O que é energia?

A energia não tem forma, nem cor, nem cheiro. Apercebemo-nos dela somente pelos seus efeitos, uma vez que toma múltiplas formas. Energia á tudo o que pode ser transformado em calor, ou seja, é a capacidade de gerar trabalho, logo a energia é a capacidade de produzir trabalho. A energia não é uma entidade independente mas sim uma propriedade de outras coisas. A energia é sempre conservada, mesmo que a sua situação ou estado sejam alterados, ou actuem sobre outros corpos ou sistemas, onde se desencadeiam processos de transformação. Esta não pode ser criada nem destruída, mas apenas transformada e conservada. A unidade de energia é o joule (J).

Situação energética mundial e degradação da energia

A humanidade necessita de fontes de energia. As fontes de energia que esta mais utiliza são os combustíveis fósseis (95%), como o carvão, petróleo e gás natural, contaminando o meio ambiente, devido à queima destes combustíveis.
O mundo tem escassez energética, uma vez que a partir da Revolução Industrial, se provocou um aumento abrupto de consumo de energia, pondo-se em risco a existência de recursos energéticos.

As fontes de Energia

O Universo é um reservatório de energia, repleto de fontes de energia e receptores de energia, por exemplo, o sol é a nossa fonte de energia e o nosso planeta é um receptor dessa energia.

A energia eléctrica produz-se em centrais nucleares, termoeléctricas e hidroeléctricas.

* Nas centrais termoeléctricas utilizam-se combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) para a produção de energia eléctrica.

Carvão: de todos o recurso mais abundante e mais poluente, uma vez que liberta dióxido de carbono, óxidos de enxofre, poluentes radioactivos e cinzas para a atmosfera.

Petróleo: mistura de hidrocarbonetos; grande responsável pela poluição atmosférica.

Gás natural: constituído por metano; o menos poluente; produz menos dióxido de carbono, óxidos de enxofre e cinzas.

* Nas centrais hidroeléctricas constroem-se barragens. A fonte de energia nestas é a água.

* Nas centrais nucleares, a fonte de energia utilizada é o urânio, o tório e o deutério.

As fontes de energia provenientes de combustíveis fósseis e nucleares designam-se por não renováveis, uma vez que a sua utilização a ritmo crescente pode originar o seu desaparecimento como recurso.

Actualmente, devido ao avanço tecnológico e cientifico, encontraram-se soluções, como a utilização de energias renováveis, das quais são exemplo a energia solar, eólica, das marés, biomassa, biogás, geotérmica, das ondas, …

Contudo, tudo tem aspectos negativos e positivos. É de se salientar que as energias renováveis consideram-se renováveis, provocam baixos impactos ambientais, contribuem para o emprego local e reduzem a importação de energia. Em contrapartida destas vantagens, temos as desvantagens: Têm rendimentos energéticos baixos porque a sua produção é variável e é difícil armazenar excedentes.

Prevê-se que no futuro haja um decréscimo na utilização de combustíveis fósseis e um aumento da utilização de energia renováveis e da energia nuclear.

Transferências e transformações de energia

Um corpo possui energia quando produz alterações noutros corpos com os quais interactua. A Energia manifesta-se de diversas formas: energia eléctrica, mecânica, química, radiante e nuclear.
A energia envolvida em qualquer processo transfere-se da fonte para u ou mais receptores, onde a energia é seguidamente transformada noutro tipo de energia, de modo a ser utilizada de uma forma útil.
Contudo, a energia transferida, que é transformada, não é toda úyil, então podeos dizer que também há dissipação de energia.

EX: Central hidroeléctrica:

EX: Central termoeléctrica:

Rendimento

Rendimento é uma medida de eficiência com que uma máquina utiliza a energia fornecida. Em qualquer processo de transferência ou de transformação de energia, o rendimento é sempre inferior a 100%.

