AULA 7 - Introdução à energia

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Ciências do Ambiente
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 modi�cações 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 signi�cado de energia vem do grego e
signi�ca 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
signi�cados 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 identi�caram 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 cientí�co 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.
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 �cou 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.
Vis viva
Além do estudo descrito por Galileu acerca da conservação, o físico Christiaan Huygens, estudando a colisão dos corpos,
identi�cou a presença de signi�cado na multiplicação da massa pela velocidade ao quadrado dos corpos.
Em 1683, na obra conhecida por Discurso de Metafísica, o matemático, �lósofo, político e historiador Gottfried Leibniz
introduziu como o termo latino vis viva, que signi�ca 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:
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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 �ogisto o que chamou de Princípio do fogo,
dizendo que todos os corpos passíveis de combustão
possuíam �ogisto 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, identi�cado como um �uido 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 calorí�ca, 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 �cava 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:
 Fonte: Freepik
HUMPHRY DAVY
atritando duas pedras de gelo até derretê-las.
 Fonte: Youtube
JOULE
fazendo girar uma roda com palhetas dentro de um
recipiente com água de forma a aquecê-la.
As experiências provaramque o calor é resultado do movimento
microscópico.
O princípio da Conservação
O contexto de desenvolvimento cientí�co acarretou 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.
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Joule, comparando as formas de se produzir movimentos, conseguiu, por meio de experiências, provar que o calor não era um
�uido, 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 quanti�cação, e Mayer, que já havia concluído que a força se conservava,
calculou o equivalente mecânico do calor pela diferença dos calores especí�cos de gases a pressão e volume constantes
dentro da teoria termodinâmica.
A corrente de �loso�a 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 uni�cação.
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 �cou conhecido como a Terceira Lei da Termodinâmica, em que a�rmou 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, con�rmou-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 signi�cação do conceito de
energia.
 Fonte: Wikipedia
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).
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Atividades
1) Conceitue o termo vis viva.
2) Explique por que o calor é o resultado de movimento.
3) Comente como se chegou ao Princípio da conservação.
4) Conceitue energia.
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
b) Nernst
c) Einstein e Planck
d) Joule e outros estudiosos
e) Conde de Rumford
f) Thomas Young
NotasReferências
BUCUSSI, Alessandro Aquino. Introdução ao conceito de energia. Textos de apoio ao professor de física. V.13, n.3, 2006.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 32 p.
ORNELLAS, Antonio José. A Energia dos tempos antigos aos dias atuais. Conversando sobre Ciências em Alagoas. Maceió:
EDUFAL, 2006. 71 p. Disponível <// www .usinaciencia .ufal .br /multimidia /livros -digitais -cadernos -tematicos /A _Energia
_dos _Tempos _Antigos _aos _dias _Atuais .pdf>. Acesso em maio 2019.
Próxima aula
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Primeiras formas de aproveitamento de energia;
Formas de aproveitamento de energia até o início da Idade Moderna.
Explore mais
Leia os textos:
Os enunciados da segunda lei da termodinâmica: Uma possível abordagem;
As leis da termodinâmica, sadi carnot e as transformações sociais.
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