Energia é um termo muito usado nos meios de comunicação e tem um significado especial para a ciência e a tecnologia. É comum ouvirmos, no dia-a-dia, frases do tipo: “as crianças têm muita energia”, “a energia dos cristais”, “aquela pessoa tem uma energia negativa”, “algumas plantas trazem energia positiva para a casa”. Na ciência, o termo energia tem um significado especial que, na maioria das vezes, pode não coincidir com o uso cotidiano.
A energia é uma grandeza particularmente importante, porque está relacionada com os mais diversos fenômenos. Na verdade todos os fenômenos que ocorrem na natureza envolvem transformações de energia. Enquanto caminhamos ou lemos um livro, estamos transformando energia. Para o nosso organismo manter as funções vitais, como por exemplo pulsar o coração, respirar ou manter a temperatura corporal constante, estamos também transformando energia.
Até o momento o termo “energia” foi usado várias vezes, sem, no entanto defini-lo. Mesmo sendo um dos conceitos mais importante da Física, ele é abstrato, o que o torna de difícil definição pois abrange fenômenos extremamente diferentes entre si. A energia afeta tudo que existe na natureza e as leis que governam seu comportamento estão entre as mais importantes e abrangentes da ciência. Podemos pensar em energia como algo que se transforma continuamente e que pode ser usado para realizar trabalho. Segundo Moreira (1998):
“Se tivéssemos que citar um único conceito físico como o mais importante para a Física, e para toda a Ciência de um modo geral, este seria o conceito de energia. De maneira análoga, se tivéssemos que citar qual o mais útil princípio físico para toda a Ciência a escolha, certamente, recairia sobre o princípio da conservação da energia. Aliás, não é difícil perceber que estas escolhas estão relacionadas”. (Moreira, p.2, 1998).
Estamos acostumados a ouvir falar em “energia elétrica”, “energia elástica”, “energia eólica”, ‘”energia química”, “energia nuclear", mas na realidade todas essas formas estão incluídas nas três formas fundamentais de energia: a cinética, devido ao movimento; a potencial, devido ao efeito das forças de interações; e a energia devido à massa, dada pela equação de Einstein, E = mc2 (Moreira, 1988, p.2,).
Existe um princípio que se aplica a qualquer processo físico até hoje conhecido, e para o qual não se conhece exceções: o princípio da conservação da energia. A energia, em qualquer processo físico, apenas pode ser transformada e a sua quantidade total sempre permanece constante. E precisamente nisso reside sua importância, ou seja, em um sistema físico isolado existem várias formas de energia, podendo umas se transformarem nas outras, porém no geral a energia não pode ser criada nem destruída.
O calor é uma das formas de energia mais utilizadas, por exemplo, para o funcionamento de máquinas térmicas, fornos siderúrgicos, geração de energia elétrica, termoterapia1. Existem registros da tentativa de explicar o calor que datam aproximadamente de 600 anos antes de Cristo, mas reduziam-se a meras especulações. Os filósofos do século (VII a.C.) Anaximandro, Heráclito e Empédocles, e até mesmo Platão e Aristóteles, possuíam noções muito limitadas sobre a natureza do calor. Platão aceitava o calor como algo que estava associado aos corpúsculos do elemento fogo. Aristóteles acreditava que o frio e o quente eram duas das quatro qualidades primárias da matéria, além do seco e do úmido.
No século XIII, foi desenvolvida uma teoria por Roger Bacon (1214-1924) segundo a qual a causa do calor era o movimento interno das partículas do corpo, porém não sabemos se é o calor que produz movimento ou se o movimento é que produz o calor. Galileu Galilei (1564-1642) considerava o calor como uma espécie de fluido capaz de penetrar e abandonar qualquer corpo com grande facilidade.
Francis Bacon (1561 - 1626) observou o fato de que fortes e freqüentes marteladas produzem o aquecimento de um pedaço de ferro. Conhecia-se, igualmente, o método de obtenção do fogo pelo atrito. Ele concluiu que o calor é um movimento interno das pequeníssimas partículas que constituem a matéria, onde a temperatura do corpo depende da velocidade associada ao movimento dessas partículas.
Até meados do século XVII, pode-se observar a existência de duas hipóteses que procuravam explicar o calor: uma associada à idéia de fluido e outra que o considerava como movimento das partículas do corpo. Nessa época não existia a preocupação em se chegar a um consenso sobre a validade de cada uma delas e isso pode ser entendido pelo fato de não ser necessário tratar o calor quantitativamente.
O aperfeiçoamento nos termômetros feitos por Fahrenheit (1686-1736) melhorou a precisão das medidas, o que permitiu que no final do século XVIII, Joseph Black (1728-1799), professor de química da Universidade de Glasgow, estabelecesse distinções entre os conceitos de temperatura e calor, a partir de estudos sobre a fusão do gelo. O aperfeiçoamento ocorrido na técnica de construção de termômetros também contribuiu para melhorar o entendimento de várias propriedades térmicas dos materiais.
Até o final do século XIX, os fenômenos térmicos ainda eram explicados admitindo-se a existência de uma substância material chamada calórico. Joseph Black observou que todos os materiais, a diferentes temperaturas, tinham a tendência de entrar em equilíbrio térmico quando postos em contato. Ele estudou as transformações nos materiais enquanto o calor “entrava” ou “saía” deles.
