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Formas de Energia: Parte 01 - GRUPO GIMI

Para a ciência, energia (do grego έν, "dentro", e εργον,[ ROMIZI, Renato. Greco ântico. Vocabulário Greco Italiano Etimológico e Ragionato. Bologna: Zanichelli, 2006. ISBN 88-08-08915-0] "trabalho, obra"ː ou seja, "dentro do trabalho").


Energia, portanto, associa-se à capacidade de realizar trabalho. A etimologia da palavra está no idioma grego, onde εργος (ergos) significa "trabalho". 


Assim sendo, é necessário conhecer as formas nas quais a energia é encontrada e como podemos transforma-la para que seja utilizada em nosso favor, para realizar os trabalhos que necessitamos.


  1. Química


A energia está em todas as atividades onde qualquer trabalho é realizado. Está presente em nosso dia a dia das mais diversas formas, desde os primórdios e até quando a vida existir.


Energia química representa a energia contida nas ligações químicas em escala atômica. 

A energia potencial química (dos alimentos) é representa a parcela da energia contida nos alimentos que é ingerida, mas não é consumida pelo organismo, assim sendo, passa a ser armazenada em forma de gordura. A energia química alimentar consumida pelos seres vivos é transformada em ações musculares ou processos celulares e uma parcela é liberada na forma de calor.


A variação de energia que ocorre quando de reações químicas está relacionada à ruptura de ligações atômicas ou moleculares e à formação de novas ligações químicas entre outros átomos ou moléculas.


Para esclarecer, uma reação química é a transformação da matéria na qual ocorrem mudanças qualitativas na composição química de uma ou mais substâncias reagentes, resultando em um ou mais produtos. Geralmente envolve mudanças relacionadas à mudança nas conectividades entre os átomos ou íons, na geometria das moléculas das espécies reagentes ou ainda na interconversão entre dois tipos de isômeros. Para iniciar a reação, geralmente é necessário ignição ou calor. Assim sendo, pode-se afirmar de maneira simplista que uma reação química é uma transformação da matéria em que pelo menos uma ligação química é criada ou desfeita.


Existem, em linhas gerais, dois tipos de reações químicas: Endotérmica e Exotérmica. Vamos abordar, antes de compreender os tipos de reações que são qualificadas pelo resultado térmico das mesmas, um conceito muito importante para a compreensão do mecanismo, a entalpia.


Entalpia, é a grandeza física definida pela termodinâmica clássica como a medida de toda a energia presente no sistema termodinâmico que poderia ser removida dele em forma de calor. Por meio da Entalpia compreende-se processos isobáricos, ou seja, reações que ocorrem em sistemas com pressão constante, as variações de entalpia são então diretamente proporcionais às entradas de energia no sistema em forma de calor e medidas por calorímetros.


A entalpia compreende também a energia armazenada no sistema acrescido de sua vizinhança que foi absorvida pelo sistema por trabalho realizado nas redondezas deste processo termodinâmico reduzindo seu volume, também engloba parte da energia com possibilidade de ser retirada na forma de calor deste sistema. A entalpia resume toda a energia associada a um sistema.


Uma reação endotérmica é uma reação química cuja energia total (entalpia) dos seus produtos é maior que a de seus reagentes, ou seja, ela absorve energia (como calor). Um exemplo seria a decomposição da bauxita, para obtenção de alumínio. Quando há separação de um composto, energia deve ser fornecida a ele, sendo, portanto, uma reação endotérmica de entalpia. Logo, a variação de entalpia é positiva.


Outros exemplos de reações endotérmicas são:


  • O processo de eletrólise da água, produzindo oxigênio e hidrogênio.

  • A decomposição do calcário para a produção da cal virgem.

  • A evaporação da água.

  • A fusão do gelo para a água.

  • Um palito de fósforo começa a queimar pela cabeça por conta da reação exotérmica de uma mistura de substâncias que a compõem:  a parte vermelha é o clorato de potássio, que libera bastante oxigênio para manter a chama acesa. Revestindo a cabeça, uma camada de parafina serve como combustível para alimentar a chama. A caixinha, por sua vez, tem areia e pó de vidro, para gerar atrito, e fósforo (sim, o fósforo fica na caixa e não no palito!) para produzir calor intenso. Quando friccionamos o palito contra a caixinha, esse trio de substâncias ajuda a produzir uma pequena faísca. Em contato com o palito, a faísca queima o clorato de potássio, que libera uma grande quantidade de oxigênio. Esse oxigênio reage com a parafina que reveste o palito. Essa combinação gera uma chama que consome a madeira do palito por mais ou menos 10 segundos.

