Mentor: O que lhe vem à cabeça quando eu digo que uma pessoa tem muita energia?
Estudante: Essa pessoa é muito activa, faz muitas coisas rapidamente, etc.
Mentor: Certo, e a definição científica de energia não é muito diferente dessa ideia. Basicamente, energia é a capacidade de fazer trabalho.
Estudante: Mas os energéticos nem sempre estão a fazer trabalho. A definição científica de trabalho é diferente da definição normal?
Mentor: Exactamente! Em termos científicos, o trabalho é força exercida paralelamente à direção do movimento. Você pode pensar em um exemplo?
Estudante: Quando você levanta uma caixa, você está exercendo uma força para cima, a caixa está se movendo para cima, e você está fazendo trabalho.
Mentor: Certo. Dado que a energia é a capacidade de fazer trabalho, você sabe que tipos de energia existem?
Estudante: Bem, já que a energia tem a ver com objectos em movimento, existe energia de movimento?
Mentor: Sim, isto é chamado energia cinética. Qualquer objecto que esteja em movimento é dito que tem energia cinética. Agora, o que acontece com a energia se você jogar uma bola para o ar?
Estudante: Vejamos… À medida que a bola sobe para o ar, a velocidade da bola diminui. Isso significa que a energia está a decrescer? E depois, quando desce e acelera, a energia aumenta?
Mentor: A energia cinética diminui à medida que a bola sobe no ar e abranda. Então, quando a bola desce e aumenta de velocidade, a energia cinética aumenta. Você sabe porque eu estou especificando a energia cinética?
Estudante: Existem outros tipos de energia para além da energia cinética?
Mentor: Isso mesmo! De acordo com a Lei de Conservação de Energia, a quantidade de energia em um sistema deve sempre permanecer constante. Mas nós sabemos que a energia cinética está diminuindo e aumentando quando atiramos uma bola no ar. Como você acha que isso acontece?
Estudante: A energia cinética está definitivamente a diminuir e a aumentar, por isso acho que deve haver outro tipo de energia que o objecto recebe quando sobe.
Mentor: Muito correcto, este tipo de energia é chamado de energia potencial. Lembra-se de como eu disse que a energia é apenas a capacidade de fazer trabalho? Como os objetos se movem mais alto no ar, sua energia potencial aumenta por causa do efeito da gravidade – uma bola no alto do ar pode ser deixada cair, permitindo que ela faça o trabalho.
Estudante: Isso faz sentido. Acho que se você jogar uma bola no ar, a energia potencial deve aumentar à medida que a energia cinética diminui, e vice-versa, para que a energia total seja sempre a mesma.
Mentor: Sim. A energia potencial tem a ver com a altura de um objecto e como a gravidade o está a puxar. Mas basta de energia potencial e cinética, há algum outro tipo de energia?
Estudante: Não conheço nenhuma outra forma de fazer trabalho além de mover objectos.
Mentor: Bem, se você não consegue pensar em nenhum outro tipo de energia, tente usar a Lei de Conservação de Energia novamente. Por que um trem pára se você coloca os freios? Está a perder energia cinética mas não está a ganhar energia potencial.
Estudante: Sempre ouvi dizer que os comboios param devido ao atrito, por isso o atrito deve ser um tipo de energia.
Mentor: Você está no caminho certo. O atrito na verdade inclui vários tipos diferentes de energia que você pode perceber como um trem pára:
- Energia térmica, que é o calor que pode ser criado por fricção.
- Energia Sónica, que é o som que se ouve como um comboio a gritar para uma paragem.
- Energia Leve, que você pode ver na forma de faíscas voando ou o metal quente no trem brilhando vermelho.
Estudante: Isto significa que quando você está verificando para ter certeza que a energia total permanece constante, você tem que incluir todas estas outras formas de energia também.
Mentor: Correcto! No entanto, ainda há mais alguns tipos de energia a considerar.
Estudante: Espera um minuto, como é que os físicos encontram todos estes tipos de energia? Como você pode dizer se algo é energia ou não?
