Introdução à Energia: História e Conceitos

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Aula 7: Introdução à energia
Apresentação
Nesta aula, observaremos que no início dos estudos acerca da energia, ela era confundida com termos como vis viva e calórico, e percorreu um longo caminho para que os estudiosos observassem seu comportamento e compreendessem que a energia se conserva, chegando à Primeira Lei da Termodinâmica.
Conheceremos as linhas de pensamento que levaram à elucidação da Segunda e Terceira Leis da Termodinâmica, percebendo que a energia continua em um processo de conhecimento, sofrendo modificações ainda no século XX, com a Teoria da Relatividade de Albert Einstein e Quântica de Max Planck.
Objetivos
Explicar o conceito de energia;
Esclarecer o caminho percorrido ao longo da história para o conhecimento da energia como a conhecemos na atualidade.
O que é energia
· O significado de energia vem do grego e significa trabalho. Em suas primeiras utilizações, o termo energia foi utilizado para referenciar fenômenos explicados por termos como vis viva (força viva) e calórico.
· Em 1807, o médico e físico inglês Thomas Young sugeriu que sua utilização deveria estar relacionada de forma direta com a concepção de que a energia, na verdade, informa a capacidade de um corpo de realizar um determinado trabalho.
· Até o século XIX, o conceito de força possuía significados mais abrangentes, como força elétrica, força gravitacional, força magnética, o que não permitia a ocorrência de aproximações dessas manifestações, e os estudos realizados serviam apenas para aprofundar a forma como essas forças se manifestavam nos variados conceitos físicos.
Apesar disso, algumas manifestações ocorridas nesse período identificaram diversas regularidades associadas tanto aos fenômenos relativos ao movimento quanto ao calor:
	Galileu Galilei
(1564-1642)
	Realizou considerações acerca de regularidades observadas em alguns processos de transformação que envolviam a força gravitacional no que diz respeito ao funcionamento do bate-estacas, e afirmou que havia conservação no que se entendia, na época, como corpos em movimento na obra conhecida como Diálogos sobre Duas Novas Ciências.
	Leibniz
(1646-1716)
Huygens
(1629-1695)
	Desenvolveram uma ideia de conservação da vis viva, ou força viva, em situações em que ocorriam colisões.
	Lagrange
(1736-1813)
	Estabeleceu o Princípio da conservação da energia mecânica da forma que entendemos atualmente.
	Joseph Black
(1728-1799)
Rumford
(1753-1814)
Carnot
(1796-1832)
	Desenvolveram a ideia de que ocorre conservação dentro da própria Teoria do Calórico.
· A partir do conceito apresentado por Young, o termo energia passou a ser utilizado como uma sobreposição às concepções de força e de calórico. Mas, nas décadas anteriores a 1850, as investigações sobre o conceito de energia foram protagonistas de uma nova revolução do pensamento científico europeu.
· Essas investigações relacionaram-se a novas visões da natureza em que era possível observar regularidades nos diferentes tipos de fenômenos físicos e químicos, e iniciaram a estruturação do Princípio de Conservação de Energia.
· Isso contribuiu de maneira pontual com diferentes estudiosos, como os alemães Julius Robert von Mayer e Hermann von Helmholtz, o dinamarquês L.A. Colding e o inglês James Prescott Joule.
Vis viva
Além do estudo descrito por Galileu acerca da conservação, o físico Christiaan Huygens, estudando a colisão dos corpos, identificou a presença de significado na multiplicação da massa pela velocidade ao quadrado dos corpos.
Em 1683, na obra conhecida por Discurso de Metafísica, o matemático, filósofo, político e historiador Gottfried Leibniz introduziu como o termo latino vis viva, que significa força viva, o que deu mais sentido à relação observada por Huygens.
Leibniz confrontou o conceito anterior com o conceito de quantidade de movimento, anteriormente defendido por René Descartes, de modo que o conceito matemático de vis viva e quantidade de movimento passaram a questionar qual seria a verdadeira medida do movimento e da força de um corpo.
A análise da conservação da quantidade de movimento a partir de uma grandeza escalar foi uma tentativa de Leibniz em solucionar o problema encontrado por Descartes, resolvendo-o em parte pelo termo ao quadrado presente na vis viva.
Newton, ao formular sua Segunda Lei a partir da variação da quantidade de movimento, deu a esse movimento um sentido vetorial. Desse modo, Huygens, ao estudar as colisões perfeitamente elásticas, elaborou o Princípio de Conservação da Quantidade de Movimento Linear.
A partir de então, ocorreram pequenas evoluções, como:
 1738 - Daniel Bernoulli acrescentou à teoria que a conservação da vis viva é a igualdade da descida real com a ascensão potencial.
