Energia

Uma bateria, uma mola esticada e água quente armazenam energia. A energia pode ser transferida e armazenada, mas nunca criada nem destruída. Esta referência cobre Física AQA GCSE 8463, tópico 4.1 Energia.

• Cada prova vale 100 pontos e dura 1 h 45 min; ideias sobre energia ocorrem em ambas as provas.
• A AQA atualmente fornece uma Ficha de Fórmulas de Física. Verifique a inserção da sua série; pratique escolher e rearranjar fórmulas e converter unidades.
• Mostre a fórmula, a substituição e a resposta com unidades. Siga as instruções de precisão da questão; os pontos dependem da pergunta e do escore.

Um sistema é um objeto ou grupo de objetos que você escolhe analisar. Quando um sistema muda, a energia se move entre armazenamentos de energia. Os armazenamentos que você deve nomear são:

Use o nome do armazém solicitado, como térmico, potencial gravitacional ou potencial elástico. O escore de junho 2024 aceita certos símbolos em partes específicas; isso não é uma regra de que todo símbolo seja aceito em toda questão de nomenclatura.

Descrevendo uma mudança

A energia sai de um depósito e entra em outro. Diga as duas partes. Pratique estas situações, que a especificação nomeia:

• Um objeto projetado para cima: o armazém cinético diminui e o armazém de potencial gravitacional do sistema objeto-Terra aumenta. Para um lançamento vertical, a velocidade é zero no ponto mais alto.
• Um objeto em movimento colidindo com um obstáculo: o armazém cinético esgota; os armazéns térmicos do objeto e do obstáculo aumentam; o som pode levar energia embora.
• Um objeto acelerado por uma força constante: um armazém fonte (por exemplo, o armazém químico de uma bateria) diminui; o trabalho transfere energia para o armazém cinético do veículo. Trabalho elétrico é uma via de transferência, não um armazém elétrico.
• Um veículo desacelerando: o depósito cinético se esvazia; o depósito térmico dos freios se enche.
• Levar água à fervura em uma chaleira elétrica: a energia química no combustível da usina (ou outro recurso) termina no depósito térmico da água.

A energia pode entrar em um sistema de três maneiras: por aquecimento (uma diferença de temperatura a impulsiona), por trabalho realizado por forças (uma força move algo) e por trabalho realizado quando uma corrente flui (um dispositivo elétrico transfere energia). Eletricidade é coberta no tópico 4.2.

Diagramas de Sankey

Um diagrama de Sankey mostra a energia em uma escala comum. A largura de cada seta é desenhada proporcionalmente à energia que carrega. A seta da esquerda é a entrada; ela se divide em uma saída útil e saídas desperdiçadas.

• A largura total de saída sempre iguala a largura de entrada. A energia é conservada.
• A energia "desperdiçada" não é destruída. Ela é armazenada de maneiras menos úteis, geralmente térmica.

Prática guiada: nomeando estoques e conservando energia

Início — escrito pelo professor. Um motor transfere 60 J em 3.0 s. Qual é a sua potência?

Raciocínio resolvido. Potência é a taxa de transferência de energia. A equação é $P=E/t$. Substituindo, obtemos $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. Isso significa 20 joules por segundo; não estabelece eficiência nem saída útil.

Transferência de exame — adaptado do AQA Junho 2024 Paper 1H Q01.1, Q01.2 e Q06.1. Nomeie o depósito crescente quando a água é aquecida, a água é elevada para um reservatório e as cordas de bungee são esticadas. Tente antes de verificar: térmica/interna, potencial gravitacional, potencial elástica. Explique cada nome usando a mudança de temperatura, altura ou extensão. O trabalho elétrico pode transferir energia para esses sistemas, mas o elétrica não é um depósito de energia.

Equilíbrio de motor escrito pelo professor. A entrada é 100 J e a energia cinética útil é 80 J. Todo o restante vai para os estoques térmicos. Calcule esse resto e desenhe setas proporcionais do Sankey antes de verificar o diagrama.

