4 - Energia e Transferência de Energia

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TERMODINÂMICA
Pollianna Jesus de Paiva Mendes Godoi
Energia e transferência 
de energia
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Listar as formas de energia.
 � Identificar as formas de transferência de energia.
 � Explicar a primeira lei da termodinâmica.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar a energia, grandeza física muito utili-
zada na engenharia para o funcionamento de diversos equipamentos, 
ferramentas e máquinas. A energia é a capacidade de algo realizar um 
trabalho e pode ser transitória ou permanente. A energia transitória é o 
calor, a energia mecânica, o trabalho, entre outros e a energia permanente 
é a potencial, a interna, entre outras.
Neste capítulo, você aprenderá conceitos básicos sobre energia e 
tipos e formas de transferência de energia, conceitos importantes para 
a engenharia.
Formas de energia
A energia é a capacidade de um corpo ou objeto para realizar trabalho e produzir 
força. No caso da engenharia, pode ser a ação de motores em equipamentos 
de forma a modificar a sua potencialidade. Existem várias formas de energia, 
como térmica, mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, química e 
nuclear (ÇENGEL; GHAJAR, 2012). Essas formas de energia estão presentes 
na natureza, em corpos e em diversos aparelhos fabricados pelo homem.
Energia cinética
Energia cinética é a energia que um corpo tem para se movimentar, isto é, 
o trabalho que determinado corpo ou objeto apresenta ao acelerar-se. De 
acordo com Çengel e Boles (2013), a energia macroscópica de um sistema 
está relacionada ao movimento e à influência de alguns efeitos externos como 
gravidade, magnetismo, eletricidade e tensão superficial. A energia que um 
sistema tem como resultado de seu movimento relativo a algum referencial é 
chamada de energia cinética em kJ. Quando todas as partes de um sistema se 
movem com a mesma velocidade, a energia cinética é expressa como:
Onde m é a massa do corpo e V é a velocidade.
Energia potencial
Energia potencial é a energia armazenada em um sistema, por meio da inte-
ração de corpos. Porém, esse armazenamento se dá pela associação do corpo 
ao sistema físico, conforme as forças do peso e elástica.
Energia potencial gravitacional é a energia do corpo sob influência de 
campo gravitacional, que é medido por meio do trabalho pelo peso do corpo, 
considerando a locomoção da posição inicial até a posição final. Energia 
potencial elástica está armazenada a partir da deformação de um elástico cuja 
deformação pode gerar um movimento de impulsão em um corpo.
Conforme dizem Çengel e Boles (2013), a energia que um sistema apresenta 
como resultado de sua altura em um campo gravitacional é chamada de energia 
potencial em kJ, e é expressa como:
EP = mgz
Onde g é a aceleração gravitacional e z é a elevação do centro de gravidade 
do sistema com relação a algum nível de referência escolhido arbitrariamente.
Energia e transferência de energia2
Energia interna
Energia interna é a soma da energia cinética e potencial das moléculas. As 
formas de energia relacionadas com a estrutura molecular de um sistema e 
com o grau de atividade molecular são chamadas de energia microscópica. 
A soma de todas as formas microscópicas de energia é denominada energia 
interna do sistema (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
A energia interna pode ser entendida como a soma das energias cinética e 
potencial das moléculas. A parte da energia interna associada com a energia 
cinética das moléculas é denominada energia sensível ou calor sensível. A 
velocidade média e o grau de atividade das moléculas são proporcionais à 
temperatura. Assim, em altas temperaturas, as moléculas têm energia cinética 
alta e, consequentemente, o sistema apresenta alta energia interna (ÇENGEL; 
GHAJAR, 2012).
A energia interna é também associada com as forças intermoleculares entre 
as moléculas de um sistema. Essas forças ligam as moléculas umas às outras e, 
como previsto, são mais fortes em sólidos e mais fracas em gases. Se energia 
suficiente for adicionada às moléculas de um sólido ou líquido, ela romperá 
essas forças moleculares e transformará o sistema em gás. Tal processo é 
denominado mudança de fase e, por causa dessa energia adicionada, o sistema 
na fase gasosa tem um nível de energia interna maior que na fase sólida ou 
líquida. A energia interna associada com a fase de um sistema é chamada 
de energia latente ou calor latente (ÇENGEL; GHAJAR, 2012). A energia 
interna, a pressão e a temperatura são propriedades de suma importância. 
Toda substância tem energia interna; se há atividade molecular, há energia 
interna (POTTER; SOMERTON, 2017).
Energia mecânica
Energia mecânica está relacionada à capacidade de determinado corpo gerar 
trabalho, por meio de força. A energia mecânica pode ser definida como a 
forma de energia que pode ser convertida completa e diretamente em trabalho 
mecânico por um dispositivo mecânico ideal, como uma turbina ideal. As 
energias cinéticas e potencial são as formas conhecidas de energia mecânica. 
