Energia (Biofísica)

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Energia
Okuno, E.; Caldas, I.L., Chow, C.; Física para ciências biológicas e biomédicas, São Paulo-Harper & Row do Brasil, 1982.
Energia Química e Biológica
Cada molécula possui uma energia potencial elétrica que depende da posição relativa dos átomos que a formam.  
Os mesmos átomos podem formar diferentes moléculas com diferentes energias potenciais, ou seja, diferentes energias químicas devido à absorção ou a emissão de algum outro tipo de energia.  
Isso significa que uma forma de energia pode ser transformada em outra numa reação química.  Todas as formas de energia química são basicamente de natureza elétrica.
Na queima da gasolina ou na explosão da dinamite, parte da energia potencial armazenada (energia química) nessa substancia é convertida em calor e em energia de movimento.  
Quando se queima gás metano (CH4), ocorre a reação de oxidação representada por:  
CH4 + 2 O2    CO2 + 2 H2O.
A manutenção de qualquer forma de vida depende de transformações moleculares. 
As plantas armazenam energia liberada em reações químicas produzidas pela absorção de energia solar. 
Essa energia pode ser posteriormente transferida aos animais na forma de alimento.  
Uma grande parte desses processos de transferência de energia é realizada através de algumas reações químicas básicas.  
Uma dessas reações é a que envolve as moléculas de difosfato de adenosina (ADP) e de trifosfato de adenosina (ATP), representadas por:
A ligação entre os grupos de fosfato P ~ P ou P ~ P ~ P, indicada por linhas curvas envolvem uma grande quantidade de energia potencial armazenada. É por isso que essas moléculas desempenham um papel importante no processo de transferência de energia química em sistemas biológicos, denominada energia biológica.  Quando uma molécula de ATP perde um grupo de fosfato, transformando-se numa molécula  ATP à ADP + P uma grande quantidade de energia é fornecida ao sistema.  A energia liberada nessa reação pelas moléculas de ATP é cerca de 67 J/g.
Fostato P
Adenosina
TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA NA BIOSFERA
De modo geral, as reações químicas ocorrem num sistema biológico com liberação ou absorção de energia, sendo verificada a primeira lei da Termodinâmica.  
Na digestão de um pedaço de carne, por exemplo, moléculas de proteína  soa desfeitas dando origem a outras moléculas de menor energia, como CO2 e H2O; nesse processo, parte da energia liberada é transformada em calor e parte é utilizada nos processos que requerem energia.
A fermentação alcoólica e a glicose são processos bioquímicos anaeróbicos (que ocorrem na ausência de oxigênio), pelos quais moléculas orgânicas são convertidas em outras com um conteúdo energético menor.  
Nesse processo, há portanto, liberação de energia, parte da qual é utilizada na formação de ATP.  
A glicose ocorre nas células musculares durante uma atividade física intensa, quando o fornecimento de oxigênio se torna insuficiente.
Respiração – Nos animais e na maioria dos microrganismos, a produção de ATP se deve, principalmente, a respiração.  
Esse é um processo metabólico no qual há a liberação de energia e formação de ATP, a partir de uma série de reações entre elementos básicos de alimentação e oxigênio, produzindo dióxido de carbono e água.
Para a Glicose:
Fotossíntese é o processo pelo qual plantas e certos microrganismos convertem energia luminosa em energia biológica, produzindo carboidratos.  Ela ocorre em cloroplastos, estruturas celulares que obtem pigmentos de clorofila.
No processo de respiração , essa reação ocorre no sentido contrário com liberação de energia.  
Comparando-se esses processos, pode-se concluir que, na formação de glicose pela fotossíntese, parte da energia luminosa é convertida em energia potencial dessa molécula.  
Além disso, há também armazenamento de energia em moléculas de ATP.
O processo de transformação de energia luminosa em energia química da molécula de ATP é denominado fotofosforilação, esquematizado na figura abaixo.
Quando um fóton se choca com uma molécula de clorofila (Cl), sua energia é absorvida por um dos elétrons da molécula.  Nas células fotossintetizadoras, as moléculas de clorofila estão próximas a outros componentes celulares, especialmente os citocromos (Ci) (moléculas de pigmento que contem ferro e são ligadas a pequenas moléculas de proteína).
Um citocromo captura o elétron energético que pertencia a molécula de clorofila, retém uma parte dessa energia e transfere o elétron a outro citocromo.  
Dessa forma a energia do fóton incidente é distribuída entre vários citocromos.  
Depois, o elétron envolvido pode ser novamente capturado por uma molécula de clorofila.
Um citocromo, após absorver a energia de o elétron, pode cedê-la sob a forma de calor ou através da emissão de um fóton de baixa energia, ou ainda, se ele estiver próximo a uma molécula de ADP e a um grupo fosfato, para a formação de uma molécula de ATP.  
 
