O que é energia – Física – Definição

O que é energia? Energia é uma quantidade física escalar. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor. A energia total não pode ser criada ou destruída. Engenharia Térmica

O que é energia

O sol
O Sol gera sua energia por fusão nuclear de núcleos de hidrogênio em hélio. Em sua essência, o Sol funde 620 milhões de toneladas métricas de hidrogênio a cada segundo.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

O termo energia é muito, muito amplo e possui muitas definições. Tecnicamente, energia é uma quantidade física escalar que está associada ao estado de um ou mais objetos. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor . Às vezes, é como a “moeda” para realizar o trabalho. Você deve ter energia para realizar o trabalho. Para executar 1 quilojoule de trabalho, você deve gastar 1 kilojoule de energia. É preciso acrescentar que essa interpretação pode ser enganosa porque a energia não está necessariamente disponível para o trabalho.

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro. Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica .

Unidades de energia

A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor. Essa definição faz com que a unidade SI para energia seja igual à unidade de trabalho – o joule (J) . Joule é uma unidade derivada de energia e é nomeado em homenagem a James Prescott Joule e seus experimentos sobre o equivalente mecânico do calor. Em termos mais fundamentais, 1 joule é igual a:

1 J = 1 kg.m 2 / s 2

Como a energia é uma quantidade física fundamental e é usada em vários ramos físicos e de engenharia, existem muitas unidades em física e engenharia. Essas unidades estão resumidas nos seguintes pontos:

  • Joule (unidade: J)
  • Calorias (unidade: cal)
  • Unidade Térmica Britânica (unidade: BTU)
  • Força da libra-pé (unidade: ft.lbf)
  • Quilowatt-hora (unidade: kWh)
  • Megawatt-dia (unidade: MWd)
  • Electronvolt (unidade: eV)

Exemplos de energia de 1 Joule

Um joule na vida cotidiana e na ciência corresponde aproximadamente a:

  • A energia cinética de um objeto com massa 1 kg movendo-se a √2 ≈ 1,4 m / s .
  • A energia cinética de um objeto de 50 kg (por exemplo, humano) se move muito lentamente – aproximadamente 0,72 km / h .
  • A energia necessária para levantar uma maçã de tamanho médio ( 100 g ) 1 metro verticalmente da superfície da Terra.
  • O calor necessário para aumentar a temperatura de um g de água de 0,24 ° C .
  • O calor necessário para evaporar de 0,00044 g de água no estado líquido a 100 ° C.
  • A quantidade de eletricidade necessária para acender um LED de 1 watt por 1 s .
  • É liberado por aproximadamente 3,1 × 10 10 fissões em um reator nuclear.

Formas de energia

A energia existe de várias formas. As formas comuns de energia incluem energia mecânica classicamente dividida em energia cinética e energia potencial . A energia cinética está relacionada à velocidade de um objeto em movimento . A energia potencial está relacionada à posição de um objeto em um campo de força (gravitacional, elétrico ou magnético). A tensão em uma mola ou tensão na superfície do filme são outras formas de energia mecânica potencial (energia elástica). Existem muitas outras formas de energia, incluindo energia elétrica, magnética, química e nuclear .

Na termodinâmica, o conceito de energia é ampliado para dar conta de outras mudanças observadas. A termodinâmica lida com outro tipo de energia chamado ” energia térmica ” ou ” energia interna “. As únicas maneiras pelas quais a energia de um sistema fechado pode ser alterada são através da transferência de energia pelo trabalho ou pelo calor . Além disso, com base nos experimentos de Joule e outros, um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Este princípio é conhecido como a primeira lei da termodinâmica . Em geral, energia é um conceito fundamental da termodinâmica e um dos aspectos mais significativos da análise de engenharia.

 

Equivalência de energia em massa

Um dos resultados impressionantes da teoria da relatividade de Einstein é que massa e energia são equivalentes e conversíveis , uma na outra. A equivalência entre massa e energia é descrita pela famosa fórmula de Einstein:

E = MC2

, onde M é a pequena quantidade de massa e C é a velocidade da luz.

O que isso significa? Se a energia nuclear é gerada (divisão de átomos, fusão nuclear), uma pequena quantidade de massa (economizada na energia de ligação nuclear ) se transforma em energia pura (como energia cinética, energia térmica ou energia radiante).

O equivalente energético de um grama (1/1000 de um quilograma) de massa é equivalente a:

  • 89,9 terajoules
  • 25,0 milhões de quilowatt-hora (≈ 25 GW · h)
  • 21,5 bilhões de quilocalorias (≈ 21 Tcal)
  • 85,2 bilhões de BTUs

ou à energia liberada por combustão do seguinte:

  • 21,5 quilotons de energia equivalente à TNT (≈ 21 kt)
  • 568.000 galões americanos de gasolina automotiva

Sempre que a energia é gerada, o processo pode ser avaliado da perspectiva E = mc 2 .

Princípio de Conservação de Energia

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro . Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Na termodinâmica, o conceito de energia é ampliado para dar conta de outras mudanças observadas, e o princípio de conservação de energia é estendido para incluir uma ampla variedade de maneiras pelas quais os sistemas interagem com seus arredores. As únicas maneiras pelas quais a energia de um sistema fechado pode ser alterada são através da transferência de energia pelo trabalho ou pelo calor . Além disso, com base nos experimentos de Joule e outros, um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Este princípio é conhecido como  a primeira lei da termodinâmica . A primeira lei da termodinâmica pode ser escrita de várias formas:

Em palavras:

primeira lei da termodinâmica em palavras

conservação de energia em termodinâmica
Layout físico dos quatro principais dispositivos utilizados no ciclo Rankine e transferências básicas de energia.

