Trabalho e Energia Introdução Teórica

Trabalho e Energia

Introdução Teórica

Em física, uma força realiza trabalho se, quando atuando sobre um corpo, existe um deslocamento do ponto de aplicação na direção da força. Por exemplo, quando uma bola é mantida acima do solo e, em seguida, é derrubada, o trabalho realizado sobre a bola que cai é igual ao peso da bola (a força) multiplicado pela distância ao solo (deslocamento). O trabalho pode ser calculado de acordo com a descrição das seguintes formulas:

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onde F ⋅ v é o trabalho que será realizado em dt instante e C é a trajetória da posição (t1) para a posição (t2).

O termo “trabalho” foi introduzido em 1826 pelo matemático francês Gaspard-Gustave Coriolis. O termo significa "peso levantado através de uma altura", e é baseado no uso de motores de vapor adiantada para levantar baldes de água para fora das minas de minério inundadas.

A unidade no sistema internacional (SI) para trabalho é o Joule (J), unidade definida como o trabalho despendido por uma força de um Newton por meio de uma distância de um metro. Outra unidade usada como unidade de medição para o trabalho é o Newton-metro (N⋅m), mas ela pode ser confundida com a unidade newton metros, que é a unidade de medida de torque.

Uso de N⋅m não é utilizado pela autoridade SI, uma vez que pode levar a confusão com a medição de torque ou de energia. Outras unidades que não estão inclusas no SI são o erg, o foot-libra, kilowatt-hora, litro-atm, and the horsepower-hora. Devido ao trabalho possuir a mesma dimensão física na forma de calor, unidades de medição, como terma, BTU e calorias, são utilizados como uma unidade de medição.

Na física, a energia é uma propriedade dos corpos que pode ser transferida a outros corpos ou convertida de diferentes formas. "Capacidade de um sistema para executar trabalho" é uma descrição comum para energia, mas é difícil encontrar uma definição única e abrangente por causa de suas muitas formas. Por exemplo, em unidades SI, a energia é medida em joules e um joule é definido, mecanicamente, como sendo a energia transferida para um objeto, o trabalho mecânico de movê-lo a uma distância de 1 metro contra uma força de um Newton. No entanto, existem muitas outras definições de energia, dependendo do contexto, tais como energia térmica, energia radiante, eletromagnética, nuclear, entre outras(1,2,3).

As formas de energia mais comuns incluem a energia cinética de um objeto em movimento, a energia potencial armazenada pela posição de um objeto em um campo de força (gravitacional, elétrico ou magnético), a energia elástica armazenada pelo alongamento de objetos sólidos, a energia química liberada quando uma queima de combustível, a energia radiante realizada pela luz, e a energia térmica devido à temperatura de um objeto. Todas as muitas formas de energia são conversíveis para outros tipos de energia. Na física newtoniana, existe uma lei universal da conservação da energia que diz que energia não pode ser criada nem destruída; no entanto, pode mudar de uma forma para outra.

Por "sistemas fechados" com nenhuma fonte ou sumidouro de energia externa, a primeira lei da termodinâmica declara que a energia de um sistema é constante, a menos que a energia seja transferida de dentro para fora (e vice versa) pelo trabalho mecânico ou calor, e que nenhuma energia é perdida na transferência. Isto significa que é impossível criar ou destruir energia. Entretanto, enquanto o calor pode sempre ser totalmente convertido em trabalho em uma expansão isotérmica reversível de um gás ideal, por exemplo, para os processos cíclicos de interesse prático em motores de calor a segunda lei da termodinâmica afirma que o sistema que faz o trabalho sempre perde um pouco de energia na forma de calor.

Forças Conservativas

        Uma força conservativa é uma força cujo trabalho realizado para movimentar uma partícula entre os dois pontos não dependem do caminho percorrido. De maneira equivalente, se uma partícula se desloca em circuito fechado, o trabalho líquido feito (a soma de a força que atua ao longo do caminho multiplicado pela distância percorrida) por uma força conservadora é zero(3,4,5). A figura a seguir ilustra como a energia (no caso potencial) sera a mesma independente da trajetoria percorrida pela particula.

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Uma força conservativa é dependente somente da posição do objeto. Se uma força é conservativa, é possível atribuir um valor numérico para o potencial ao qual esse objeto estara sujeito em qualquer ponto. Quando um objeto se move de um local para outro, da força altera a energia potencial do objeto por uma quantidade que não depende do caminho percorrido. Se a força não é conservativa, então a definição de um potencial escalar não é possível, porque tomar caminhos diferentes levaria a diferenças de potencial conflito entre os pontos de início e fim. A gravidade é um exemplo de uma força conservativa, enquanto a fricção é um exemplo de uma força não conservativa(3).

Um campo de força F, definido em todos os lugares no espaço, é chamado de campo conservativo se cumprir qualquer uma dessas três condições:

1. O gradiente da forca F é o vetor zero

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1. O trabalho líquido (W) realizado pela força ao mover uma partícula através de uma trajetória que começa e termina no mesmo lugar é zero

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1. A força pode ser escrita como o gradiente negativo do potencial

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Energia Potencial

        Na física, a energia potencial é definida como a energia que um corpo possui em virtude de sua posição em relação a outros corpos, carga elétrica, e outros fatores. Os tipos mais comuns são a energia potencial gravitacional de um objeto que depende da sua massa e da sua distância a partir do centro de massa de um outro objeto, a energia potencial elástica que uma mola estendida contém, e a energia potencial de uma carga eléctrica num campo eléctrico.

A unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule, cujo símbolo é [J]. O termo energia potencial foi introduzido pelo engenheiro e físico escocês do século XIX William Rankine, embora tenha ligações com o conceito de potencial do filósofo grego Aristóteles.

A energia potencial é associada com forças que atuam sobre um corpo de uma forma que depende apenas da posição do corpo no espaço. Estas forças podem ser representadas por um vetor em cada ponto no espaço formando um vetor de campo de forças, ou um campo de força.