ŋ = Eu / Ef * 100

Uso racional das fontes de energia

A energia desempenha um papel fundamental no desenvolvimento económico de um país, por isso devemos utilizá-la racionalmente antes que ela se esgote. Ao utilizá-la racionalmente, estamos a conservar o meio ambiente, ou seja, a poupar recursos.
Para poupar energia devemos:
* Isolar termicamente a casa
* Regular o aquecimento
* Aproveitar a luz do dia
* Utilizar lâmpadas fluorescentes
* Viajar de transporte públicos
* Usar produtos reciclados

* Utilizar fontes renováveis
* Utilizar combustíveis alternativos
* Aproveitar subprodutos

Sistema, fronteira, vizinhança

Sistema: corpo ou conjunto de corpos limitados por uma fronteira real ou imaginária, que é rodeado por vizinhanças.
Um sistema diz-se aberto quando há trocas de matéria e energia com a vizinhança.
Um sistema diz-se fechado quando há apenas trocas de energia coma vizinhança e não há trocas de matéria.
Um sistema diz-se isolado quando não existe nem trocas de matéria nem trocas de energia com a vizinhança nem forças de interacção.

Energia mecânica

A energia mecânica é a soma da energia cinética com a energia potecial.

Em = Ec + Ep

Energia cinética

A energia cinética está associada ao movimento dos corpos num dado referencial.

Ec = Em – Ep

Ec = ½ * m * v^2

Energia potencial

A energia potencial é a soma das energias cinéticas e potenciais de todos os corpúsculos (átomos, moléculas ou iões) que constituem os materiais existentes num sistema físico.
Existe energia potencial:
* Gravítica
* Elástica
* Magnética

Ep = Em – Ec

Epg = m * g * h

Energia interna e temperatura

Os corpos são constituídos por átomos, moléculas ou iões, que estão em constante movimento, mas como são de tamanhos tão reduzidos, dizemos que possuem energia cinética microscópica. Estes também realizam interacções entre eles por isso dizemos que também possuem energia potencial microscópica ou energia potencial interna. Posso então concluir que todos os corpos possuem energia interna.
Quanto maior for a massa do corpo, mais energia interna contém.
A energia interna também se relaciona com a temperatura, uma vez que quanto mais elevada é a temperatura, mais energia interna temos. A energia interna aumenta, porque os átomos com a temperatura ficam excitados, apresentando mais energia cinética.
A temperatura de um corpo é uma medida da energia cinética média dos seus corpúsculos.
A temperatura pode exprimir-se em Kelvin ou em ºC.

Ei = Ec + Ep

T = média Eccorpúsculos

Θ = T - 273

Trabalho, calor, potência e radiação

Trabalho é a força que provoca o deslocamento num corpo. Este não pode ser perpendicular ao deslocamento da força exercida. Este é a energia transferida entre sistemas mecânicos ou a energia transformada de uma forma em outra forma.
A unidade de trabalho é o joule. Um joule é o trabalho realizado pela força constante de um newton quando se desloca o ponto de aplicação de um metro na direcção e sentido da força.

W = F * ∆x * cos α

Casos particulares:
Força e deslocamento têm a mesma direcção e o mesmo sentido. (ângulo 0º)

W = F * * cos 0 n F * ∆x

Força e deslocamento têm a mesma direcção e sentidos opostos. (ângulo 180º)

W = F * ∆x * cos α n F * (-∆x)

Força e o deslocamento são perpendiculares

W = F * ∆x * cos α n 0

Calor é a transferência de energia entre corpos que estão a temperaturas diferentes. Este passa do corpo mais quente para o corpo mais frio, até que ambos os corpos estejam à mesma temperatura. Este depende da massa do corpo, da variação da temperatura e da capacidade térmica mássica de um corpo. É uma energia em transito. Posso também defini-lo como energia interna transferida entre sistemas a diferentes temperaturas.
Um sistema considera-se quente se tiver temperaturas superiores à das suas vizinhanças.
A quantidade de calor é directamente proporcional à massa da substância que se aquece (ou arrefece), ou seja, quanto maior é a massa do corpo, maior é a quantidade de calor que se fornece.
Um corpo não tem calor, tem energia interna. O calor apenas existe quando um corpo transfere energia interna para outro a temperatura inferior. Há calor enquanto se mantiver a diferença de temperatura entre os corpos ou sistemas.
As quantidades de calor são directamente proporcionais às variações de temperatura
As quantidades de calor fornecidas ou cedidas por um corpo são directamente proporcionais à sua massa e à variação de temperatura.

Q = c * m * ∆Θ

Potência é a rapidez com que uma força realiza trabalho ou com que ocorre uma transformação de energia.