 1803 - L. N. M. Carnot elaborou o precursor do conceito de energia potencial, que ficou conhecido como vis viva latente, argumentando que todo corpo, a uma determinada altura do chão, possuía vis viva, já que poderia cair em movimento.
 1804 - Gaspard de Coriolis relacionou a contribuição da teoria vis viva ao conceito de trabalho e estabeleceu que trabalho seria igual à força com o deslocamento, que seria igual à metade da variação da vis viva. Isso é o Teorema do Trabalho e da Energia Cinética aplicado a uma partícula.
 1824 - O termo vis viva, substituído por energia em 1807 por Thomas Young, foi substituído por Lord Kelvin para a denominação moderna de energia cinética.
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Calórico
No decorrer dos séculos XVII e XVIII ainda havia grande discordância entre os estudiosos no que diz respeito à natureza do calor, e eles se encontravam envolvidos em uma investigação sobre a associação do fogo com a combustão.
· As primeiras tentativas de explicar a natureza do fogo remetem a Heráclito, que o chamou de ar condensado.
· As teorias da calcinação e do termógeno visaram obter essas respostas, até que, no século XVIII, Stahl desenvolveu a teoria do flogisto o que chamou de Princípio do fogo, dizendo que todos os corpos passíveis de combustão possuíam flogisto liberado durante a queima.
Durante esse período, Lavoisier, considerado o pai da química, comprovou que o ar era uma composição de elementos, que, além de conter massa, participavam das combustões, o que possibilitou a realização de novas experiências de combustão, chegando ao enunciado da Lei da Conservação da Massa (no universo nada se cria nem se destrói, tudo se transforma), e em seu livro intitulado Elementos de química citou 23 substâncias, relacionando entre elas o calor, identificado como um fluido e chamando-o de calórico.
A teoria desenvolvida por Lavoisier se tornou usual e foi inúmeras vezes confrontada até ser superada. Mas, alguns resultados experimentais contribuíram para a elaboração de uma lei de conservação do calórico, em que o calor não se cria e nem se destrói, mas é transferido de um corpo para o outro.
O químico Joseph Black iniciou o uso de termos como caloria, capacidade calorífica, calor latente e calor sensível, mostrando que diferentes substâncias atingem diferentes temperaturas quando aquecidas com a mesma quantidade de calórico, enunciando a expressão:
∆Q (cal)=m (g)x c (cal/g.℃)x ∆T (℃).
Entre os estudiosos, o Conde de Rumford observou que o atrito produzido pela broca em contato com o metal do canhão produzia um aquecimento que levava uma quantidade ilimitada de água, que era utilizada para resfriar a broca, à ebulição, o que ficava em desacordo com a ideia de que o atrito deveria liberar uma quantidade limitada de calórico armazenado no metal. Desse modo, concluiu que a natureza do calor não poderia ser uma substância material, e que tudo era determinado pelo movimento que ocorria.
A partir da conclusão obtida por Rumford, iniciou-se a elaboração da teoria dinâmica do calor, que foi observada por:
HUMPHRY DAVY
atritando duas pedras de gelo até derretê-las.
JOULE
fazendo girar uma roda com palhetas dentro de um recipiente com água de forma a aquecê-la.
As experiências provaram que o calor é resultado do movimento microscópico.
O princípio da Conservação
O contexto de desenvolvimento científicoacarretou no surgimento da Termodinâmica e, mais tarde, no Princípio de Conservação da Energia, que apresentou dois momentos para sua elaboração:
1800 – 1842: Não haverá redundância de códigos, as instruções do método imprimir da Superclasse serão reaproveitadas na Subclasse;
1842 – 1847: Estudiosos descobriram de forma simultânea o Princípio da Conservação de Energia por meio da disponibilidade dos processos de conversão entre as formas de energia.
De todas as conversões, as que tratavam da transformação de calor em trabalho envolviam uma busca para melhorar o rendimento da transformação, a fim de se produzir mais trabalho útil, o que levou Carnot a chegar à relação de que:
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1 caloria = 3,62 Joule.
Joule, comparando as formas de se produzir movimentos, conseguiu, por meio de experiências, provar que o calor não era um fluido, mas sim um tipo de força, e observou que existia uma equivalência entre trabalho e calor, realizando a integração entre as concepções das diversas conversões conhecidas na época.
A partir de então, apontou-se para a possibilidade de quantificação, e Mayer, que já havia concluído que a força se conservava, calculou o equivalente mecânico do calor pela diferença dos calores específicos de gases a pressão e volume constantes dentro da teoria termodinâmica.
A corrente de filosofia natural, o desenvolvimento de maquinas térmicas e a disponibilidade dos processos de conversão foram importantes fatores para sua descoberta, levando à mudança de pensamento e à ideia de unificação.