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Uma reação exotérmica é uma reação química cuja energia é transferida de um meio interior para o meio exterior, aquecendo o ambiente consequentemente. Ou seja, ocorre liberação de calor, sendo, portanto, a energia final dos produtos é menor que a inicial dos reagentes. Disso se conclui que a variação de energia é negativa. Alguns exemplos de reações exotérmicas são: 


  • Qualquer queima ou combustão, são exemplos de reações exotérmicas;

  • A solidificação da água.

  • A condensação da água.


Para que essa energia química esteja disponível para uso quando quisermos, é importante entender o conceito de entropia. 


A entropia, medida em Joules por Kelvin, é uma grandeza termodinâmica que expressa o grau de irreversibilidade de um sistema. Segundo a 2ª lei da termodinâmica, trabalho pode ser completamente convertido em calor, mas energia térmica não pode ser completamente convertida em trabalho. Assim sendo, a entropia representa a parte da energia que não é passível ser transformada em trabalho.


Para que se possa esclarecer os dois novos conceitos aqui apresentados e diferenciá-los, temos: entalpia (representada pela letra “H”) é o nome atribuído à energia que fica armazenada nas substâncias (energia interna), a espera que sofra alguma transformação para que seja alterada ou liberada. Já a entropia é a grandeza que mede a energia que não é capaz de ser transformada em trabalho.


2. Nuclear


Energia nuclear é obtida em reações de modificação, fusão ou divisão de núcleos atômicos. Isótopos de seletos elementos químicos tem a faculdade de se metamorfosear em outros isótopos ou elementos, por meio de reações nucleares, liberando grandes quantidades de energia durante essa transformação. Essa característica é explicada pelo princípio da equivalência de energia e massa (enunciado por Einstein), no qual em reações nucleares sucede à transformação de matéria em energia.

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Albert Einstein (nascido em Ulm na Alemanha em 14 de março de 1879, morreu em Princeton nos Estados Unidos em 18 de abril de 1955) foi um físico teórico alemão que desenvolveu a teoria da relatividade geral, um dos pilares da física moderna ao lado da mecânica quântica. Embora mais conhecido por sua fórmula de equivalência massa-energia, E=mc² — que foi chamada de "a equação mais famosa do mundo" —, foi laureado com o Prêmio Nobel de Física de 1921 "por suas contribuições à física teórica" e, especialmente, por sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico, que foi fundamental no estabelecimento da teoria quântica.


A energia nuclear foi observada pela primeira vez por Hahn e Meitner, durante o processo de fissão nuclear por bombardeio de uma massa de urânio com nêutrons.

Ernest Rutherford, que descobriu o núcleo atômico, pesquisava a estrutura de átomos descobriu usando raios catódicos que átomos, sob bombardeio de partículas leves e rápidas poderiam ser alterados. 


Ida Noddack supôs que "bombardeando núcleos atômicos pesados com nêutrons, pode-se quebra-los em pedaços diversos, ainda que sejam isótopos de componentes químicos conhecidos, porém não idênticos".


Baseados na teoria de Ida Noddack, a fissão nuclear foi oficialmente descrita por Otto Hahn e Fritz Straßmann em Berlim-1938 e explicada por Lise Meitner e Otto Frisch. 


Em linhas gerais, existe duas maneiras de obter energia nuclear. São elas:


  • Fissão Nuclear

Fissão nuclear é um processo da Física que consiste na divisão do núcleo de um átomo considerado instável em dois núcleos menores, através do bombardeamento de partículas como nêutrons. Este processo é uma reação química exotérmica e ocorre quando há grande liberação de energia. Cabe ressaltar que a fissão nuclear transforma um elemento em outro, pois os fragmentos gerados não são do mesmo elemento que o isótopo que os gerou.


Os primeiros estudos sobre o processo de fissão nuclear foram descobertos em 1939, por Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980).