P = ∆E / ∆t

P = W / ∆t

P = U * I

∆t = tf – ti

Um quilowatt-hora é a energia transformada ou transferida, durante uma hora, por uma máquina com a potência de um quilowatt.

A energia dos fotões relaciona-se com a sua frequência. A energia da radiação é directamente proporcional à frequência dos fotões que constituem essa radiação. O comprimento de onda da radiação electromagnética é inversamente proporcional à energia dos fotões correspondentes.

Vluz = comprimento de onda * frequência

Como identificar as transferências de energia?
Quando actuam forças que deslocam os pontos de aplicação ( execpto os casos de a direcção da força e do deslocamento fazerem ângulos de 90º e 270º), dizemos que estamos perante um trabalho.
Se a energia transitar entre corpos a diferentes temperaturas, dizemos que estamos presente de calor.
Quando temos algo associado à natureza electromagnética da matéria, estamos presentes da radiação.

Lei da conservação da energia e balanços energéticos:

A conservação de uma grandeza física significa que o seu valor se mantém constante.
Num sistema isolado a energia total é conservada, isto é, mantém-se sempre constante. Apenas pode transformar-se de uma forma em outra forma.
Quando ocorrem transferências e transformações de energia, a energia total mantém-se constante
A energia transfere-se de um sistema para outro ou transforma-se em outra forma. Mas, em qualquer instante, ela tem no balanço energético total o mesmo valor, isto é, tem que se verificar a lei de conservação de energia.
Um balanço energético é representado por um diagrama, onde os rectângulos representam as fontes de energia e as vizinhanças dos sistemas, os círculos representam os sistemas e as setas traduzem as transferências de energia; a extremidade destas indica para onde se transfere a energia.

Energia do Sol para aTerra

A Terra recebe energia directamente do Sol, o qual é transportada pelas radiações que ele emite. Esta energia incide na atmosfera terrestre, propagando-se nas altas camadas atmosféricas até atingir o nível da superfície da Terra.
A energia solar pode aproveitar-se usando um dispositivo electrónico chamado célula solar, que formam painéis solares. Existem outros dispositivos como os colectores solares, que transformam a energia solar em calor.
A quantidade de energia recebida pela Terra é aproximadamente igual à que esta reenvia para o espaço. Isto acontece porque há radiações que se reflectem nas nuvens, é absorvida pelo ozono, dióxido de carbono, … e ainda é dispersada por moléculas e aerossóis. Contudo, a radiação que consegue atingir a superfície decompõe-se em radiações absorvidas pelo solo e radiações reflectidas pelo solo.
A toda a radiação que é reflectida pelo solo ou pela atmosfera, dá-se o nome de radiação do albedo.

Emissão e absorção de radiação, lei de Stefan-Boltzmann, deslocamento de Wien:

Todos os corpos irradiam energia, isto é, qualquer corpo cuja temperatura seja superior ao zero absoluto transmite radiação. Os corpos que têm boas características emissivas também são bons absorsores de radiação.
As superfícies brancas e as prateadas são más absorsoras, uma vez que reflectem mais radiação. As superfícies negras são boas absorsoras de radiação e portanto boas emissoras e más reflectoras.
A potência total irradiada por uma superfície é directamente proporcional à sua área e à quarta potência da sua temperatura absoluta.
Quanto maior for a potência, mais elevada é a temperatura e menor é o comprimento de onda.
O deslocamento de Wien diz-nos que há uma proporcionalidade inversa entre o comprimento de onda máximo e a temperatura do corpo. Assim podemos concluir que os corpos quentes irradiam mais energia do que os frios, mas que também o fazem para menores comprimentos de onda.

P = σ * e * A * T^4

A radiação solar na produção da energia eléctrica – painel fotovoltaico:

Os colectores solares térmicos absorvem a radiação solar numa certa área e os painéis fotovoltaicos transformam directamente a radiação solar em electricidade.
Os painéis fotovoltaicos têm células solares que captam a energia solar e transformam-na em energia eléctrica. Conseguem realizar esta transformação porque têm placas de silício (umas com falta de electrões e outras com excesso) e com a incidência da luz solar, os electrões nestas tornam-se excitados, transformando-se então em energia eléctrica.