Entretanto, energia térmica não é energia mecânica, uma vez que não pode 
ser convertida direta e completamente em trabalho (a segunda lei da termo-
dinâmica) (ÇENGEL; BOLES, 2013).
3Energia e transferência de energia
Assim, a energia mecânica de um fluido em escoamento pode ser expressa 
por unidade de massa como:
Onde P/ρ é a energia de pressão, V ²/2 é a energia cinética e gz é a 
energia potencial do fluido, todas por unidade de massa.
Energia total
Segundo Çengel e Boles (2013), a soma de todas as formas de energia constitui 
a energia total E de um sistema. A energia total de um sistema com base em 
uma unidade de massa é indicada por e (kJ/kg). Ela pode ser expressa como:
Onde E é a soma das formas de energia do sistema e m é a massa.
Segundo Çengel e Boles (2013), os efeitos magnéticos, elétricos e de tensão 
superficial são significativos apenas em alguns casos específicos e, geralmente, 
ignorados. Na falta de tais efeitos, a energia total de um sistema consiste nas 
energias cinética, potencial e interna, e é expressa como: 
Onde U é a energia interna, EC é a energia cinética e EP é a energia 
potencial.
Energia e transferência de energia4
O calor latente, citado em energia interna, é a quantidade de energia a ser transferida 
na forma de calor para uma substância mantida sob pressão constante visando à 
mudança de fase. O calor latente de fusão ou vaporização é a quantidade de energia 
gasta pela massa. A variação da energia está relacionada ao calor latente, pois quanto 
maior for, maior será a variação da energia resultante da modificação do arranjo 
molecular do corpo.
Formas de transferência de energia
Transferência de energia por calor
O calor é uma forma de energia de determinado corpo e pode ser transferido 
quando corpos estão em contato um com o outro. É definido como a forma de 
energia que pode ser transferida de um sistema para outro em consequência da 
diferença de temperatura entre eles. A ciência que estuda as taxas de transfe-
rência do calor é chamada transferência de calor (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
Os três mecanismos básicos de transferência de calor são condução, convec-
ção e radiação, e discutimos o conceito de condutividade térmica. Condução 
é a transferência de energia resultante da interação de partículas de maior 
energia de uma substância com partículas adjacentes de menor energia. Con-
vecção é o modo de transferência de calor entre uma superfície sólida e um 
líquido ou gás adjacente que está em movimento, e esse processo envolve os 
efeitos combinados de condução e movimento do fluido. Radiação é a energia 
emitida pela matéria em forma de ondas eletromagnéticas (ou fótons), como 
resultado das mudanças nas configurações eletrônicas de átomos ou moléculas 
(ÇENGEL; GHAJAR, 2012).
Segundo Çengel e Boles (2013), a transferência de calor (kJ/kg) por unidade 
de massa de um sistema é indicada por q e é determinada por:
5Energia e transferência de energiaTransferência de energia por trabalho e 
formas de trabalho
O trabalho, assim como o calor, é uma interação de energia entre um sistema 
e sua vizinhança. A energia pode atravessar a fronteira de um sistema fechado 
na forma de calor ou de trabalho. Assim, se a energia que cruza a fronteira 
de um sistema fechado não é calor, ela deve ser trabalho. O calor é fácil de 
reconhecer: sua força motriz é uma diferença de temperatura entre o sistema 
e sua vizinhança. Podemos simplesmente dizer que o trabalho é uma interação 
de energia que não é causada por uma diferença de temperatura entre um 
sistema e sua vizinhança. Mais especificamente, o trabalho é a transferência 
de energia associada a uma força que age ao longo de uma distância. Um pistão 
em ascensão, um eixo em rotação e um fio elétrico que atravessa as fronteiras 
do sistema estão associados a interações de trabalho (ÇENGEL; BOLES, 2013).
Segundo Çengel e Boles (2013), o trabalho realizado por unidade de massa 
de um sistema é indicado por w (kJ/kg) e expresso como:
A palavra trabalho é tão ampla que é preciso ser muito específico na sua 
definição técnica. Ela precisa incluir, por exemplo, o trabalho realizado pela 
expansão dos gases de descarga após a combustão ocorrer no cilindro de um 
motor automobilístico. A energia liberada durante o processo de combustão 
é transferida para o virabrequim (Figura 1) por meio da haste conectora na 
forma de trabalho. Assim, o trabalho pode ser considerado uma transferência 
de energia pela fronteira de um sistema, sendo o sistema os gases no cilindro 
(POTTER; SOMERTON, 2017).