Raciocínio resolvido. A conservação fornece $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. A substituição resulta em $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. As larguras de entrada/útil/dissipada no eixo têm razão 100:80:20 = 5:4:1. A energia é conservada; a parte dissipada é menos útil, não destruída. Os comprimentos das setas e o tamanho das pontas não representam energia.

Escolha a equação do estoque que muda. Use massa em kg, velocidade em m/s, extensão e variação de altura em m, e a intensidade do campo gravitacional $g$ N/kg fornecida na questão.

• $E_k$ energia cinética em J; $m$ massa em kg; $v$ velocidade em m/s.
• $E_e$ energia potencial elástica em J; $k$ constante da mola em N/m; $e$ alongamento em m.
• $E_p$ energia potencial gravitacional em J; $h$ aumento de altura em m; $g$ intensidade do campo gravitacional em N/kg.

Dois avisos que a prova testa:

• Alongamento é a variação de comprimento: comprimento esticado menos comprimento original. Um "7.5 m de alongamento" já significa o comprimento extra.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ exige que o limite de proporcionalidade não seja excedido: abaixo dele, dobrar o alongamento quadruplica a energia armazenada.

Prática escrita pelo professor — extensão e unidades. Uma mola proporcional tem 10 cm de comprimento sem esticar e 22 cm de comprimento esticado, com $k=50$ N/m. Encontre a extensão e a energia armazenada; preveja o efeito de dobrar essa extensão enquanto a mola permanece proporcional.

Raciocínio resolvido. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. Então $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. Dobrar a extensão resulta em $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

Exemplo resolvido escrito pelo professor. Um avião de brinquedo de 0.020 kg é lançado horizontalmente por uma mola proporcional com constante elástica de $k = 50$ N/m e extensão de $e = 0.12$ m. A mola relaxa até seu comprimento natural. Assuma nenhuma variação de altura e que toda a energia elástica liberada se converta na energia cinética do avião. Encontre a velocidade ideal de lançamento.

• Conhecidos: dados da mola e massa. No lançamento, o reservatório elástico esvazia no reservatório cinético. Para velocidade máxima, assuma que toda ela se transfere.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• Por que $E_k = E_e$: o modelo ideal declarado exclui energia transferida para outros estoques. Em um lançamento real, transferências térmicas podem reduzir a energia cinética e a velocidade.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• Verificação: unidade é m/s porque $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

Transferência para exame: duas cordas e altura

Adaptado do AQA Junho 2024 Paper 1H Q06.2–06.3. Um pod de 240 kg é lançado para cima por duas cordas que se comportam como molas, cada uma com $k=735$ N/m e extensão 8.0 m. Calcule o ganho de altura ideal ($g=9.8$ N/kg), assumindo que toda a energia elástica inicial se torna energia potencial gravitacional. Explique por que a altura real é menor.

• Conhecidos: duas cordas idênticas, então a energia armazenada duplica.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• Neste modelo ideal, toda a energia elástica inicial converte-se em energia potencial gravitacional no ponto mais alto, onde a velocidade vertical é zero:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• A resistência do ar se opõe ao movimento ascendente. Parte da energia elástica inicial é transferida para o ambiente em vez de aumentar a energia potencial gravitacional, então o ganho de altura real é menor. Dizer apenas “energia foi desperdiçada” não explica a transferência; a energia é conservada.

Mantenha a suposição física e cada etapa de cálculo visíveis; a atribuição de pontos depende da questão específica.

Aqueça um objeto e seu reservatório térmico aumenta. A energia necessária depende da massa, do material e do aumento de temperatura:

• $\Delta E$ variação de energia térmica em J; $m$ massa em kg; $\Delta\theta$ variação de temperatura em °C.
• $c$ calor específico em J/kg °C: a energia necessária para elevar a temperatura de um quilograma de uma substância em um grau Celsius.

