Energia: armazenada, transferida, desperdiçada
Nada consome energia — ela apenas se move entre armazenamentos e vaza pelo caminho. Esta seção nomeia os armazenamento e transferências, mede eficiência com diagramas de Sankey, acompanha o calor por condução, convecção e radiação, liga trabalho, EPG e energia cinética, e (P) avalia como a eletricidade é gerada.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Seção 4 (affirmativas 4.1–4.19P). Unidades: joule (J), watt (W), newton (N) e (P) J/kg °C.
Transferências de energia
Oito armazenamentos: químico, cinético, gravitacional, elástico, térmico, magnético, eletrostático, nuclear. Quatro caminhos de transferência: mecanicamente, electricamente, por aquecimento, por radiação (luz e som). A energia é conservada — o total permanece inalterado; dispositivos apenas desviam parte dela do armazenamento desejado para outros indesejados.
Exemplo resolvido. A lâmpada acima: eficiência $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
Transferência de energia térmica
O calor se move de três formas, cada uma com seu próprio mecanismo e cada uma contrariada por uma defesa diferente.
Condução: vibrações das partículas transmitem energia através de um sólido — rápida em metais (elétrons livres). Convecção: fluido aquece, expande, torna-se menos denso e sobe; fluido mais frio desce para substituí-lo — brisas marinhas, radiadores aquecendo ambientes. Radiação: ondas infravermelhas viajam no vácuo; superfícies escuras e opacas são as melhores emissores e absorvedoras; superfícies claras e brilhantes refletem. Redução de transferência indesejada: isolamento (paredes cavadas, sótãos, vidros duplos reduzem condução e convecção; papel alumínio brilhante reflete radiação).
Trabalho, potência e equações de energia
Trabalho realizado equivale à energia transferida. Ao cair, EPG converte-se em EC (menos trabalho contra arrasto).
Exemplo resolvido. Um livro de 2 kg levantado 1.5 m com g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. Ao ser solto, ao tocar o chão $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. Uma lâmpada de 60 W funcionando por 10 s: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
Recursos energéticos e geração de eletricidade (P)
Toda usina é uma cadeia de transferência de energia de um armazenamento para a eletricidade; a tabela lista as sete que o programa exige.
| Método | Transferência de energia | Vantagens | Desvantagens |
|---|---|---|---|
| eólica | cinética → elétrica | renovável, sem custo de combustível | intermitente, impacto visual/sonoro |
| hidrelétrica | gravitacional → elétrica | renovável, fornecimento instantâneo | alaga vales, poucos locais adequados |
| geotérmica | térmica → elétrica | renovável, constante | poucos locais adequados |
| aquecimento solar | térmica (água quente) | renovável, sem custo operacional | dependente do dia/nuvens |
| células solares | luz → elétrica | renovável, silenciosa | cara, baixa intensidade de saída |
| combustíveis fósseis | química → térmica → elétrica | confiável, concentrado | emissões de CO₂, não renovável |
| nuclear | nuclear → térmica → elétrica | enorme energia por kg, sem CO₂ | resíduos radioativos, descomissionamento |
Verifique você mesmo
- Cite quatro tipos de armazenamento de energia e duas vias de transferência.
- Um motor consome 500 J e produz 350 J de trabalho útil. Calcule a eficiência.
- Cite os três métodos de transferência térmica e aquele que não precisa de meio material.
- Quais superfícies emitem melhor radiação infravermelha?
- Cite duas formas pelas quais uma casa reduz perdas indesejadas de calor.
- Calcule o trabalho realizado por uma força de 40 N movendo-se 3 m.
- Calcule a EC de um carro de 800 kg a 20 m/s.
- Um aquecedor transfere 12 000 J em 30 s. Calcule sua potência.
- (P) Dê uma vantagem e uma desvantagem cada da energia eólica e nuclear.
- (P) Quais dois métodos renováveis extraem energia já armazenada como calor no solo ou na água em queda?
Respostas: 1 química, cinética, gravitacional, térmica (também elástica, magnética, eletrostática, nuclear); mecanicamente e electricamente (também aquecimento, radiação); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 condução, convecção, radiação — a radiação não precisa de meio; 4 superfícies escuras e opacas (preto fosco); 5 isolamento de sótão/parede oca e vidros duplos (também papel alumínio refletivo, vedadores de correntes de ar); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) eólica — renovável sem custo de combustível, mas intermitente e visualmente intrusiva; nuclear — enorme energia por quilograma sem emissão de CO₂, mas exige armazenamento seguro de resíduos radioativos por séculos; 10 (P) geotérmica (calor da Terra) e hidroelétrica (armazenamento gravitacional de água).