Energia nas ciências naturais

Este artigo é sobre a definição de energia em ciências naturais. Para outros significados de energia, veja energia (desambiguação).

O sol: fonte primária de energia. A energia solar é responsável por praticamente todos os processos naturais observáveis no planeta Terra. Da energia eólica associada a furacões à energia térmica no solo dos desertos ardentes, da energia cinética nas águas de um rio caudaloso à energia potencial presente no vapor de água nas nuvens, da energia elétrica em uma tempestade de raios à energia hidrelétrica, da energia fóssil à renovável, da energia que as plantas usam para crescer até a que usamos para viver, todas têm por fonte primária a energia solar. São raros os processos na superfície da Terra que não se ligam de alguma forma à energia solar.

Definir energia não é algo trivial, e alguns autores chegam a argumentar que "a ciência não é capaz de definir energia, ao menos como um conceito independente". Contudo, mesmo para estes autores, "embora não se saiba o que é energia, se sabe o que ela não é", em clara alusão aos demais significados da palavra difundidos em senso comum, não obstante bem distintos daqueles encontrados no meio científico Ref. 1 . Este artigo foca a aceção científica da palavra energia.

Em ciência, energia (do grego έν dentro, εργον1 trabalho, obra, dentro do trabalho2 ) refere-se a uma das duas grandezas físicas necessárias à correta descrição do inter-relacionamento - sempre mútuo - entre dois entes ou sistemas físicos. A segunda grandeza é o momento. Os entes ou sistemas em interação trocam energia e momento, mas o fazem de forma que ambas as grandezas sempre obedeçam à respetiva lei de conservação.

É bem difundido - não só em senso comum - que energia associa-se geralmente à capacidade de produzir um trabalho ou realizar uma ação Ref. 2 . Em verdade, a etimologia da palavra tem origem no idioma grego, onde εργος (ergos) significa "trabalho". Embora não completamente abrangente no que tange à definição de energia, esta associação não se mostra por completo fora do domínio científico, e, em princípio, qualquer ente que esteja a trabalhar - por exemplo, a mover outro objeto, a deformá-lo ou a fazê-lo ser percorrido por uma corrente elétrica - está a "transformar" parte de sua energia, transferindo-a ao sistema sobre o qual realiza o trabalho.

O conceito de energia é um dos conceitos essenciais da Física. Nascido no século XIX, desempenha papel crucial não só nesta cadeira como em todas as outras disciplinas que, juntas, integram a ciência moderna. Notoriamente relevante na Química e na Biologia, e mesmo em Economia e outras áreas de cunho social, a energia se destaca como pedra fundamental, uma vez que o comércio de energia move anualmente quantidades enormes de dinheiro.

Pela sua importância, há na Física uma subárea dedicada quase que exclusivamente ao estudo da energia: a termodinâmica. Em termodinâmica, o trabalho é uma entre as duas possíveis formas de transferência de energia entre sistemas físicos; a outra forma é o calor.

Definição científica de energia[editar | editar código-fonte]

O conceito científico de energia só pode ser entendido mediante a análise de dois entes ou sistemas físicos em interação. Quando dois sistemas físicos interagem entre si, mudanças nos dois sistemas ocorrem. A interação entre sistemas físicos naturais dá-se, em acordo com os resultados empíricos, sempre de forma muito regular, sendo uma mudança específica em um deles sempre acompanhada de uma mudança muito específica no outro, embora estas mudanças possam certamente ser de naturezas muito ou mesmo completamente distintas.

Energia[editar | editar código-fonte]

Regularidades observadas na natureza expressam-se dentro da ciência mediante o estabelecimento das denominadas leis científicas. No que se refere à forma com que dois entes físicos interagem entre si, na busca da correta correlação entre as mudanças observadas nos sistemas viu-se a necessidade de estabelecer-se, para o correto cumprimento da tarefa, não apenas uma mas duas grandezas físicas primárias independentes, cada qual associada à uma lei de conservação própria, leis estas inerentes a todos os sistemas físicos e que combinadas, permitem a correta descrição dos mesmos. Tais grandezas físicas são denominadas energia e momento, e as leis científicas que as governam denominam-se respetivamente lei da conservação da energia Nota 1 e a lei da conservação do momento linear. Ao passo que o momento é uma grandeza vetorial, a sua contra-parte aqui descrita é uma grandeza escalar.

À relação existente entre a energia e o momento de um dado ente físico dá-se o nome de relação de dispersão, sendo esta vital no contexto de qualquer teoria para a dinâmica da matéria e energia (mecânica clássica, relatividade, mecânica quântica, etc.). Em mecânica clássica, para partículas massivas, a energia depende do quadrado do momento E \alpha \vec {P}^2 ; para fótons a energia mostra-se diretamente proporcional ao momento por este transportado E \alpha \vec {P} . Grandezas físicas importantes são definidas a partir da relação de dispersão apresentada por um dado ente, a exemplo a massa Ref. 3 .

Relação de dispersão para uma partícula clássica. Em todos os modelos dinâmicos o momento P e a energia E são definidos de forma a satisfazerem leis gerais de conservação.

Como as transformações observadas em um sistema têm naturezas as mais diversas, a exemplo indo desde uma simples mudança nas velocidades das partículas do sistema Nota 2 até um rearranjo completo das posições espaciais de partículas interagentes uma em relação às outras Nota 3 e mesmo de um sistema inteiro em relação ao outro Nota 4 , para cada transformação define-se a forma de se determinar o valor da grandeza energia a ela associada, fazendo-se esta definição sempre de forma que as mudanças observadas neste caso sejam descritas por uma variação de energia igual em módulo ao determinado para as variações de energia associadas a todas as outras mudanças relacionadas, e de forma a garantir-se que a energia total dos sistemas em interação sempre se conserve.

À energia associada ao movimento dos corpos ou partículas dá-se o nome de energia cinética, e mostra-se que esta deve ser determinada, em casos abrangidos pela física clássica, através da expressão: E_c= \frac {1}{2} m v^2 . À energia associada a entes físicos mutuamente interagentes em virtude exclusiva das posições