Para massas iguais ganhando igual energia térmica, um material com maior $c$ tem uma elevação de temperatura menor. A água tem $c$ cerca de 4200 J/kg °C; cobre cerca de 385 J/kg °C. A taxa de aquecimento de uma colher também depende de sua massa e transferência de energia através do contato; a capacidade térmica específica sozinha não estabelece a taxa.

Exemplo resolvido escrito pelo professor. Um bloco metálico de 2.0 kg ganha 26 kJ (26 000 J) de energia térmica. A temperatura do bloco sobe de 22 °C para 50 °C. Encontre $c$.

• Conhecido: energia, massa e temperaturas. A variação de temperatura é o que entra na equação: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• Verifique: J dividido por (kg × °C) resulta em J/kg °C.

Mantenha as unidades consistentes: 10.5 kJ deve ser convertido em 10 500 J; um tempo em minutos deve virar segundos; uma massa em gramas deve virar kg; uma potência em kW deve virar W. Escreva a conversão em linha própria.

Transferência de exame: rearranjo para variação de temperatura

Adaptado do AQA Junho 2024 Papel 1H Q08.3. O ar ganha 0.0130 J; sua massa é $2.60\times10^{-8}$ kg e $c=1.01$ kJ/kg °C. Encontre a variação de temperatura antes de verificar.

• Converta $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• Reorganize $\Delta E=mc\Delta\theta$ para $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• Esta é a elevação, não a leitura final; encontrar a temperatura final também requer a temperatura inicial.

Prática obrigatória 1: capacidade térmica específica

Você precisa saber esta investigação de memória — a prova pede para você descrevê-la ou avaliá-la no papel.

Método:

1. Meça a massa $m$ do bloco metálico com uma balança.
2. Coloque um pouco de água no orifício do termômetro para bom contato térmico, e insira o aquecedor e o termômetro.
3. Registre a temperatura inicial. Ligue a fonte de alimentação.
4. Registre a corrente $I$ e a diferença de potencial $V$, e o tempo $t$ em que o aquecedor fica ligado. A potência do aquecedor é $P = VI$ (dada no tópico 4.2; algumas questões apenas fornecem $P$).
5. A energia fornecida é $\Delta E = P t$.
6. Registre a temperatura em intervalos regulares e calcule a energia fornecida para cada tempo. Plote a temperatura contra a energia fornecida; a parte inicial pode curvar devido ao atraso térmico.
7. Calcule $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

Raciocínio de medição:

• Isole o bloco (isolamento) para reduzir a energia transferida para o ambiente. Se alguma energia fornecida aquece o ambiente, usar toda a energia fornecida como aumento de energia térmica do bloco superestima $c$.
• Aguarde o termômetro estabilizar antes de ler a temperatura inicial (o contato térmico leva tempo).
• Use a região reta da temperatura contra a energia fornecida após o atraso térmico inicial. No modelo ideal, sua inclinação é $1/(mc)$. Repetições ajudam a avaliar a variação, mas não removem a perda sistemática de calor.
• Declare como o erro altera a energia medida, a massa ou a elevação de temperatura. Mau contato do termômetro sozinho não estabelece uma direção de erro; uma elevação de temperatura subestimada resulta em uma superestimação de $c$ se a energia e a massa permanecerem inalteradas.

Verificação de erro RP1: calcule antes de prever

Escrito pelo professor. Um bloco de 1.0 kg ganha 6000 J e aquece em 12 °C. Calcule seu $c$. Um aluno registra apenas uma elevação de 10 °C com a mesma energia e massa. Calcule a estimativa resultante e explique a direção do erro.

A elevação registrada menor resulta em um denominador menor e uma superestimação de $c$. Diagnose a mudança de temperatura registrada; não atribua uma direção de erro baseada apenas em "mau contato".