Em 1770, Black propôs que o calórico seria um fluido composto de partículas minúsculas que se repeliriam umas às outras, mas seriam atraídas pela matéria. A teoria do calórico permitia explicar um conjunto de fenômenos ligados ao calor. A contração e a expansão observadas com o resfriamento e o aquecimento, respectivamente, eram exemplos de observações ligadas ao calórico. A expansão e a contração eram resultados do acúmulo e da liberação de calórico. Já a geração de calor por atrito era explicada devido ao fato desse reduzir a atração entre o calórico e a matéria. A teoria era baseada em dois postulados: (1) o fluido material (calor) não podia ser criado ou destruído e (2) a quantidade de fluido material (calor) transferido de um objeto para outro era proporcional à sua massa e à variação de temperatura. O termo calórico foi proposto por Lavoisier, em 1817.
Os problemas da teoria do calórico tornaram-se críticos frente à argumentação formulada por Benjamin Thompson (1753-1814), Conde de Rumford. Thompson, ao inspecionar a fabricação de canhões de bronze, observou que os blocos desse metal tornavam-se incandescentes à medida que a broca os perfurava, e ainda, que o bronze continuava a esquentar mesmo que a broca estivesse sem fio. Ele sugeriu na época que o calor liberado na perfuração do cano dos canhões não estaria ligado ao calórico que era transferido da broca para o bronze, mas ao trabalho efetuado pela broca sobre os canhões. Então como explicar o aquecimento que ocorria quando a broca não tinha mais fio? Convencido de que o calor era gerado pelo atrito, Rumford realizou a seguinte experiência. Mergulhou na água um canhão a ser perfurado, a fim de que o calor produzido pela broca fosse transferido para a água. Para fazer a perfuração, usou uma parelha de cavalos, atrelados ao eixo da broca, fazendo-a girar. Após aproximadamente duas horas e meia girando com a broca, o movimento dos cavalos havia fervido a água.
Convenceu-se assim que trabalho podia ser convertido em calor e vice-versa, e que a natureza do calor era de fato movimento. Ele argumentou que uma esponja não poderia liberar indefinidamente água se apertada e, ao contrário, a taxa de produção de calor poderia ser mantida indefinidamente enquanto que o trabalho de usinagem fosse realizado. A idéia de que o calor é energia foi introduzida por Rumford.
James Joule, que entre 1840 e 1849 realizou medições bastante precisas sobre a equivalência mecânica do calor (isto é, calor e trabalho são apenas diferentes manifestações da mesma coisa, que é a energia) por diversos métodos e confirmou, experimentalmente, que calor é uma forma de energia. A lei de conservação da energia ganhou grande aceitação após a publicação em 1848 de um trabalho por H. Helmholtz, um cirurgião do exército prussiano, mostrando as aplicações da lei em diversos campos. As dificuldades crescentes enfrentadas pela teoria do calórico foram contornadas com a introdução do conceito de energia interna e com o conceito de calor como a transferência de energia entre o sistema e a sua vizinhança.
Todas as substâncias são formadas por átomos e moléculas que possuem uma grande quantidade de energia armazenada. As moléculas estão em constante movimento independentemente do seu estado físico, ou seja, as moléculas possuem energia cinética. Devido às interações com as moléculas vizinhas elas também possuem energia potencial. Nas substâncias também existe energia devido a sua massa. A energia interna é a soma de todas as energias que existem no interior das substâncias. É importante salientar que não temos interesse em calcular a energia interna de um corpo ou sistema, mas sim, determinar a sua variação.
A temperatura é a medida da energia cinética média de translação dos átomos e moléculas. Quando aumenta essa energia cinética média aumenta a temperatura. Convém ressaltar que pode haver variação de energia interna sem que ocorra variação na temperatura, como por exemplo, nas mudanças de fase que serão analisadas posteriormente.
A introdução do conceito de energia interna soluciona o problema da conservação da energia mecânica (cinética e potencial) em sistemas dissipativos (nos quais existem forças de atrito atuando). Nesse processo, a energia mecânica diminui, mas a energia total conserva-se, pois existe transformação de energia mecânica em energia interna, ou seja, a diminuição da energia mecânica é igual ao aumento da energia interna. Exemplificando: quando um objeto é lançado verticalmente para cima, no vácuo, ele atinge certa altura; porém, se mantivermos as demais condições e o lançarmos no ar, o objeto irá atingir uma altura menor. Isso ocorre porque pelo atrito do objeto com o ar parte da energia mecânica transforma-se em energia interna (tanto do ar, quanto do objeto) podendo ser percebida pelo aumento da sua temperatura.
É possível variar a energia interna de um sistema fornecendo ou retirando energia. Quando a transferência de energia ocorre exclusivamente devido a uma diferença de temperatura entre o sistema e a vizinhança, a energia transferida recebe o nome de calor.
Figura 1- A energia na forma de calor flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o corpo de menor temperatura.
É importante observar que um corpo ou sistema não contém calor, ele possui energia interna. Uma vez transferida, a energia não pode mais ser chamada de calor. Salientemos uma vez mais: calor é o processo de transferência de energia entre os corpos devido exclusivamente à diferença de temperatura entre eles.
A energia está presente em toda parte, seja na forma de energia cinética de um corpo em movimento, de energia potencial gravitacional de um corpo a certa altura do solo, de energia térmica sendo transferida entre dois corpos com temperaturas diferentes (calor) ou de energia química contida nos alimentos. A energia não é criada nem destruída, mas transformada de uma forma para outra.