Mentor: A maneira mais fácil de encontrar outros tipos de energia é imaginar um exemplo do mundo real onde parece que a energia não é conservada. A Lei de Conservação de Energia é sempre correta, portanto deve haver um ou mais tipos de energia para suprir qualquer falta. Por exemplo, o que acontece com as energias de alguém enquanto ele pula num trampolim?
Estudante: À medida que aterram, a sua velocidade e energia cinética diminuem, mas estão a descer para que a sua energia potencial também diminua. Os trampolins fazem sons e emitem um pouco de calor quando você pula sobre eles, mas não pode ser suficiente para reverter totalmente a sua queda. Além disso, de alguma forma, quando você pousar energia suficiente é armazenada para enviar você para o céu mais uma vez. Portanto, deve haver algum tipo de “energia primaveril” que os trampolins ganham à medida que se esticam.
Mentor: Sim, a “energia da mola” a que se refere é chamada energia mecânica e descreve a energia armazenada das molas, elásticos e, sim, trampolins.
Estudante: Isso parece muito fácil. Existe algum outro tipo de energia?
Mentor: Há mais três formas de energia. Você pode descobrir alguma delas a partir da sua vida e experiências?
Estudante: Bem, quando eu acendo uma luz algo deve estar criando energia de luz, então a eletricidade é um tipo de energia?
Mentor: Absolutamente, a energia electromagnética – a energia das partículas carregadas electromagneticamente – é uma das formas mais convenientes de energia porque pode ser transferida em grandes distâncias e armazenada facilmente sob a forma de baterias. Basicamente, a energia eletromagnética é a energia de atração entre as partículas carregadas positivamente e negativamente. Um fluxo de elétrons circulando ao longo de um fio é como a água correndo por um fluxo: a força do seu movimento pode ser usada para fazer o trabalho.
Estudante: E nós vemos esse tipo de energia em toda a electrónica que usamos, certo?
Mentor: Certo! Embora os físicos estejam atualmente trabalhando na chamada Grande Teoria Unificada que combinaria força eletromagnética e gravitacional, então seus filhos podem ter que aprender apenas um tipo a menos de energia e força.
Estudante: Uau, às vezes esqueço-me que a física ainda está a mudar à medida que novas descobertas são feitas. Você geralmente tende a pensar em estudos matemáticos como sendo fixos, mas na verdade as teorias mudam o tempo todo conforme novas descobertas são feitas.
Mentor: Bem visto. Na verdade, uma das formas mais modernas de energia foi teorizada pela primeira vez em 1905 e foi utilizada com sucesso na década de 1940 – a Energia Nuclear. Mas ainda há uma forma conhecida de energia. Considere a queima de madeira. Quais são as entradas e saídas de energia?
Estudante: Vejamos, para queimar lenha é preciso queimá-la primeiro, o que requer energia térmica, mas depois a madeira produz muito mais energia térmica e leve do que a faísca que iniciou o fogo. Talvez a madeira perca massa ao queimar, já que sempre sobra menos cinza após o fogo do que havia antes.
Mentor: É uma ideia interessante, mas a única forma de converter matéria em energia é através de um processo nuclear, e claramente uma fogueira não causa uma explosão nuclear. Toda a massa que você mencionou deixa o fogo sob a forma de fumaça e vapor de água. Não, a energia da madeira é algo completamente diferente: a energia química.
Estudante: Então a energia química é a energia armazenada em qualquer coisa inflamável?
Mentor: Qualquer coisa inflamável tem energia química, certamente, embora a energia química também possa ser armazenada em objectos não inflamáveis. Em geral, a energia química é a energia armazenada nas ligações entre os átomos. Quando a madeira queima, essas ligações são quebradas e a sua energia é libertada sob a forma de luz e calor.
Estudante: Portanto, a energia química é específica da substância, como a energia térmica.
Mentor: Sim, muitos dos tipos de energia estão relacionados uns com os outros. O mais importante a lembrar, no entanto, é a Lei de Conservação de Energia. Não importa que problema você esteja resolvendo, a energia total do sistema deve sempre permanecer constante.