Energia - uma propriedade dos sistemas

Romero Tavares da Silva

Departamento de Física - Universidade Federal da Paraíba

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Uma breve discussão sobre o conceito de energia

 O termo energia designa um conceito chave na Física moderna, principalmente a partir de meados do século dezenove. É bem conhecido que existem vários tipos de energia tais como cinética elástica, gravitacional, térmica, elétrica, magnética, nuclear, química e etc. Mais precisamente, existem tantos tipos de energia quantos são os tipos de processos físicos envolvidos (Bunge – 2000).

Para cada tipo processo que estava analisado ao longo da história, foi sendo caracterizada uma grandeza chamada energia, e posteriormente foi tentada uma unificação entre essas diversas definições. Um exemplo dessa situação é o cálculo do equivalente mecânico do calor; pois durante muito tempo a física térmica e a mecânica foram considerados campos distintos, sem conexão mútua. Esse entendimento perdurou até quando Joule propôs um experimento que mediria a equivalência citada. Nesse experimento um conjunto de pesos suspensos seriam soltos, e através de cordas faria girar diversas pás que se encontravam submersas em um líquido. Na medida que girassem as pás aqueceriam esse líquido. O que se pretendia era equacionar a variação de energia potencial gravitacional do conjunto de pesos e a variação da temperatura do líquido. Em 1879, Rowland fez uma determinação extremamente cuidadosa e estimou que  1caloria = 4,186Joules (Nussenzveig – 2002).

De maneira diversa de outros tipos de conceitos científicos, os vários tipos de energia podem ser transformados uns nos outros. Por exemplo, quando retesamos um arco nós acumulamos energia potencial elástica, e quando esse arco é liberado essa energia é transformada em energia cinética da flecha. Nesse processo de duas fases, o tipo de energia se modifica mas a sua quantidade total se mantém constante. Essa conservação quantitativa é a razão pela qual nós consideramos equivalentes todos os tipos de energia (Bunge – 2000).

Mario Bunge (2000), numa tentativa de unificar as diversas definições de energia propõe que energia é uma propriedade de determinado sistema físico, não é uma coisa, um estado ou um processo. Um conjunto de partículas carregadas eletricamente compõe um sistema cujas partículas se movimentam relativamente umas as outras (energia cinética) e interagem eletricamente (energia potencial elétrica). Em sendo uma propriedade, a energia pode ser representada tanto por uma função quanto por um operador.

Segundo Feynman (1963), a conservação é a característica mais relevante da energia, afirmando que embora não se saiba exatamente o que seja energia, “existe uma certa quantidade, que chamamos de energia, que não muda nas várias transformações pelas quais passa a natureza”.

Desse modo, algumas dificuldades na aprendizagem (inclusive em nível universitário) de conteúdos relativos à energia, surgem por causa desta falta de precisão e unificação conceitual. Por exemplo, Solbes & Tarín (1998) detectaram as principais dificuldades em relação ao aprendizado do conceito de energia, das quais podemos citar: como a energia pode ser gasta ou armazenada; como se pode compreender a sua transformação, conservação e degradação.

Como a ciência não é um evento dogmático, não pretendemos aqui encerrar as discussões sobre o conceito de energia, mas sugerir algumas linhas de raciocínio que ajudem na compreensão de tal terminologia.

Alguns autores (desde a Idade Média, com a noção de calórico) sugerem a energia como sendo uma espécie de substância quase material presente em todos os eventos que nos rodeiam. Esta definição caracteriza a energia como se fosse um fluido coincide basicamente com o significado que usamos no cotidiano. Embora seja de mais fácil apreensão, esta definição cria obstáculos para aprendizagem de idéia científica de energia pois ela não é uma espécie de ingrediente que os corpos possuem.

Por outro lado a concepção de que a energia é a capacidade de realizar trabalho data do século XVII é uma definição é coerente dentro da mecânica clássica, porém em disciplinas como a termodinâmica este conceito tem uma utilidade questionada. Principalmente porque a termodinâmica considera explicitamente que os processos naturais que envolvem sistemas físicos devem obedecer a mais um critério, além da conservação da energia.

