Energia

 Nota: Este artigo é sobre a grandeza física escalar. Para outros significados de energia, veja Energia (desambiguação).

Energia
Um globo de plasma usa energia elétrica para produzir plasma, luz, calor, movimento e um som fraco.
Símbolo	E
Unidade no SI	Joule, J
Outras unidades	kWh, caloria, eV, erg
Unidades de base do SI	J = kg⋅m2⋅s−2
Dimensão	M L2 T−2
Grandeza extensiva	Sim
Grandeza conservada	Sim

Energia, do grego ἐνέργεια, enérgeia, "atividade", é uma grandeza que pode ser transferida para um corpo ou sistema físico e se manifesta na capacidade de realizar trabalho e na forma de calor e luz. É uma grandeza conservada. A lei da conservação da energia estabelece que ela pode ser transformada, mas não pode ser criada nem destruída. Sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades, SI, é o joule, de símbolo J.

Entre suas formas estão a energia cinética de um objeto em movimento, a energia potencial armazenada por um objeto, por exemplo, devido à sua posição em um campo, a energia elástica armazenada em um objeto sólido, a energia química envolvida em reações químicas, a energia radiante transportada pela radiação eletromagnética, a energia interna de um sistema termodinâmico e a energia de repouso correspondente à massa de repouso de um objeto. Essas formas não são mutuamente excludentes.

Todos os seres vivos absorvem e liberam energia continuamente. Os processos do clima e dos ecossistemas terrestres são movidos principalmente pela energia radiante do Sol.

Formas

Em um raio típico, 500 megajoules de energia potencial elétrica se transformam na mesma quantidade de energia em outras formas, sobretudo energia luminosa, sonora e térmica.

A energia térmica é a energia dos constituintes microscópicos da matéria e pode incluir energia cinética e potencial.

A energia total de um sistema pode ser dividida e classificada como energia potencial, energia cinética ou combinações das duas. A energia cinética depende do movimento de um objeto ou do movimento conjunto de seus componentes. A energia potencial corresponde à possibilidade de um objeto entrar em movimento e geralmente depende de sua posição em um campo ou da energia armazenada no próprio campo.

Embora essas duas categorias bastem para classificar todas as formas de energia, costuma ser conveniente dar um nome próprio a determinadas combinações de energia potencial e cinética. Por exemplo, a soma das energias cinéticas de translação e rotação com a energia potencial de um sistema é chamada de energia mecânica. Já a energia nuclear se refere aos potenciais combinados no núcleo atômico, decorrentes, entre outras interações, da força nuclear ou da força fraca.

Algumas formas de energia que um objeto ou sistema pode ter como propriedade mensurável

Forma de energia	Definição
Química	Energia potencial decorrente das ligações químicas.
Cromodinâmica	Energia potencial que mantém unidos os quarks que formam os hádrons.
Elástica	Energia potencial decorrente da deformação de um material ou de seu recipiente, que exerce uma força restauradora ao voltar à forma original.
Elétrica	Energia potencial devida a campos elétricos ou armazenada neles.
Gravitacional	Energia potencial devida a campos gravitacionais ou armazenada neles.
De ionização	Energia potencial que mantém um elétron ligado ao átomo ou à molécula.
Magnética	Energia potencial devida a campos magnéticos ou armazenada neles.
Mecânica	Soma das energias cinéticas macroscópicas de translação e rotação com as energias potenciais.
De onda mecânica	Energia cinética e potencial em um material elástico, decorrente de uma oscilação da matéria que se propaga.
Nuclear	Energia potencial que mantém unidos os núcleons que formam o núcleo atômico, envolvida nas reações nucleares.
Radiante	Energia potencial armazenada nos campos das ondas que se propagam como radiação eletromagnética, incluindo a luz.
De repouso	Energia potencial correspondente à massa de repouso de um objeto.
De rotação	Energia cinética decorrente da rotação de um objeto.
De onda sonora	Energia cinética e potencial em um material, decorrente da propagação de uma onda sonora, um tipo de onda mecânica.
Térmica	Energia cinética do movimento microscópico das partículas, uma espécie de equivalente desordenado da energia mecânica.

Energia potencial

Ver artigo principal: Energia potencial

A energia potencial depende da configuração de um sistema e das interações entre suas partes. Ao erguer um objeto, aumenta-se a energia potencial do sistema formado por ele e pela Terra. O nível ao qual se atribui energia potencial nula pode ser escolhido por conveniência. Mudar essa escolha altera os valores de energia, mas não as diferenças entre eles.

Gravitacional

Salto São Francisco, no Paraná. Durante a queda, a energia potencial gravitacional da água diminui.