FLUXO DE ENERGIA NA BIOSFERA
A fonte de energia utilizada por qualquer animal provem de uma hierarquia de organismos relacionados em uma cadeia alimentar.  
Essa cadeia pode se iniciar nas células fotossintetizadoras das plantas que podem servir de alimentação para as larvas e estas para os pássaros, que por sua vez podem ser comidos por animais.
Os animais que fazem parte de uma cadeia alimentar podem ser classificados em produtores, consumidores e decompositores.
Os produtores são os únicos que conseguem utilizar compostos de carbono na forma mais simples, existentes no meio ambiente, como o dióxido de carbono.
Os consumidores se alimentam de produtores e de outros consumidores.
Os decompositores, como as bactérias e os fungos, provocam a decomposição dos consumidores mortos e restituem ao solo a à atmosfera compostos simples de carbono.
Os produtores utilizam a luz solar como fonte de energia na fotossíntese.  
O mesmo não acontece com os consumidores, que obtêm a energia de que necessitam pela oxidação de complexas moléculas orgânicas, contidas em sua alimentação.
Apenas uma pequena fração de energia armazenada pelos produtores atinge os consumidores.  
Parte da energia disponível para cada organismo é dissipada e não pode ser aproveitada para realizar trabalho.  
Quando os consumidores morrem e são decompostos,a energia nelas armazenada é absorvida pelo ambiente na forma de calor.  
Dessa forma o fluxo de energia, que se inicia com a absorção de luz solar, é totalmente transferido ao ambiente na forma de calor, como ilustra a figura abaixo.
Nas células heterotróficas, moléculas são desfeitas durante a respiração, sendo a energia química liberada utilizada na formação do ATP. A energia armazenada nas moléculas de ATP é empregada na biossíntese, na realização de trabalho mecânico e no transporte de substâncias através da membrana celular.
Juntamente com o fluxo de energia, existe o fluxo de matéria como nos ciclos hídricos, do oxigênio, de carbono, nitrogênio, entre outros.
Durante a respiração, as células animais recebem oxigênio e nutrientes e produzem dióxido de carbono e água. Inversamente, as plantas clorofiladas extraem CO2 e água do meio, produzindo compostos celulares e liberando oxigênio. 
A quantidade de água e oxigênio na Terra é grande, mas o mesmo não ocorre com o CO2. Se a produção de dióxido de carbono for interrompida, os organismos fotossintetizadores consumiriam todo o CO2 disponível na atmosfera em um ou dois anos.
O que existe na natureza é um delicado equilíbrio entre produção e uso destes compostos, sendo a energia e a matéria fundamental para sua manutenção.
FONTES DE ENERGIA
Fontes
Convencionais
É utilizado para designar aquelas as tecnologias de conservação de uma forma de energia em outra, que se apresentam desenvolvidas e economicamente viável, sendo utilizadas na produção de energia para o consumo viável.
Fontes
Não-convencionais
São aquelas cujas tecnologias podem estar ou não completamente desenvolvidas, e que apresentam problemas de aceitação
dos custos.
Renovável
Uma fonte será considerada renovável se ela puder ser reabastecida, ou se desenvolver, ou simplesmente existir dentro de um intervalo de tempo significativo para as pessoas. Ex.: comida, madeira, água, etc.
Não-renovável
Uma fonte será considerada não-renovável se sua formação for tão lenta ou sua existência tão curta a ponto de se tornar esgotáveis num intervalo de tempo comparável à existência humana. Ex.: carvão mineral, petróleo, combustíveis nucleares, etc.
 