Em mecânica podemos distinguir os sistemas conservativos e os não conservativos. Num sistema conservativo atuam forças conservativas e temos que as transformações de energia são tais que não existe degradação da energia. Esse sistema poderá ficar indefinidamente transformando completamente seus diversos tipos de energia uns nos outros. Por exemplo, num pêndulo ideal (sem atrito) acontecerá um movimento por um tempo indefinido, e nesse movimento existirá sempre uma transformação entre a energia cinética e a energia potencial gravitacional desse sistema. Num sistema não conservativo (ou dissipativo) parte da energia se degrada, se transforma em um tipo de energia que não pode retornar para o tipo original. Se considerarmos um pêndulo real, parte da energia inicial irá sendo transformada em calor, e esse calor não poderá ser completamente transformado em energia cinética ou potencial gravitacional.

Podemos afirmar que em todos os processos naturais existe uma tendência para a degradação da energia, a sua transformação em formas de energia pouco úteis, e isso é um reflexo da segunda lei da termodinâmica. Os sistemas se transformam naturalmente de uma situação organizada para uma outra menos organizada.

Uma moça que desce ao longo de um tobogã sem atrito transforma completamente a sua energia potencial gravitacional em energia cinética quando alcança o fim da descida. Essa energia cinética poderia ser transformada de volta em energia potencial gravitacional (ou outro tipo de energia potencial). No entanto se depois da descida ela se encaminhar para um plano com atrito, e deslizar sobre ele até parar, aconteceu uma transformação de energia cinética (anteriormente energia potencial gravitacional) em energia térmica, através do atrito. Essa energia térmica não poderá ser transformada INTEGRALMENTE em energia cinética (ou potencial gravitacional). Aconteceu nesse caso uma degradação da energia; pois ela foi transformada para um tipo de energia que não pode ser mais recuperada completamente.

 

Referências

 - BUNGE, Mario (2000) Energy: between physics and metaphysics Science and Education v. 9 p. 457

- FEYNMAM,R.,LEIGHTON, R.B. & SANDS,M. (1963) The Feynman – Lectures on Physics v.1 p. 4-1 Addison – Wesley Publishing Company - California

- NUSSENZVEIG, H Moysés (2002) Curso de Física Básica v.2 p. 174 Editora Edgard Blücher Ltda – São Paulo

- SOLBES, J.; TARÍN, F. (1998) Algunas dificultades en torno a la conservación de la energía Enseñanza de las Ciencias v. 16 p. 387

 

Bibliografia adicional

 - ASSIS, Alice; PACUBI, Ode e TEIXEIRA, Baierl (2003) Algumas considerações sobre o ensino e a aprendizagem do conceito de energia Ciência & Educação v. 9 p. 41

- BRNA, P and BURTON, M (1997) Modelling students colaborating while learning about energy Journal of Computer Assisted Learning v. 13 p. 194

- DOMÉNECH, J; GIL-PÉREZ, D; GRAS, A; GUISASOLA, J; MARTÍNEZ-TORREGROSA, J; SALINAS, J; TRUMPER, J; VALDÉS, P (2003) La enseñanza de la energía: una propuesta de debate para un replanteamiento global Caderno Brasileiro de Ensino de Física v. 20 p. 285

- LEGGETT, Monica (2003) Lessons that non-scientists can teach us about the concept of energy: a human-centred approach Physics Education v. 8 p. 130

- PANAYIOTA, I A N; KENDEOU,P and IOANNIDES, C (2003) Reading about energy: The effects of text structure in science learning and conceptual change Contemporary Educational Psychology v. 28 p. 335

- TRUMPERr, Ricardo (1998) A Longitudinal Study of Physics Students' Conceptions on Energy in Pre-Service Training for High School Teachers Journal of Science Education and Technology v. 7 p. 311