Na gravitação newtoniana, a energia potencial de duas massas pontuais $M$ e $m$, separadas por uma distância $r$, é

$$U=-{\frac {GMm}{r}}.$$

Nessa expressão, $G$ é a constante gravitacional, e o zero de energia corresponde à separação infinita. A energia é negativa e diminui quando as massas se aproximam. A mesma expressão vale para dois corpos esféricos com distribuição de massa esfericamente simétrica que não se sobreponham, tomando-se $r$ como a distância entre seus centros.

Perto da superfície terrestre, onde a aceleração da gravidade $g$ pode ser aproximada por uma constante, a expressão se simplifica para

$$U=mgh,$$

em que $h$ é a altura acima do nível escolhido como zero de energia potencial.

Em uma órbita newtoniana sob a atração de uma massa central, o sinal da energia mecânica distingue as trajetórias ligadas das trajetórias de escape. Para movimento com momento angular diferente de zero, energia negativa corresponde a uma elipse, com a circunferência como caso particular. Energia nula corresponde a uma parábola, e energia positiva, a uma hipérbole. Essa classificação toma a energia potencial como nula no infinito.

Elétrica

Raios em Campinas, no estado de São Paulo.

Para duas cargas pontuais $q$ e $Q$ no vácuo, a energia potencial eletrostática é

$$U=k_{\mathrm {e} }{\frac {qQ}{r}},$$

em que $k_{\mathrm {e} }$ é a constante de Coulomb e $r$ é a distância entre as cargas. Com o zero no infinito, cargas de mesmo sinal têm energia potencial positiva, e cargas de sinais opostos têm energia potencial negativa.

O potencial elétrico $V$ é a energia potencial por unidade de carga, de modo que $U=qV$. A energia potencial é medida em joules, e o potencial, em volts, com $1\,\mathrm {V} =1\,\mathrm {J/C}$.

Elástica

Uma mola ideal que obedece à lei de Hooke armazena energia potencial ao ser comprimida ou esticada. Tomando como zero a mola sem deformação,

$$U={\frac {1}{2}}kx^{2},$$

em que $k$ é a constante elástica e $x$ é a deformação. Compressões e alongamentos de mesmo módulo armazenam a mesma energia.

Nuclear

A energia de ligação nuclear é a energia necessária para separar um núcleo em seus prótons e nêutrons. Ela corresponde à diferença entre a massa dos nucleons separados e a massa do núcleo, multiplicada por $c^{2}$. As energias de ligação por nucleon costumam ser expressas em MeV, enquanto a energia de ionização de um elétron em um átomo costuma ser expressa em eV. Essa diferença de escala explica por que reações nucleares podem liberar muito mais energia por partícula do que reações químicas.

Energia cinética e mecânica

Ver artigos principais: Energia cinética e Energia mecânica

Na mecânica clássica, uma partícula de massa $m$ e velocidade de módulo $v$ tem energia cinética

$$K={\frac {1}{2}}mv^{2}.$$

Pelo teorema do trabalho-energia, o trabalho total das forças que atuam sobre a partícula é igual à variação de sua energia cinética.

$$W_{\mathrm {total} }=\Delta K.$$

O valor de $K$ depende do referencial em que a velocidade é medida.

Um corpo rígido em rotação em torno de um eixo fixo tem energia cinética

$$K_{\mathrm {rot} }={\frac {1}{2}}I\omega ^{2},$$

em que $I$ é o momento de inércia em relação a esse eixo e $\omega$ é o módulo da velocidade angular. O momento de inércia depende de como a massa se distribui em torno do eixo.

Para um corpo rígido que rola, a energia cinética é a soma das parcelas de translação do centro de massa e de rotação em torno dele,

$$K={\frac {1}{2}}Mv_{\mathrm {CM} }^{2}+{\frac {1}{2}}I_{\mathrm {CM} }\omega ^{2}.$$

Nessa expressão, $M$ é a massa total, $v_{\mathrm {CM} }$ é a velocidade do centro de massa e $I_{\mathrm {CM} }$ é o momento de inércia em relação ao eixo de rotação que passa por ele.

A energia mecânica é a soma da energia cinética com a energia potencial, $E_{\mathrm {mec} }=K+U$. Ela se conserva quando o trabalho das forças não conservativas é nulo. O atrito pode transformar energia mecânica em energia interna, sem alterar a energia total do conjunto de corpos envolvidos.