A renovabilidade de uma fonte é medida em relação à escala temporal do ser humano.
Nas ultimas décadas, a taxa de energia consumida pela sociedade aumentou bastante. Quase todos os aspectos da civilização moderna estão ligados ao uso de energia. Só como referencia metade da energia total produzida pelo ser humano foi consumida durante os últimos 100 anos. Conseqüentemente, o fornecimento de energia tornou-se uma das preocupações primárias da sociedade.
O consumo de energia pelo ser humano nos seus diversos estágios de evolução pode ser visto no quadro abaixo.
Alimentação
Usos domésticos
Indústria e agricultura
Transporte
Homem primitivo (África Oriental 1.000.000 AC)
 2   
 
 
 
Homem nômade
(Europa – 100.000 AC)
 3
   2
 
 
Agricultura primitiva
(5.000 AC)
 4
   4
   4
 
Agricultura avançada
(1.400 AC)
 6
     12
    7
 1
Homem Industrial
(Inglaterra – 1875)
  7
        32
      24
    14
Atualidade (EUA)
 
10
            68
                    91
                83
SOL – A FONTE PRIMÁRIA DE ENERGIA DA TERRA.
A principal fonte de energia da Terra é o Sol, responsável por mais de 99% do seu balanço energético. 
A figura esquematiza o papel da energia solar em vários processos da natureza, comparado com o das outras fontes de energia. 
Da energia solar incidente decorrem os combustíveis fósseis e vegetais, a biomassa, as energias hidráulica e eólica, etc .
O Sol, como as demais estrelas, é extremamente quente. A temperatura em sua superfície é da ordem de 6.000 K e chega a aproximadamente 2 X 107 K da região central. 
A essa temperatura, a matéria solar não é mais constituída de átomos, mas de núcleos e elétrons separados, num estado chamado plasma. Nessas condições, não ocorrem mais reações químicas, como a combustão, mas somente reações nucleares.
Cerca de 30% a 35% da energia solar incidente é diretamente refletida e espalhada de volta ao espaço, na forma de radiação ultravioleta. 
Aproximadamente 47% dela é absorvida pela atmosfera, pela superfície terrestre e pelos oceanos, e convertida em calor determinando a temperatura ambiente. 
Outros 23% são consumidos na evaporação, convecção, precipitação e circulação superficial da água, formando o ciclo hídrico. Por fim uma fração minúscula, cerca de 0.02%, é Absorvida pela clorofila das plantas e de alguns microorganismos, iniciando o processo de fotossíntese que, em ultima análise, é a base energética do mundo vivo.
ENERGIA HIDRÁULICA
Uma fonte tradicional de energia  é a água, tanto a proveniente de rios, lagos e cachoeiras, como a do mar. 
A potencialidade da água para fins de irrigação, fazendo uso de desníveis naturais já era conhecida dos povos primitivos.
A maneira mais comum de converter energia hidráulica em mecânica é através da roda de água.  
A conversão de energia hidráulica em elétrica é feita em duas etapas: a primeira, a energia hidráulica é convertida em energia mecânica rotacional da turbina, e na segunda, ocorre a conversão da energia mecânica em energia elétrica.
ENERGIA DE COMBUSTÍVEIS
Combustão é a reação em que átomos de um material se combinam quimicamente com átomos de oxigênio do ar, ou seja, é a queima de material. Essa reação é exotérmica, isto é, há liberação de energia, principalmente na forma de luz e calor. 
Essa energia liberada pode ser aproveitada para aquecimento, cozimento, produção de energia elétrica, movimentação de meios de locomoção, etc. 
Os combustíveis, materiais que são passíveis de ser queimados, podem ser vegetais ou fósseis.
Combustíveis vegetais
Ex.: a lenha, o carvão vegetal e as plantas constituem fontes de energia tradicional.
Combustíveis fósseis