Dois motores podem levantar a mesma carga até a mesma altura. O mais rápido é mais potente. Potência é a taxa de transferência de energia, ou a taxa de realização de trabalho:

• $P$ potência em W; $E$ energia transferida em J; $W$ trabalho realizado em J; $t$ tempo em s.
• Uma transferência de energia de 1 J por segundo equivale a uma potência de 1 watt, W.

Conversões para ter à mão: 1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W, 1 GW = $10^9$ W, 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = $10^6$ J.

Exemplo resolvido escrito pelo professor. Um atleta de 60.0 kg sobe uma altura vertical de 175 cm em 1.40 s ($g$ = 9.8 N/kg). Encontre a potência útil média associada ao ganho de energia potencial gravitacional.

• Dados conhecidos: massa, altura, tempo. A altura deve ser convertida: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• Seu ganho de energia potencial gravitacional corresponde à energia útil transferida.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• A potência divide a energia pelo tempo em segundos.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• Verifique: esta é a taxa de ganho de energia potencial gravitacional, não a transferência total de energia química. Aquecimento e outras transferências significam que mais energia química é transferida do que o ganho útil.

Uma transferência de energia declarada por segundo já é uma potência: 0.343 J de energia potencial gravitacional ganhos a cada segundo são 0.343 W de potência útil. Um valor por segundo não é automaticamente saída útil; leia qual transferência é descrita.

Comparação de potência e transferência de exame

Prática escrita pelo professor. Motores A e B levantam cada um 20 kg através de 2.0 m ($g=10$ N/kg). A leva 2.0 s; B leva 4.0 s. Encontre suas saídas de potência útil antes de verificar.

A transfere a mesma energia útil em metade do tempo: o dobro da potência útil. A eficiência não pode ser comparada sem dados de entrada.

Adaptado do AQA Junho 2024 Paper 1H Q02.2–02.3. Uma usina tem saída de 500 MW. Encontre sua saída de energia em 3600 s, em joules. Aqui $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, e $P=E/t$ reorganiza-se para $E=Pt$.

A verificação das unidades mostra que watts vezes segundos resultam em joules. A saída sozinha não determina a eficiência.

A energia pode ser transferida utilmente, armazenada ou dissipada, mas nunca criada nem destruída. Energia dissipada é armazenada de formas menos úteis. Frequentemente chamada de "desperdício", ela ainda existe — geralmente distribuída nos estoques térmicos dos arredores.

• Para este balanço energético, um sistema fechado não troca energia com o exterior, logo sua energia total permanece constante. Nomeie os objetos incluídos: a energia potencial gravitacional pertence à interação objeto-Terra, não apenas à bola. Uma queda ideal com resistência desprezível transfere energia potencial gravitacional para cinética; o vácuo por si só não define os limites do sistema.

Siga a energia durante uma queda e impacto

Modelo escrito pelo professor. Inclua uma bola, Terra, chão e surroundings próximos. Assuma que nenhuma energia atravessa os limites deste sistema e ignore a resistência do ar durante a queda. A bola parte do repouso com 20 J de energia potencial gravitacional em relação ao chão. Quando esse estoque for de 5 J, qual é a energia cinética? Após o impacto e assentamento, onde está a energia?

Cada linha soma 20 J. Após o impacto, a energia se distribui nos estoques térmicos neste modelo simplificado; o som pode transportar energia dentro dos surroundings escolhidos antes de dissipar. Contar apenas a bola define um sistema diferente, que pode trocar energia com a Terra e o chão. A energia que sai de um objeto não desaparece.

Explicando uma resposta "abaixo do calculado"

Questões de exame adoram esse formato: "a altura/velocidade/temperatura real é menor que sua resposta. Explique o motivo." O raciocínio aceito:

1. Nomeie a causa: resistência do ar, atrito entre peças móveis ou energia transferida aos arredores por aquecimento.
2. Descreva a consequência: parte da energia do estoque de entrada é dissipada para estoques térmicos em vez do estoque pretendido.
3. Conclua: logo, menos energia chega ao estoque útil.