Este processo tem origem quando o núcleo pesado é atingido por um nêutron e após a colisão, ele libera uma imensa quantidade de energia. Durante a colisão, são liberados novos nêutrons que irão colidir com novos núcleos, provocando sucessivas fissões de núcleos, estabelecendo assim uma reação que é denominada reação em cadeia, conforme o esquema abaixo:

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O processo de fissão nuclear também é importante para a produção de energia nuclear. Os reatores nucleares conseguem controlar a violência do processo de fissão, desacelerando a ação dos nêutrons para que não ocorra uma explosão. E desta forma é gerada a energia nuclear, que é considerada limpa, eficiente e não emite gases. 


Cabe ressaltar que apesar de considerada limpa, os acidentes nucleares normalmente são bastante devastadores e geralmente causam catástrofes que levam muitos anos para serem tratados. Veja o exemplo de Chernobil.


O desastre de Chernobil foi um acidente nuclear catastrófico que ocorreu em 26 de abril de 1986 na central eléctrica da Usina Nuclear de Chernobil (então na República Socialista Soviética da Ucrânia), que estava sob a jurisdição direta das autoridades centrais da União Soviética. Uma explosão e um incêndio lançaram grandes quantidades de partículas radioativas na atmosfera, que se espalhou por boa parte da União Soviética e da Europa Ocidental.


O desastre é o pior acidente nuclear da história em termos de custo e de mortes resultantes, além de ser um dos dois únicos classificados como um evento de nível 7 (classificação máxima) na Escala Internacional de Acidentes Nucleares (sendo o outro o Acidente nuclear de Fukushima I, no Japão, em 2011). A batalha para conter a contaminação radioativa e evitar uma catástrofe maior envolveu mais de 500 mil trabalhadores e um custo estimado de 18 bilhões de rublos. Durante o acidente em si, 31 pessoas morreram e longos efeitos a longo prazo, como câncer e deformidades ainda estão sendo contabilizados.


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O acidente fez crescer preocupações sobre a segurança da indústria nuclear, diminuindo sua expansão por muitos anos. É difícil dizer com precisão a quantidade de vítimas dos eventos de Chernobil, devido às mortes esperadas por câncer, que ainda não ocorreram e são difíceis de atribuir especificamente ao acidente. Um relatório da Organização das Nações Unidas de 2005 atribuiu 56 mortes até aquela data, 47 trabalhadores acidentados e nove crianças com tumor da tiroide e estimou que cerca de 4000 pessoas morreriam de doenças relacionadas com o acidente. 


  • Fusão Nuclear


Fusão nuclear é o processo no qual dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente libera muito mais energia que a requerida para ignitar o processo. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos sendo, portanto, mais estáveis) ela geralmente libera energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje, início do século XXI, ainda não foi desenvolvido processo capaz de controlar a fusão nuclear, como acontece com a fissão.


O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de hidrogênio em hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas, dentro desse processo, ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do Sol ou menores, a cadeia próton-próton é a reação dominante.


Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e do núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a energia produzida.


Utilizando a equação E=mc² de Einstein, pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massas. Uma vez que o valor de c é muito grande (cerca de 3×108m/s), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia.


Este fato levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão (Tokamaks) de modo a gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm³ de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).


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Figura obtida no site todamateria.com.br, ilustrativa da reação de fusão nuclear de uma molécula de Trítio com uma molécula de Deutério.


Um dos principais objetivos do desenvolvimento da tecnologia nuclear sempre foi o de gerar energia elétrica. Através do calor emanado durante a reação, aquece-se a água até o estado de vapor superaquecido e movimenta-se um turbogerador.


3.Térmica


Energia térmica é a forma de energia que é relaciona-se diretamente com a temperatura absoluta de um sistema termodinâmico e é determinado pela somatória das energias cinéticas das partículas moleculares em decorrência do movimento de translação molecular, de sua vibração e rotação. Define-se, portanto, calor como sendo a diferença de temperaturas entre um sistema termodinâmico e outro.


Pode-se definir ainda Energia térmica como a energia cinética média de cada uma das partículas ou moléculas presentes em um sistema termodinâmico.


Calor é definido como a transferência de energia térmica de um sistema a outro, ou entre partes de um mesmo sistema, exclusivamente em virtude da diferença de temperaturas entre eles. 


