando de uma usina termelétrica, que utiliza como fonte primária o carvão. A queima do carvão representa a obtenção de energia potencial química, que é transformada em energia térmica, utilizada para transformar água em vapor, a alta pressão. Esse vapor de água é direcionado para as pás da turbina, fazendo acionar o gerador, que transforma essa energia cinética em energia elétrica.
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