Biologia

Para entender ENERGIA

Máquina a vapor de Marcelino Gauthier
Foto: Museu tecnológico da Argentina

Desde o início do século XX, a humanidade tem passado por um processo de transformações sem precedentes na História. A produção industrial e agrícola cresce continuamente, as cidades tornam-se cada vez maiores e esse processo tem uma conseqüência: precisa-se cada vez mais de energia.

O grande aumento do uso de energia tem suas origens em meados do século XVIII, com a invenção da máquina a vapor, na Inglaterra. A primeira máquina construída por James Watt (1736-1819) foi ligada a um tear para fabricar tecido, em 1785. Até essa época a energia necessária ao funcionamento das máquinas era obtida dos músculos humanos, da tração animal, de quedas d'água ou moinhos de vento. A máquina a vapor obtém energia da queima do carvão, que libera o calor utilizado para produzir vapor.

Com o aperfeiçoamento das máquinas, foi possível diminuir seu tamanho e aumentar sua potência. Inicialmente as máquinas eram usadas como bombas de água, depois passaram a ser usadas na indústria têxtil e serrarias. No final do século XVIII, surgem as primeiras locomotivas.

Durante o século XIX, os seres humanos aprenderam a utilizar uma outra forma de energia: a eletricidade. Em 1880, a primeira lâmpada industrializável foi produzida e, dois anos depois, projetou-se a primeira usina produtora de energia elétrica. O motor elétrico e os motores que usam a energia de combustão foram desenvolvidos nessa época. O trem elétrico surge em 1879. Em 1893, os primeiros automóveis.
O que é energia?

A energia elétrica é produzida pela água

Apesar de sua enorme presença na vida de todos e de sua importância como conceito científico nas explicações dos fenômenos naturais, é muito difícil expressar por meio de uma definição o que é energia. Em física existe uma definição: energia é a capacidade de realizar trabalho. Mas essa definição não agrada nem mesmo aos físicos, pelas limitações que ela tem. Quando vemos uma lâmpada iluminando uma sala dizemos que ela está emitindo energia luminosa. É difícil imaginar como essa energia luminosa, emitida pela lâmpada e que se espalha pela sala, pode ser vista como uma "capacidade de realizar trabalho".

Assim, a compreensão do conceito de energia não vem do conhecimento de sua definição, mas sim da percepção de sua presença em todos os processos de transformação que ocorrem em nosso organismo, no ambiente terrestre ou no espaço sideral. No mundo macroscópico, das galáxias, estrelas e dos sistemas planetários, ou no microscópico, das células, moléculas, dos átomos ou das partículas subatômicas.
Conservação e transformação de energia

A principal característica da energia é sua conservação. Ela não pode ser criada, não pode ser destruída, só pode ser transformada. Sempre que uma quantidade de energia é necessária para alguma atividade, essa energia deve ser obtida por meio de transformações, a partir de outra forma já existente.

A energia pode assumir diferentes formas: elétrica, química, nuclear, térmica, luminosa, cinética. Quando ocorrem fenômenos no universo, seja a fissão de um núcleo atômico, a emissão de luz por uma estrela, a queda de uma pedra na gravidade terrestre, ou o funcionamento de um motor de carro, alguma transformação de energia também acontece.

Fontes de energia são os materiais ou fenômenos a partir dos quais podemos obter alguma forma de energia. Com o desenvolvimento tecnológico, os seres humanos descobriram várias dessas fontes. Atualmente, as mais utilizadas são:

petróleo e seus derivados;

carvão vegetal;

carvão mineral;

lenha;

álcool;

cursos d'água;

átomos de alguns elementos químicos como o Urânio e o Tório.

Existem ainda outras fontes de energia que começaram a ser utilizadas há poucas décadas e representam uma pequena parcela das fontes atuais: o Sol (pelo uso direto da energia que ele emite), os ventos, o gás natural (metano, CH₄).

O gás utilizado no fogão é uma fonte de energia. Nas moléculas do gás existe energia armazenada na forma de energia química. Por meio de uma combustão (uma queima) essa energia química presente nas moléculas do gás se transforma em energia térmica (calor). Na água represada por uma barragem, a energia está armazenada na forma de energia potencial gravitacional. Se essa água for solta, ela cai ganhando velocidade, com a energia gravitacional se transformando em energia cinética, que pode ser transmitida a um gerador. No chuveiro elétrico, a energia da corrente elétrica, que é transportada por fios condutores, transforma-se em energia térmica (calor) ao passar pela resistência. Esse cal or aquece a água do banho.

O aumento constante da exploração de novas fontes de energia interfere cada vez mais nos processos naturais. Grandes áreas alagadas por lagos artificiais, poluição atmosférica resultante da queima de combustíveis fósseis, aquecimento do ambiente pelo funcionamento de motores elétricos. As principais conseqüências dessa interferência humana são as alterações no ambiente terrestre e o desequilíbrio ecológico.

A origem da energia presente nas fontes

Roda d'água transforma em rotação a energia da água que cai

As fontes de energia nos possibilitam obter a energia necessária para as diversas atividades cotidianas. Mas, se ela não pode ser criada, qual a origem da energia presente no petróleo e seus derivados, no carvão vegetal, no carvão mineral, na lenha, no álcool, nos cursos d'água e nos átomos de alguns elementos químicos como o Urânio e o Tório?

Nessa lista de fontes de energia, apenas as duas últimas (cursos d'água e átomos) não têm origem em seres vivos. Petróleo, carvão, lenha e álcool são fontes de energia que têm origem em materiais que fizeram parte do corpo de algum ser vivo. E qual a origem da energia presente nesses materiais, que são todos combustíveis?