O calor é uma das duas maneiras pelas quais se pode transferir energia de um sistema a outro, representando então quantitativamente a energia transferida pela fronteira comum destes sistemas. 


O calor representa a energia transferida entre dois sistemas que não realiza trabalho mecânico, geralmente representando uma perda técnica. 


O calor é simbolizado pela letra Q. Considerando-se um corpo que recebe energia na forma de calor, sem realização de trabalho, sofre aumento de sua energia interna U, o que resulta, portanto, um Q maior que zero. Ao invés disso, perder energia na forma de calor, sem realizar trabalho, resulta na diminuição de sua energia interna, assim sendo, Q menor que zero.


Calor pode ser conduzido de três formas gerais: radiação, convecção e condução. Destas três somente a radiação manifesta-se também na ausência de matéria. 


Cabe ressaltar que a temperatura é diretamente proporcional à energia cinética média das partículas do sistema. Assim, unindo-se dois sistemas termodinâmicos absolutamente iguais de modo a compor um único sistema termodinâmico resultante, a energia térmica deste sistema resultante será a soma da energia térmica de cada um daqueles idênticos iniciais. Já a temperatura permanecerá a mesma inicial dos dois sistemas primários, seja em um dos dois sistemas idênticos iniciais ainda separados ou no sistema resultante da união deles.


Adiciona-se ainda que, em um sistema de natureza e quantidade de partículas se mantiver constante, a temperatura e a energia térmica serão relacionadas e inalteradas. Hipoteticamente, se aumentarmos a energia térmica deste sistema resultaremos também no aumento proporcional da energia cinética média de cada uma das moléculas do sistema, e portanto, aumentará a temperatura do sistema.


Em geral, reações químicas espontâneas exotérmicas apresentam energia potencial elétrica armazenada na composição dos reagentes, que se transforma em energia térmica nas partículas resultantes da reação, configurando a manutenção da energia interna comparando-se os reagentes e os produtos da reação, em conformidade com a lei da conservação da energia, mas resulta numa relevante elevação da temperatura absoluta do sistema termodinâmico. Este sistema é então utilizado como a fonte quente de um sistema termodinâmico clássico que tenha por finalidade a transformação de energia térmica originada na fonte de calor em trabalho. Neste sistema termodinâmico clássico, a parcela da energia térmica é absorvida pela fonte fria.


O calor consiste na transferência de energia térmica que ocorre de um corpo para outro ou de um sistema para outro, em consequência exclusivamente da diferença de temperatura entre cada um desses sistemas ou cada um desses corpos.


Contínua no próximo capítulo, até lá!


Bibliografia


HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.


GUIMARÃES, Orliney Maciel; KUWABARA, Izaura Hiroko. Calorias: a energia contida nos alimentos. UFPR – Universidade Federal do Paraná, 2011. Departamento de Química.


Disponível em: http://www.quimica.ufpr.br/eduquim/pdf/experimento8.pdf Acesso em: 16 fev. 2011.


FARIAS, Leonel Marques; SELLITTO, Miguel Afonso. Uso da energia ao longo da história: evolução e perspectivas futuras. Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 12, n. 17, p. 01-106, jan./jun. 2011


TESSMER, Hélio. Uma síntese histórica da evolução do consumo de energia pelo homem. Novo Hamburgo, 2002. Disponível em:



HÉMERY, Daniel; BEBIER, Jean Claude; DELÉAGE, Jean-Paul. Uma História da Energia. Brasília: Editora Universidade de Brasília. 1993.


TERCIOTE, Ricardo. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. UNICAMP, Campinas: 2002. Disponível em: http:// www.feagri.unicamp.br/energia/agre2002/pdf/0100.pdf> Acesso em: 20 fev. 2011.


DUTRA, Ricardo Marques. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Rio de Janeiro, 2001.


AMARAL, Danilo. História da Mecânica - O motor a vapor. UFPB, 2010.

Disponível em: http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/Ema078/historia%20do%20motor%20 a%20vapor.pdf Acesso em: 22 fev. 2011. CGEE – Centro de Gestão e Estudos Energéticos.


Website TODA MATERIA : http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia Acesso em: 01 maio. 2018.


Website Wikipedia : https://pt.wikipedia.org/wiki/ . Acesso em: 26 maio. 2018.



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