Forma da equação:

IntE int = Q – W

onde int representa a energia interna do material, que depende apenas do estado do material (temperatura, pressão e volume). Q é o calor líquido adicionado ao sistema e W é o trabalho líquido realizado pelo sistema. Devemos ser cuidadosos e consistentes ao seguir as convenções de sinal para Q e W. Como W na equação é o trabalho realizado pelo sistema, se o trabalho for realizado no sistema, W será negativo e E int aumentará.

Da mesma forma, Q é positivo para o calor adicionado ao sistema; portanto, se o calor sai do sistema, Q é negativo. Isso nos diz o seguinte: A energia interna de um sistema tende a aumentar se o calor for absorvido pelo sistema ou se um trabalho positivo for feito no sistema. Por outro lado, a energia interna tende a diminuir se o calor for perdido pelo sistema ou se for feito um trabalho negativo no sistema. Deve-se adicionar Q e W dependem do caminho, enquanto E int é independente do caminho.

Forma diferencial:

dE int = dQ – dW

A energia interna E int de um sistema tende a aumentar se a energia é adicionada como calor Q e tende a diminuir se a energia é perdida como o trabalho W realizado pelo sistema.

Fontes de energia

Fornecimento total de energia primária
Fornecimento total de energia primária por recurso 1993, 2011 e previsão para 2020.
Fonte: World Energy Resources – Pesquisa de 2013
Usado com permissão do Conselho Mundial da Energia

As fontes de energia sempre desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da sociedade humana. Desde a revolução industrial, a energia tem sido uma força motriz para o desenvolvimento da civilização moderna. O desenvolvimento tecnológico e o consumo de energia primária , juntamente com o aumento da população mundial, são interdependentes. Nos últimos 20 anos, o mundo ao nosso redor mudou significativamente. A tecnologia tornou-se um dos principais motores do desenvolvimento econômico e social. O rápido avanço da Tecnologia da Informação (TI) em todo o mundo transformou não apenas a maneira como pensamos, mas também a maneira como agimos. Deve-se notar que praticamente todas as tecnologias funcionam com energia elétrica e, portanto, a parcela de eletricidade está aumentando rapidamente, mais rapidamente do queFornecimento total de energia primária (TPES – soma da produção e importações subtraindo as exportações e as mudanças de armazenamento).

Atualmente, o combustível fóssil ainda é a fonte de energia predominante no mundo e sua extração, produção e uso não são consideradas eficientes, independentemente das novas tecnologias disponíveis para melhorar seu uso e extração. Ao estudar os recursos energéticos, precisamos distinguir as fontes de energia primária e secundária .

Fontes de energia primária

fontes de energia primária - tabela
Principais indicadores para 1993, 2011 e previsão para 2020.
Fonte: World Energy Resources – Pesquisa de 2013
Utilizada com permissão do Conselho Mundial da Energia

A energia primária (PE) é um recurso energético encontrado na natureza que não foi submetido a nenhum processo de conversão ou transformação. É a energia contida nos combustíveis brutos e outras formas de energia recebidas como insumo para um sistema. As fontes de energia primária assumem várias formas, incluindo energia nuclear, energia fóssil – como petróleo, carvão e gás natural – e fontes renováveis ​​como eólica, solar, geotérmica e hidrelétrica. Essas fontes primárias podem ser convertidas em fonte de energia secundária, os chamados portadores de energia . As fontes de energia primária podem ser divididas em:

  • Fontes não renováveis
    • Combustíveis fósseis
      • Óleo
      • Carvão
      • Gás natural
    • Combustíveis minerais
      • Urânio natural
      • Tório natural
  • Fontes renováveis
    • Energia solar
    • Energia eólica
    • Energia hídrica e das marés
    • Energia geotérmica
    • Energia de biomassa (se explorada de forma sustentável)

Fontes de energia secundárias – Transportadoras de energia

Fontes de energia secundárias , também chamadas de portadoras de energia , são derivadas da transformação de fontes de energia primária. Eles são chamados portadores de energia, porque movem energia de uma forma utilizável de um lugar para outro. Os portadores de energia conhecidos são:

  • Eletricidade
  • Gasolina
  • Hidrogênio

Eletricidade e hidrogênio produzidos a partir de fontes de energia primária, como carvão, gás natural, energia nuclear, petróleo e fontes de energia renováveis. A eletricidade é particularmente útil, pois possui baixa entropia (é altamente solicitada) e pode ser convertida em outras formas de energia com muita eficiência. Simplesmente, não podemos dizer que o hidrogênio tenha potencial para compensar os combustíveis fósseis.

Fontes de energia secundárias são usadas, porque seu uso é mais fácil do que usar uma fonte de energia primária. Por exemplo, usar eletricidade para iluminação é mais seguro do que usar petróleo em velas ou lâmpadas de querosene.

Por outro lado, qualquer conversão de energia primária em transportadora de energia está associada a alguma ineficiência. Portanto, ao lidar com fonte de energia secundária, devemos sempre considerar o caminho, como a transportadora foi fabricada.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.