#07 - Energia

Energia na Física é um conceito extremamente importante e representa a capacidade de produzir trabalho.

Também é usado em outras áreas científicas, como a biologia e a química.

Principio Geral da Conservação de Energia

A lei da conservação da energia é fundamental. Ela diz que a energia não se perde, nem pode ser destruída, ela se transforma. Assim, num sistema isolado a quantidade de energia permanece constante.

Exemplo

A energia que chega do Sol aquece a água (calor sensível). Este aquecimento provoca o transporte de vapor para a atmosfera, formando as nuvens (calor latente e energia potencial gravitacional).

A água ao retornar para a superfície (energia cinética), forma os lagos e rios que posteriormente serão represados (energia potencial gravitacional).

A água ao cair pelo vertedouro (energia cinética) movimenta as pás da turbina que a transforma no gerador em energia elétrica.

Tipos de Energia

 

A energia se apresenta de muitas formas. Os principais tipos de energia estudados na Física são:

·         Energia Mecânica

·         Energia Térmica

·         Energia Elétrica

·         Energia Luminosa

·         Energia Sonora

·         Energia Nuclear

Energia Mecânica

Energia Mecânica é entendida como a capacidade de um corpo de realizar trabalho. Basicamente, a energia mecânica está relacionada com duas formas diferentes:

·         A Energia Cinética, que é a energia dos corpos em movimento.

·         A Energia Potencial, que é a energia armazenada nos corpos com a capacidade de se transformar em movimento.(Energia Potencial : Gravitacional; Elástica)

 A Energia Cinética

A energia cinética é a energia associada ao movimento dos corpos. Do grego o termo "cinética" significa "movimento".

Qualquer corpo em movimento é capaz de realizar trabalho, portanto, possui energia, que neste caso é chamada de cinética.

A unidade de medida da energia cinética, no sistema internacional, é o Joule (J), em homenagem ao cientista inglês James Prescott Joule (1818-1889).

Fórmula da Energia Cinética

Para calcular a energia cinética dos corpos, utiliza-se a equação abaixo:

Onde:

Ec: energia cinética, também pode ser representada pela letra K (J).
m: massa do corpo (kg)
v: velocidade do corpo (m/s)

A partir disso, conclui-se que se duplicarmos a massa de um corpo, mantendo sua velocidade, a sua energia cinética também irá duplicar.

Por outro lado, a velocidade está elevada ao quadrado, então se o seu valor duplicar e sua massa permanecer constante, a energia cinética será quadruplicada.

Exemplo

Qual a energia cinética de uma pessoa com 60 kg e que está numa velocidade de 10 m/s?

Assim, no instante considerado, a energia cinética do corpo é igual a 3000 J.

Teorema da Energia Cinética

Considerando um corpo movendo-se em MRUV.

O Teorema da Energia Cinética (TEC) diz que:

"O trabalho da força resultante é medido pela variação da energia cinética."

Ou seja:

Energia Potencial

A energia presente nos corpos dando a eles a capacidade de realizar trabalho é chamada de Energia Potencial.

Quando está relacionada aos trabalhos da força peso, a energia armazenada nos corpos é chamada Energia Potencial Gravitacional e quando está associada a uma força elástica é Energia Potencial Elástica.

A unidade de medida da Energia Potencial é Joule.

Energia Potencial Gravitacional

O objeto de massa m se desloca a uma altura h, indo da posição B para A.

É a energia que um objeto possui devido à sua posição em um campo gravitacional e é medida pelo trabalho realizado pelo seu peso para ir de uma posição (mais elevada) à outra (mais abaixo).

Assim, é necessário usar uma força para elevar um objeto até uma determinada altura, nesse ponto mais alto o objeto tem maior energia potencial, quando o objeto desce libera sua energia, que será convertida em energia cinética.

Portanto, a energia potencial gravitacional do objeto está associada com a sua posição (altura relativa a um ponto de referência), com a sua massa e com a força da gravidade.

Considerando que a força exigida para elevar um objeto é igual ao seu peso, a energia potencial gravitacional é igual ao seu peso (m x g) multiplicado pela altura h a que foi elevado.

A força da gravidade varia com a altura, na superfície da Terra a diferença é muito pequena, assim considera-se a aceleração da gravidade como uma constante, de 9,8m/s², em qualquer parte.

A fórmula então é: EP_g = mgh

​Exercício Resolvido

Um objeto de 2Kg é lançado da janela de um prédio de 10 m. Considerando a aceleração da gravidade local g=10m/s². Qual é a Energia Potencial Gravitacional do objeto?

Resolução: A energia potencial gravitacional (EPg) está relacionada com o peso do objeto (massa x gravidade) e a altura do seu deslocamento. Então, calculamos a EPg usando os valores do enunciado.

EPg =m x g x h , onde m=2Kg g=10m/s² e h= 10m

EPg = 2 x10 x10

EPg = 200 J.

Energia Potencial Elástica

Para lançar a flecha (corpo de massa m), o elástico do arco sofre uma deformação (medida por x) passando da posição de equilíbrio A para B.

Um corpo elástico é aquele que sofre uma deformação, produzida por uma força externa, passando de uma posição A (não deformado) para uma posição B (deformado) e recupera sua forma e tamanho original, voltando a posição inicial.

Portanto a posição de equilíbrio corresponde à posição em que o elástico ou a mola não está nem comprimida, nem esticada, é a sua posição natural.

A Energia Potencial Elástica está relacionada com o trabalho realizado pela força elástica do corpo para ir da posição deformada B para a posição inicial A.

É considerado no sistema elástico o corpo de massa m, uma constante da força elástica k e o comprimento x (a medida da deformação, quando o corpo passa da posição A para a posição B).

Como a força elástica é uma força variável, seu trabalho é calculado através do cálculo da área do seu gráfico, cuja Lei de Hooke diz ser:

Como a área de um triângulo é dada por:

Então:

A fórmula é EP_e = Kx²/2.

Exercício

Uma mola de constante K=5000 N/m é comprimida por uma distância de 10 cm. Qual é a energia potencial elástica nela armazenada?

A energia potencial elástica depende apenas da constante elástica da mola k e de sua deformação x. Então, calculamos a energia potencial usando os valores do enunciado.

EPe =Kx²/2 , onde K=5000 N/m e x= 10cm ⇒ 0,1m

EPe = (5000 x 0,1²)/2 ⇒ (5000 x 0,01)/2 ⇒ 50/2

EPe = 25 J.

A Energia Potencial armazenada na mola é igual a 25 joules.