O que é energia

Um joule ergue uma maçã de 100 g por cerca de 1 m; um carro de 1000 kg a 90 km/h tem cerca de 310 000 joules.

A energia permite que as coisas mudem

Uma bola rolando, um elástico esticado, uma xícara de chá quente e uma bateria de celular carregada têm algo em comum. Todos podem produzir algum efeito: empurrar, levantar, aquecer ou iluminar algo. Os físicos dão a essa capacidade um único nome, energia, e a medem em uma única unidade, o joule (J). O joule recebeu o nome de James Prescott Joule, que mostrou nos anos 1840 que o trabalho mecânico e o calor são duas manifestações da mesma grandeza.

Um joule é pouca energia. A OpenStax oferece uma imagem simples: um joule ergueria uma pequena maçã de 100 g por cerca de um metro. Confira com a fórmula que você verá na unidade 4: 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, próximo de um. A energia dos alimentos é expressa em unidades maiores. Uma Caloria alimentar (kcal) equivale a 4186 J, e a alimentação diária recomendada para um adulto corresponde a cerca de 1.2 × 10⁷ J, doze milhões de joules.

Muitas formas, uma só grandeza

A energia aparece de muitas formas, cujos nomes indicam onde ela está. Tudo que se move tem energia cinética. A energia potencial gravitacional é armazenada quando algo é erguido contra a gravidade; a potencial elástica, quando uma mola ou um arco é deformado. Combustíveis, alimentos e baterias armazenam energia química. A energia térmica corresponde à agitação aleatória de átomos e moléculas, que percebemos como temperatura. A energia elétrica percorre fios, a energia radiante viaja como luz e a energia nuclear é liberada quando núcleos atômicos se dividem ou se fundem.

A energia cinética e a potencial juntas são chamadas de energia mecânica. São as duas formas que você identifica facilmente em um balanço ou em uma montanha-russa, e as mais usadas neste curso. As outras formas aparecem quando a energia deixa de ser mecânica, geralmente tornando-se calor.

A energia não é criada nem destruída

O fato mais útil sobre a energia é que seu total nunca muda. A OpenStax apresenta a lei da conservação da energia assim: a energia total é constante em qualquer processo; pode mudar de forma ou passar de um sistema para outro, mas o total continua igual. Quando um carro freia, sua energia cinética não desaparece. Ela se transforma em energia térmica nos discos de freio, que por isso esquentam. Ao carregar um celular, a energia elétrica se torna energia química na bateria e, depois, luz e calor na tela.

Se a energia se conserva, por que falamos em gastá-la? Porque a forma importa. A energia espalhada como aquecimento do ar continua ali, mas é difícil reuni-la e usá-la novamente. Uma usina a carvão transforma apenas cerca de 40 por cento da energia química do combustível em eletricidade; o restante sai como calor. A unidade 5 mede isso com uma grandeza chamada rendimento.

Quanto vale um joule? Uma escala de energias

A tabela compara algumas quantidades do dia a dia, com valores da Tabela 7.1 da OpenStax. A variação é enorme. Um mosquito voando tem cerca de um milionésimo de joule de energia cinética; um galão de gasolina armazena cerca de cem milhões de joules. A notação científica facilita a leitura: 1.2 × 10⁸ significa deslocar o ponto decimal de 1.2 oito casas para a direita, obtendo 120 000 000.

Você pode conferir a linha do carro. A 90 km/h, a velocidade é 25 m/s, e a energia cinética vale ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, que se arredonda para 3.1 × 10⁵ J. A unidade 3 explica de onde vem essa fórmula.

A energia também pode passar de um lugar para outro sem mudar de forma. Uma panela quente aquece o cabo por transferência de calor, uma bateria envia energia por um fio até uma lâmpada, e a luz solar transporta energia pelo espaço, do Sol à Terra. Os físicos distinguem dois termos. Uma transformação muda a forma da energia, por exemplo, de química para cinética. Uma transferência leva energia de um objeto ou sistema a outro, por trabalho (uma força atuando ao longo de um deslocamento) ou por calor (fluxo do quente para o frio). A próxima unidade trata do primeiro caso: o trabalho.