Apesar de todos nós termos a percepção do que é Energia, é difícil apresentar uma definição precisa. Na verdade, assistimos (e sentimos) diariamente a manifestações desse conceito. Sentimos frio quando saímos molhados da banheira, usamos o gás natural como combustível no fogão para fornecer energia térmica ao leite, que aquece, comemos para obter a energia contida nos alimentos.
Os sistemas que contêm energia armazenada e a podem transferir para outros sistemas designam-se por “fontes de energia” sendo estas subdivididas em Energias Renováveis (inesgotáveis) e Energias Não-Renováveis. O Sol, o vento, os cursos de água, o mar, os produtos florestais, os resíduos agrícolas e urbanos, e o interior da terra são fontes de energia renováveis (Fig. 4). Pelo contrário, os combustíveis fósseis como o carvão, o petróleo ou o gás natural, e os combustíveis nucleares, como o urânio e o plutónio, são fontes de energias não-renováveis (Fig.5). Dependendo da fonte de energia, é habitual atribuir diferentes designações à Energia tais como a Energia solar (ou Radiante, energia proveniente do sol que se propaga através das ondas electromagnéticas), a Energia Sonora (movimento ondulatório das partículas/corpúsculos constituintes da matéria), a Energia Eólica (movimento do ar), a Energia Hídrica (movimento da água de superfície ou subterrânea), a Energia das marés e das ondas, a Energia da Biomassa (produzida a partir de produtos florestais, agrícolas ou de resíduos urbanos), a Energia Geotérmica (calor proveniente do interior da Terra), a Energia Eléctrica (movimento de electrões), a Energia Elástica (associada a um corpo elástico, como uma mola), a Energia Magnética (energia armazenada num material que produz um campo magnético), a Energia Química (armazenada nas ligações químicas), a Energia térmica (que se transmite por diferença de temperaturas, conhecida popularmente por “calor”), ou a Energia Nuclear (armazenada nas ligações nucleares). Na realidade todas se resumem a duas formas de energia básicas: a Energia Cinética Interna, associada ao movimento vibracional, rotacional, translacional, electrónico, etc das partículas que constituem o sistema (moléculas e respectivos constituintes), e a Energia Potencial Interna (armazenada no sistema e que resulta das interacções entre essas partículas). Esta última pode ser libertada ou convertida noutras formas de energia, incluindo a cinética. A Energia Interna engloba estas duas formas de energia, como se verá mais adiante, e quando se adiciona "calor" ao sistema, esta energia fica armazenada como energia cinética e potencial internas.
Figura 04: Exemplos de Fontes de Energia Renováveis
Fonte: a) Wikipedia , b) Wikipedia , c) Wikipedia , d) Wikipedia
Figura 05: Exemplos de Fontes de Energia Não-Renováveis.
Fonte: a) Wikipedia , b) Wikipedia
Num sistema isolado (que não permite trocas de energia e matéria com o exterior) a energia não pode ser destruída nem criada mas as diferentes formas de energia podem ser convertidas umas nas outras. Este é o Princípio da conservação da energia (uma das leis fundamentais da Física, séc. XIX) que é um corolário do 1º princípio da termodinâmica. Embora a energia total de um sistema não varie no tempo, o seu valor pode depender de um referencial. Por exemplo, um passageiro num comboio pode possuir energia cinética nula se o referencial for o próprio comboio, mas não nula relativamente a um referencial localizado na estação.
Como se disse na secção anterior, em Termodinâmica os fenómenos também podem ser interpretados a partir de uma abordagem microscópica da estrutura da matéria. A soma de todas as formas microscópicas de energia de um sistema é designada por Energia Interna. Esta está relacionada com a estrutura molecular e com a actividade molecular. Tendo em conta as duas formas de energia básicas, a energia interna pode ser vista como a soma das energias cinética e potencial das partículas constituintes da matéria (moléculas e respectivos constituintes). Mesmo assim, é ainda habitual distinguir-se diferentes formas de energia como constituintes da energia interna: energia sensível, energia latente, energia química e energia nuclear.
A energia sensível (Esen) está associada à energia cinética dos átomos e moléculas e dos seus componentes traduzida pelo nível de translações, rotações e vibrações como ilustra a figura 6. Quanto maior for a temperatura, maior será o número destes movimentos (Fig.7), maior será a energia sensível e consequentemente a energia interna.
Figura 06: Tipos de movimentos associados a moléculas e seus componentes (Energia sensível).
Figura 07: Efeito da temperatura na energia cinética das moléculas (temperatura superior à direita).
A energia latente (Elat) está associada ao estado físico do sistema, ou seja, às forças de ligação intermoleculares e elas serão maiores nos sólidos do que nos líquidos e maior nestes do que nos gases. O fornecimento ou a remoção de energia térmica resulta na alteração da coesão molecular e poderá provocar uma mudança de estado como esquematizado na figura 8. Por exemplo, para quebrar as ligações intermoleculares existentes num líquido e obter um estado gasoso é preciso fornecer energia correspondente ao calor latente de vaporização, também designado por entalpia de vaporização.
Figura 08: Representação da coesão molecular nos sólidos, líquidos e gases (Energia latente).
A energia química (Equi) está associada às ligações entre átomos numa molécula. Durante uma reacção química, a energia de um sistema pode aumentar ou diminuir (geralmente transferindo ou recebendo calor para as ou das vizinhanças).
A energia nuclear (Enuc) está associada às interacções no interior do núcleo dos átomos, constituído por protões e neutrões, os quais, por sua vez, são compostos por partículas ainda mais elementares: os quarks.
A energia interna de um corpo (U) pode sofrer alteração por variação da energia sensível, latente, química ou nuclear – eq. 2:
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A soma da energia sensível com a energia latente é vulgarmente designada por energia térmica (ou mais vulgarmente calor) sendo assim designada por corresponder à fracção da energia interna de um corpo que pode ser transferida devido a uma diferença de temperatura. A existência de uma diferença de temperatura entre duas zonas no espaço provoca transferência de calor, isto é, a passagem de energia térmica de uma zona para outra. Diz-se, assim, que a diferença de temperaturas é a driving-force (a causa, ou a força motriz) para este processo de transferência criando, assim, um fluxo de calor.
Bibliografia
As referências bibliográficas e a bibliografia recomendada encontram-se no final da secção de Caso de Estudo.