Em 1847, o trabalho de Hermann Helmholtz foi o responsável por generalizar o Princípio de conservação da energia em uma lei universal, mais tarde conhecida como a Primeira Lei da Termodinâmica:
 Também conhecida como Lei da Conservação de Energia, enuncia que, durante uma transformação, ocorrem trocas com o ambiente na forma de calor e trabalho, sendo expressa por:
∆U (variação da energia)=Q(calor)-W(trabalho)
O conceito de energia
O conceito de energia, portanto, foi moldado ao longo da história, até chegar ao conceito de energia interna da Primeira Lei da Termodinâmica.
A partir dela, Kelvin formulou a ideia da Segunda Lei da Termodinâmica, enunciando que o calor não poderia ser transformado de forma integral em trabalho, o que levou estudiosos a perceberem que a entropia de um sistema isolado só poderá permanecer constante ou aumentar, buscando um equilíbrio térmico na natureza.
Em 1872, o físico Ludwig Boltzmann elaborou a teoria de forma que em qualquer sistema físico, a tendência natural é a ocorrência de desordem, que só pode ser revertida por meio do gasto de energia no sistema.
Em 1906, Hermann Nernst propôs o que ficou conhecido como a Terceira Lei da Termodinâmica, em que afirmou não ser possível a ocorrência do zero absoluto, pois nunca haverá a inexistência absoluta de movimento, que por não causar desordem não será eliminada.
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SÉCULO XIX
Com o advento da teoria eletromagnética, confirmou-se que ocorria um processo de transferência de energia, e sua conservação se daria por meio das variações de energia nos campos em uma determinada região do espaço, que seria igual à radiação mais o trabalho que foi realizado pelos campos sobre as cargas no interior desta região.
SÉCULO XX
Descortinou-se o mundo microscópico e passou-se a realizar questionamentos que, por meio da Teoria da Relatividade de Albert Einstein e das contribuições de Max Planck, introduziram a ideia de quantização da energia, o que acarretou em uma nova significação do conceito de energia.
Pelo caminho percorrido até a descoberta das Leis da Termodinâmica, nota-se que não existe um conceito exato para energia, mas que a ela se liga a ações e movimentações dos corpos ou objetos, sendo que, na atualidade, pode-se dizer que temos diferentes tipos de energia (potencial, gravitacional, cinética, térmica, outras).
Atividades
1) Conceitue o termo vis viva.
Gabarito comentado
O termo vis viva significa, de forma geral força viva, e serviu como base para a formulação do Princípio de Conservação da Energia. Pode ser entendida como uma forma de energia cinética ou energia ligada aos movimentos perceptíveis, e que apesar de obsoleta, foi a precursora do conceito de energia potencial (Carnot), estabeleceu o Teorema do Trabalho e da Energia Cinética aplicado à uma partícula e recebeu a denominação de energia cinética (Kelvin).
2) Explique por que o calor é o resultado de movimento.
Gabarito comentado
A teoria do calórico tratava o calor como substância, como a existência de um fluido invisível e inodoro chamado calórico. Segundo os estudiosos, quanto maior a quantidade de calor em um objeto, maior seria sua temperatura, de forma que houvesse um equilíbrio térmico sem que pudesse ser criado nem destruído. Entretanto, a teoria não explicava o calor quando ocorria o aquecimento provocado pelo atrito de objetos, que demonstrou que calor nada mais é que o aquecimento, ou a quantidade de calórico sendo aumentada.
3) Comente como se chegou ao Princípio da conservação.
Gabarito comentado
O Princípio da conservação foi realizado por diversos autores, sendo que para sua elaboração foi necessária a ideia de que as forças cinéticas, mecânicas, eletromagnéticas e outras, estão atuando em conjunto, de forma unificada, e que o calor não é um fluido, mas sim um tipo de força, que poderia ser calculada e ser conservada.
4) Conceitue energia.
Gabarito comentado
De maneira geral, apesar do conceito de energia ser diverso, pode-se dizer que ela é a capacidade de algo realizar trabalho, gerar uma força em um determinado corpo, substância ou sistema físico.
5) Relacione as colunas a seguir:
Vis viva 1
 Calórico 2
 1ª Lei da Termodinâmica 3
 2ª Lei da termodinâmica 4
 3ª Lei da Termodinâmica 5
 Energia quântica 6
a) Boltzmann e Kelvin
4
b) Nernst
5
c) Einstein e Planck
6
d) Joule e outros estudiosos
3
e) Conde de Rumford
2
f) Thomas Young
1
Gabarito
a) 4 / b) 5 / c) 6 / d) 3 / e) 2 / f) 1
2