Reduzir transferências de energia indesejadas

• Lubrificação reduz o atrito entre peças móveis, dissipando menos energia por aquecimento.
• Isolamento térmico reduz a transferência de energia por aquecimento. Paredes grossas, paredes de material com baixa condutividade térmica ou isolamento em câmara retardam o resfriamento de um edifício.

Compare um fator de cada vez. Com área de parede, espessura e diferença de temperatura iguais, maior condutividade térmica resulta em transferência mais rápida por condução. Com o mesmo material e outras condições, uma parede mais espessa reduz essa taxa. Se tanto a espessura quanto a condutividade mudarem em direções opostas, suas descrições isoladas não estabelecem a classificação.

Prática exigida 2 (apenas física): isolantes térmicos

Investigar a eficácia de diferentes materiais como isolantes térmicos:

1. Adicionar um volume fixo de água quente em uma béquer com tampa.
2. Envolva a béquer com um material (papel bolha, jornal, alumínio, algodão).
3. Registre a temperatura enquanto esfria durante um tempo fixo (ou o tempo para cair uma quantidade fixa).
4. Repita para espessuras medidas iguais e áreas cobertas de materiais diferentes; contagens de camadas iguais não precisam resultar em espessuras iguais.
5. Parte 2: repita para diferentes espessuras (camadas) de um único material.

Controles: mesmo volume de água, temperatura inicial, béquer, tampa, surroundings, área coberta e tempos de medição. Repita para avaliar variações. Uma menor queda de temperatura em um tempo fixo indica menos resfriamento nessas condições. Mantenha o material fixo ao investigar espessura; mantenha a espessura fixa ao comparar materiais.

RP2: interprete as leituras registradas

A figura usa o manual prático da AQA, página PDF 12. Os pontos são valores registrados unidos por linhas, não uma lei de resfriamento ajustada. Em 15 min, a corrida com zero camadas muda de 85 para 57 °C, duas camadas de 86 para 62 °C, e seis camadas de 86 para 66 °C. Calcule as quedas antes de verificar.

Seis camadas resfriam 4 °C menos que duas camadas no mesmo período, partindo da mesma temperatura inicial. Isso apoia menos resfriamento com maior espessura de jornal aqui. A corrida com zero camadas começa 1 °C mais fria. Subtrair temperaturas iniciais não elimina todos os efeitos de condições iniciais desiguais; padronize-as em uma investigação nova. Estas corridas comparam espessura, não materiais diferentes.

Avaliação escrita pelo professor. Água em um béquer coberto com 20 mm de algodão começa a 90 °C e termina a 75 °C após 10 min. Água em um béquer coberto com 2 mm de papel alumínio começa a 80 °C e termina a 70 °C. Qual material é o melhor isolante? Explique os limites e melhore o método antes de verificar.

Raciocínio. O algodão cai $90-75=15$ °C; a folha de alumínio cai $80-70=10$ °C. Material, espessura e temperatura inicial diferem, portanto nem as leituras finais nem as quedas de temperatura isolam o efeito do material. Use espessura medida igual e área coberta, mesma temperatura inicial, volume de água, aparelho e condições ambientais; registre nos mesmos instantes e repita. Conclua para as condições testadas, considerando variações.

A fração da energia de entrada que termina em algum lugar útil é a eficiência:

• A eficiência pode ser um decimal (0 a 1) ou uma porcentagem (0 % a 100 %). O exame pode pedir qualquer um; um decimal acima de 1 ou uma porcentagem acima de 100 % é impossível — verifique sua resposta contra isso.
• Porcentagem desperdiçada $= 100\,\% -$ porcentagem útil.

Exemplo resolvido escrito pelo professor. Uma lâmpada consome 4.0 W de potência elétrica e tem 0.85 de eficiência na transferência útil de luz. Encontre sua potência útil de luz e a potência restante.