Os combustíveis fósseis se formaram há centenas de milhões de anos, originando-se da decomposição incompleta de materiais orgânicos como plantas, pequenos animais, etc.
Ex: Carvão mineral, petróleo e gás natural
FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA
Devido ao consumo crescente, pela sociedade moderna, de energia essencialmente baseada no petróleo, que é um combustível esgotável, tornou-se necessária a procura de fontes alternativas, de energia das quais se destacam: a geotérmica, a nuclear, a solar, a eólica, as provenientes da biomassa, das mares, do xisto etc.
ENERGIA GEOTÉRMICA
A energia geotérmica já era utilizada na Grécia antiga, no Império romano, na Babilônia e no Japão, para fins medicinais, nas termas de água quente. 
Em 1904, foi construída a primeira usina geotérmica em Larderello, na Itália, que hoje produz eletricidade com potencia de 424 MW. 
Em 1958, uma segunda usina foi posta em funcionamento em Wairakei, na Nova Zelândia. 
Em 1960, o complexo dos Geysers, ao norte da Califórnia, foi colocado em funcionamento comercial, fornecendo hoje 516 MW de energia elétrica para os moradores de São Francisco.
ENERGIA NUCLEAR
A energia nuclear é, provavelmente, a forma mais concentrada de energia disponível à humanidade. 
Essa energia pode ser liberada em processos de fissão (ruptura de núcleos pesados) e de fusão (fusão de núcleos leves para formar núcleos pesados).
O desenvolvimento da energia nuclear de fissão começou em 1940 e culminou com a primeira explosão nuclear em Alamogordo, no Novo México, em junho de 1945. 
A energia gerada pela fissão ou fusão nuclear é utilizada para aquecer um fluido para produzir energia mecânica que, por sua vez, seria convertida em energia elétrica. Desse modo, o combustível nuclear desempenha o mesmo papel que os combustíveis fósseis nas usinas termoelétricas.
ENERGIA SOLAR
A existência da vida e a produção de energia na Terra dependem quase exclusivamente do Sol. 
Enquanto que os alimentos são o resultado da conversão da energia solar pela fotossíntese, os combustíveis fósseis constituem energia solar armazenada durante centenas de anos. 
Esses são aproveitamentos indiretos de energia solar.
 Seu aproveitamento direto, em relação a outras fontes era muito pequeno, até recentemente, quando a conscientização do fim dos combustíveis deu impulso à procura de outras fontes de energia.
Vantagens da energia solar:
A sua renovabilidade é quase infinita, podendo ser utilizada durante bilhões de anos.
Baixo impacto ambiental.
Pode ser aplicada regionalmente, diminuindo a necessidade de transporte através de grandes distâncias.
O aproveitamento direto da energia solar pode ser feito de duas maneiras: como fontes luminosas e de calor para a produção direta de eletricidade.
O uso indireto é através da biomassa, do vento, das mares, dos gradientes de temperatura da água dos oceanos, dos combustíveis vegetais e fósseis.
ENERGIA EÓLICA
Uma grande quantidade de energia de potencial está contida no movimento do ar na forma de vento. 
Os persas e os chineses desenvolveram os primeiros moinhos de vento alguns séculos AC, e alguns desses ainda estão em funcionamento. 
As velas e os moinhos persas giravam em torno de um eixo vertical, da mesma maneira que um carrossel.
O cata-vento converte a energia dos ventos em energia de rotação da pás, e essa energia mecânica é transformada em outros tipos de energia de diversas maneiras dependendo da utilização. 
Esses engenhos são empregados para extrair água dos poços, na irrigação, em moinhos de cereais, na produção de energia elétrica, para mover máquinas têxteis, etc.