O trabalho, designado por W, costuma ser definido como o produto de uma 
força pela distância de deslocamento na direção da força. Essa é uma definição 
mecânica de trabalho. Uma definição mais geral é a definição termodinâmica: 
trabalho é uma interação entre um sistema e sua vizinhança; é realizado por 
um sistema se o único efeito externo sobre a vizinhança for, por exemplo, 
a elevação de um peso. A magnitude do trabalho é o produto do peso pela 
distância que poderia ser erguido (POTTER; SOMERTON, 2017).
Energia e transferência de energia6
Figura 1. Virabrequim.
Fonte: Dezay/Shutterstock.com.
Primeira lei da termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica, também conhecida como princípio da conser-
vação de energia, estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída 
durante um processo; pode apenas mudar de forma. Assim, toda quantidade de 
energia deve ser computada durante um processo. O princípio da conservação 
de energia (ou balanço de energia) para qualquer sistema sofrendo qualquer 
processo pode ser expresso da seguinte maneira: a variação líquida (aumento 
ou diminuição) na energia total de um sistema durante um processo é igual à 
diferença entre a energia total recebida e a energia total rejeitada pelo sistema 
durante o processo.
Segundo Çengel e Ghajar (2012):
Eent (energia total na entrada do sistema) - Esai (energia total na saída 
do sistema) = ΔEsistema (mudança de energia total no sistema)
Segundo Çengel e Ghajar (2012), a energia pode ser transferida para ou 
do sistema por meio de calor, trabalho e fluxo de massa; a energia total de 
um sistema simples e compressível é a soma das energias interna, cinética 
e potencial e o balanço de energia para qualquer sistema sofrendo qualquer 
processo.
7Energia e transferência de energia
Em disciplinas de física básica, o estudo da conservação de energia enfatiza 
as mudanças em energia cinética e potencial e sua relação com o trabalho. Uma 
forma mais geral de conservação de energia inclui os efeitos da transferência 
de calor e as mudanças na energia interna. Essa forma mais geral normalmente 
é chamada de primeira lei da termodinâmica. Outras formas de energia, como 
eletrostática, magnética, tensão e superfície, também podem ser incluídas 
(POTTER; SOMERTON, 2017).
Eficiência de conversão de energia
Representada pelo símbolo η, a eficiência de conservação de energia é a razão 
entre a saída útil e a entrada da máquina de conversão de energia. Ela depende 
da utilidade da saída. Parte do calor ou o completo calor produzido pela queima 
de um fluido pode ser rejeitado pelo calor residual, isso ocorre se o trabalho 
for a saída almejada em um ciclo termodinâmico. Em um conversor de energia 
acontece a transformação de energia, em que a eficiência é considerada um 
termo técnico ou físico. 
Por meio do link a seguir, você pode acessar o vídeo que fala sobre a primeira lei da 
termodinâmica, para melhor entendimento. 
https://qrgo.page.link/sc8dT
Sobre a conversão de energia, o carro converte energia química do fluido e do oxigênio 
no motor em energia mecânica do movimento do motor. A lâmpada converte a energia 
química para a radiação eletromagnética (luz). Os moinhos de vento convertem a 
energia do vento em energia mecânica, ao movimentar a turbina, e, em seguida, em 
energia elétrica. 
Energia e transferência de energia8
ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
ÇENGEL, Y. A.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática. 4. 
ed. Porto Alegre: AMGH, 2012.
POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W. Termodinâmica para engenheiros. 3. ed. Porto Alegre: 
Bookman, 2017. (Coleção Schaum).
Leituras recomendadas
ENERGIA cinética. [S. l.: s. n.], 2017. 1 vídeo (3 min). Publicado pelo canal Responde aí. 
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=DpwdATCXoGk. Acesso em: 28 
jun. 2019.
FÍSICA: termologia: transferência de calor. [S. l.: s. n.], 2017. 1 vídeo (19 min). Publicado 
pelo canal Aula de. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=jWqS9OpFjuA. 
Acesso em: 28 jun. 2019.
IENO, G.; NEGRO, L. Termodinâmica. São Paulo: Pearson, 2006. 
MORAN, M. J. et al. Princípios de termodinâmica para engenheiros. 7. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2013.
NETZ, P. A.; ORTEGA, G. G. Fundamentos de físico-química. Porto Alegre: Artmed, 2014.
PRIMEIRA lei da termodinâmica. [S. l.: s. n.], 2013. 1 vídeo (6 min). Publicado pelo canal 
Kuadro. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=JNrvOgn205w. Acesso 
em: 28 jun. 2019.
SEARS, F. et al. Física: termodinâmica e ondas. 10.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. v. 2.
WYLEN, G. V.; SONNTAG, R.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. 
4. ed. São Paulo: Bluncher, 1995.
9Energia e transferência de energia