• Conhecido: entrada total e eficiência como decimal. Reorganize antes de substituir.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• O resto é $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. As saídas somam à entrada; nenhuma energia é destruída. A eficiência é uma razão sem unidade.

Transferência para exame — adaptado do AQA junho 2024 Paper 1H Q01.3. O Método A aquece a água em 80 °C, armazenando 33 600 kJ por 100 kg, e desperdiça 40%; a instalação é possível em qualquer lugar da questão. O Método B bombeia água montanha acima por 500 m, armazenando 490 kJ por 100 kg, desperdiça 25%, e requer montanhas altas. Compare frações úteis, energia útil e restrições práticas antes de verificar.

• Porcentagem útil $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

O Método B tem fração útil $f_B=1-0.25=0.75$ e energia útil $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. É mais eficiente que o A (75% contra 60%), mas o A fornece muito mais energia útil por 100 kg (20 160 kJ contra 367.5 kJ). Explique ambas as quantidades, a restrição de local declarada e a necessidade de isolar a água aquecida. Use evidências numéricas junto com as restrições declaradas.

Eficiência: compare uma transferência útil claramente definida

Escrito pelo professor. Dispositivos de elevação A e B consomem cada um 2000 W de entrada elétrica. Suas saídas mecânicas úteis são 1700 W e 1500 W. Encontre ambas as eficiências e sua diferença em pontos percentuais.

A diferença é $85\%-75\%=10$ pontos percentuais. O A transfere uma fração maior para elevação útil; as unidades da razão se cancelam. Não confunda diferença em pontos percentuais com mudança percentual relativa.

Raciocínio Nível Superior. A lubrificação reduz a dissipação por atrito em um motor de elevação; o isolamento reduz a transferência térmica indesejada de armazenamento de água quente. Com entrada fixa, reduções nas transferências indesejadas podem deixar mais saída útil e maior eficiência. Com saída útil fixa, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, logo maior eficiência significa menor entrada necessária. “Útil” depende da tarefa pretendida: aquecer é útil para aquecer um cômodo e pode ser indesejado em um motor de elevação.

Os principais recursos energéticos são combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás), combustível nuclear, biocombustível, eólica, hidrelétrica, geotérmica, marés, Sol e ondas de água.

Um recurso renovável é reabastecido conforme é usado. Combustíveis fósseis e nucleares são não renováveis numa escala temporal humana. Reabastecimento, disponibilidade quando necessário e impacto ambiental são questões distintas. Renovável não significa contínuo ou inofensivo. Compare usos em transporte, geração de eletricidade e aquecimento. Descrições de máquinas geradoras não são necessárias aqui.

Recursos de combustível: usos e trade-offs

• Carvão, petróleo e gás: eletricidade ou aquecimento; combustíveis derivados de petróleo são amplamente usados no transporte. A geração depende do suprimento de combustível e manutenção. A combustão libera dióxido de carbono; o enxofre no combustível pode produzir dióxido de enxofre, contribuindo para chuva ácida.
• Combustível nuclear: eletricidade, usando um combustível finito. Manutenção e paradas afetam a disponibilidade. Não há emissão de CO$_2$ por combustão durante a geração, mas resíduos radioativos exigem gestão segura.
• Biocombustível: transporte, aquecimento ou eletricidade. Sua fonte biológica pode ser substituída, mas a produção exige terra e tempo. A queima libera CO$_2$. O crescimento pode absorver CO$_2$, mas o balanço geral também depende de cultivo, processamento e mudança de uso da terra; neutralidade de carbono não é automática.

Seis outros recursos renováveis

As turbinas eólicas podem afetar a vida selvagem e causar ruído; as instalações solares exigem espaço e materiais. Reservatórios podem inundar terras e alterar habitats fluviais. O desenvolvimento geotérmico envolve perfuração local. As instalações de marés e ondas podem afetar habitats marinhos e têm alto custo de construção e manutenção. Distinga impactos ambientais de restrições técnicas e custos econômicos. Afirmar que não há emissões por combustão durante a operação não significa impacto zero na fabricação, construção e descarte.