A energia química dos materiais combustíveis encontra-se armazenada em algumas de suas moléculas. Essas, por sua vez, são produzidas a partir de uma reação química fundamental para a existência de vida na Terra, a fotossíntese, que ocorre nos vegetais, nas algas e em alguns organismos unicelulares como as cianobactérias.

Durante a reação de fotossíntese, moléculas de gás carbônico (CO₂) combinam-se com moléculas de água (H₂O), formando um açúcar, geralmente a glicose (C₆H₁₂O₆), e gás oxigênio (O₂), que se mistura ao ar. A reação de fotossíntese pode ser representada da seguinte maneira:

Para essa reação ocorrer é preciso haver luz (energia luminosa) transformada, durante a fotossíntese, em energia potencial química, presente na molécula de açúcar. A presença da clorofila é indispensável, apesar de não fazer parte dos reagentes e dos produtos, porque ela é responsável por reações intermediárias que fazem parte da fotossíntese.

Se os combustíveis têm origem em seres vivos e se os seres vivos obtêm energia da luz solar, por meio da fotossíntese, então, toda a energia existente nos combustíveis é uma energia proveniente do Sol.

Voltando à lista de fontes de energia (petróleo, carvão mineral e vegetal, lenha, álcool, cursos d'água, átomos), vemos que a origem da energia dos combustíveis é o Sol. Falta considerar os cursos d'água e os átomos.

No caso dos cursos d'água, qual a origem da energia que a água possui quando se encontra em lugares elevados, seja por causa do relevo natural ou de uma barragem? Neste caso, a energia que a água possui foi obtida quando ela se elevou na atmosfera, e na gravidade terrestre, depois de evaporar por ser aquecida pelo Sol. Ao se elevar, a água acumula energia potencial gravitacional. Como uma pedra que tiramos do chão e elevamos a uma certa altura. É essa energia que permite à água mover-se pelos cursos dos rios em direção às terras mais baixas, até chegar a um grande lago, ou no oceano. Como a pedra, ao ser solta, cai aumentando sua velocidade. Portanto, a energia presente nos cursos d'água também tem origem no Sol, pois é a energia solar que faz ocorrer o ciclo da água, começando por sua evaporação na superfície terrestre.

Assim, de todas as fontes de energia citadas na lista,apenas a energia de reações nucleares nos átomos de certos elementos químicos não tem origem no Sol.

O organismo humano obtém a energia necessária ao seu funcionamento pela respiração celular. A respiração celular é uma reação química como a combustão. Moléculas presentes nos alimentos reagem com oxigênio, liberando energia. Nos alimentos, a energia potencial química que suas moléculas possuem é, sempre, o resultado de reações de fotossíntese. Mesmo quando nos alimentamos de carne, a energia existente nesse alimento veio dos vegetais que um animal comeu. Podemos dizer, então, que nosso organismo, por meio dos alimentos, utiliza energia solar para manter-se vivo.
A energia solar

O sol é a principal fonte de energia na Terra Ilustração: SOHO (ESA e NASA)

Quase toda a energia utilizada pela humanidade é, em última instância, energia solar. Quando queimamos carvão, obtendo energia térmica, estamos utilizando uma energia que o Sol emitiu há muitos anos e que foi transformada em energia potencial química, por uma reação de fotossíntese.

No caso do petróleo, a fotossíntese ocorreu há milhões de anos. As plantas morreram, ou se transformaram em alimentos de outros seres vivos, que também morreram, e seus corpos passaram por inúmeras transformações que deram origem ao petróleo. Hoje, quando um automóvel a gasolina está se movendo, a energia luminosa transformada em energia química por meio de uma fotossíntese ocorrida há muito tempo, transforma-se em calor no interior do motor e move o carro. Ou seja, a energia cinética do carro a gasolina, ou óleo diesel, em movimento tem origem na energia solar emitida há milhões de anos.

Mas, de onde vem a energia que o Sol emite? No interior do Sol ocorrem reações nucleares de fusão. Nessas reações, 4 núcleos de átomos de hidrogênio, ou seja, 4 prótons, se fundem, para formar um núcleo de átomo de hélio. Cada núcleo de hélio possui 2 prótons e dois nêutrons. Durante a fusão, dois dos prótons iniciais se transformam em nêutrons.

Essa é uma representação simplificada da reação nuclear de fusão que ocorre no interior de estrelas como o Sol. Durante essa reação, uma grande quantidade de energia é liberada. Essa mesma reação nuclear ocorre quando uma bomba de hidrogênio (bomba-H) é detonada.

Interior de um reator nuclear

A energia liberada na reação nuclear surge da transformação de matéria em energia. A possibilidade de transformar matéria em energia foi considerada, pela primeira vez, pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955). Por meio de um complexo trabalho teórico, Einstein calculou a relação existente entre energia e matéria, mostrando que matéria e energia são formas diferentes de um mesmo objeto físico.

A relação entre quantidades de matéria e energia é dada pela fórmula E = m . c² na qual E é a energia, m é a massa convertida em energia e c é o valor da velocidade da luz no vácuo (300 mil km/s, ou 3,0 X10⁸ m/s).

Na reação nuclear que ocorre no Sol, a massa de cada átomo de hélio que se forma é ligeiramente menor que a massa dos 4 prótons que deram origem a ele. Essa diferença é devida à quantidade de matéria que foi transformada em energia durante a reação de fusão.

No Sol, a cada segundo, 657 milhões de toneladas de hidrogênio transformam-se em 653 milhões de toneladas de hélio. As 4 milhões de toneladas de diferença correspondem à matéria que se transforma em energia, e é emitida pelo Sol em todas as direções do espaço.

Texto original: Vinicius Signoreli
Edição: Equipe EducaRede

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