Exemplo resolvido: tempo real de operação

A AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q02.5 mostra uma central nuclear gerando para 92% de um ano de 365 dias. Com $f$ a fração de geração:

Cerca de 336 dias (o gabarito desta questão aceita 335 ou 336). A central não gerou o ano todo; não generalize sua porcentagem para toda estação. Essa fração de tempo sozinha não fornece nem a energia elétrica produzida nem a eficiência.

Interprete uma tendência: tente, depois verifique

Dados fictícios escritos pelo professor, com apenas duas categorias contribuindo para cada total:

TWh é uma unidade de energia. Encontre cada total e a participação dos fósseis. A quantidade de energia fóssil diminuiu?

Verifique:

A participação caiu em 20 pontos percentuais, mas a energia fóssil aumentou em 10 TWh. Uma participação decrescente sozinha não estabelece redução de emissões.

Tome uma decisão com evidências

Tarefa escrita pelo professor: uma clínica precisa de eletricidade a noite toda. Painéis solares não produzem à noite; um gerador a gás mantido pode operar se houver combustível. A geração solar não tem CO$_2$ por combustão; a combustão de gás libera CO$_2$. Explique o compromisso, proponha uma possível fonte e identifique evidências faltantes.

Verifique: a sola energia solar não atende ao requisito noturno. Solar com armazenamento carregado ou outra reserva pode funcionar se potência e energia armazenada atenderem à demanda. Gás pode fornecer energia à noite, com combustível e manutenção, mas libera CO$_2$. Verifique demanda, capacidade de armazenamento, condições de carregamento, fornecimento de combustível, custos e o local antes de escolher. Financiamento é uma restrição econômica; acesso a cuidados confiáveis é uma preocupação social. Normas de planejamento são restrições políticas, e compartilhar custos e benefícios equitativamente levanta questões éticas. A ciência identifica e mede problemas; decisões também dependem dessas restrições. Uma conclusão deve seguir as evidências e prioridades declaradas; nenhuma frase final padrão garante pontuação.

Recuperação 1: conecte as equações

Escrito pelo professor: um motor consome 5.0 J em 2.0 s. Ele inicia um carrinho de 0.50 kg do repouso em trilho nivelado. O carrinho ganha 4.0 J de energia cinética; o restante aquece o sistema e o ambiente. Encontre velocidade final, eficiência para acelerar o carrinho, potência média de entrada e a transferência de energia restante. Tente antes de verificar.

Verifique: como a velocidade inicial é zero, a energia cinética final é 4.0 J.

Esse 1.0 J é transferido por aquecimento. A energia é conservada.

Recuperação 2: diagnose três afirmações

1. RP1: toda a entrada do aquecedor é usada como ganho de energia do bloco, embora parte aqueça o ambiente. Com massa e elevação de temperatura medidas fixas, o que acontece com a capacidade térmica específica calculada?
2. RP2: ambas as camadas de isolamento e o volume de água mudam. Por que a conclusão sobre as camadas é insegura? Cite os controles.
3. Os painéis solares são chamados de fornecimento garantido noturno porque a energia solar é renovável. O que está errado e qual provisionamento extra é necessário?

Verifique:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. Usar a entrada maior superestima $c$ no caso declarado.
2. Duas variáveis alteradas confundem o resultado. Mantenha volume, recipiente, temperatura inicial, cronometragem e entorno fixos; repita as medições e compare as quedas de temperatura no mesmo intervalo de tempo.
3. O reabastecimento não garante potência quando necessária. Armazenamento carregado adequado ou outra fonte de suprimento são necessários à noite.

Use os termos solicitados, apresente equações e unidades, e siga a instrução de precisão da questão. Uma causa e sua consequência física são mais úteis do que uma lista memorizada.