Energia dos campos e da radiação

Ver artigos principais: Energia eletromagnética e Energia radiante

Os campos elétrico e magnético armazenam energia. No vácuo, a energia por unidade de volume é

$$u={\frac {1}{2}}\varepsilon _{0}E^{2}+{\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}},$$

em que $E$ e $B$ são os módulos dos campos, e $\varepsilon _{0}$ e $\mu _{0}$ são a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética do vácuo. Ondas eletromagnéticas transportam essa energia pelo espaço e podem transferi-la à matéria. O fluxo de energia é dado pelo vetor de Poynting,

$$\mathbf {S} ={\frac {1}{\mu _{0}}}\mathbf {E} \times \mathbf {B} .$$

Sua direção é a do transporte de energia. Seu módulo fornece a potência que atravessa uma unidade de área perpendicular ao fluxo, medida em watts por metro quadrado.

História

Thomas Young, que empregou o termo "energia" em substituição a "vis viva" em 1807.

A história da energia começa com o termo grego ἐνέργεια (energeia, "atividade, operação"), possivelmente cunhado no ambiente da Academia por seus membros, ou no contexto da teoria médica hipocrática ou por Aristóteles, com a ocorrência mais antiga preservada hoje aparecendo nas obras deste último, em seus conceitos de potência e ato. O termo tinha um sentido filosófico qualitativo e abrangia ideias como felicidade e prazer. A palavra foi utilizada por Kepler em 1619, mas aparece em sentido moderno provavelmente pela primeira vez no uso por Johann Bernoulli, que a emprega para indicar equilíbrio de forças virtuais. É com o desenvolvimento da termodinâmica, em meados do século XIX, que ela adquire sentido fundamental na ciência, naquele contexto vinculado à quantidade de trabalho economizado e força. Na década de 1850, William Thomson e William Rankine substituirão a antiga linguagem da mecânica com novos termos como "energia atual", "energia cinética" e "energia potencial".

Leibniz empregaria a definição de energia cinética sob a denominação "vis viva", em controvérsia contra os cartesianos. Essa expressão latina significava "força viva", definida como o produto da massa de um objeto pelo quadrado de sua velocidade. Ele acreditava que a vis viva total se conservava. Para explicar a desaceleração causada pelo atrito, propôs que a energia térmica consistia no movimento das partes constituintes da matéria, mas essa ideia só teria ampla aceitação mais de um século depois. A energia cinética, equivalente moderno dessa propriedade, difere da vis viva apenas por um fator de dois. No início do século XVIII, Émilie du Châtelet propôs o conceito de conservação da energia em anotações à margem de sua tradução francesa dos Principia Mathematica, de Newton. Foi a primeira formulação de uma grandeza mensurável que se conservava e era distinta do momento linear, e que receberia o nome de "energia".

Em uma carta a Pierre Varignon, de 1717, Johann Bernoulli usou o termo "energia" ao discutir o equilíbrio de forças e as velocidades virtuais. Esse emprego antecedeu o conceito físico desenvolvido no século XIX.

Em 1807, Thomas Young empregou o termo "energia" em substituição a vis viva. Gustave-Gaspard Coriolis formulou o conceito moderno de "energia cinética" em 1829. Em 1853, William Rankine criou o termo "energia potencial". Na década de 1850, Rankine e Thomson empregaram os termos "energia potencial" e "energia atual". Thomson adotou depois "energia cinética" para a energia de movimento. A lei da conservação da energia também foi proposta pela primeira vez no início do século XIX e se aplica a qualquer sistema isolado. Por alguns anos, discutiu-se se o calor era uma substância física, chamada de calórico, ou apenas uma grandeza física, como o momento linear. Em 1845, James Prescott Joule descobriu a relação entre o trabalho mecânico e a produção de calor.

Esses avanços levaram à teoria da conservação da energia, formalizada em grande parte por William Thomson, o lorde Kelvin, no campo da termodinâmica. A termodinâmica permitiu que Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs, Walther Nernst e outros desenvolvessem rapidamente explicações para os processos químicos. Clausius também deu uma formulação matemática ao conceito de entropia, e Jožef Stefan introduziu leis para a energia radiante. Pelo teorema de Noether, a conservação da energia decorre de as leis da física não mudarem com o tempo. Desde 1918, a lei da conservação da energia é entendida como consequência matemática direta da simetria de translação da grandeza conjugada à energia, o tempo.

A teoria da relatividade restrita, apresentada por Albert Einstein em 1905, estabeleceu que a massa de repouso corresponde a uma quantidade equivalente de energia de repouso. Isso significa que a massa de repouso pode ser convertida em quantidades equivalentes de formas não materiais de energia, como energia cinética, potencial e radiante eletromagnética, e que a conversão inversa também é possível. Nesses processos, a massa de repouso não se conserva, mas a massa total e a energia total se conservam. Todas as formas de energia entram no cálculo da massa e da energia totais. A conservação da energia total, incluindo a energia material ou de repouso, e a conservação da massa total, incluindo outras formas além da massa de repouso, são uma mesma lei. No século XVIII, elas pareciam ser duas leis distintas.

Os primeiros indícios da quantização nos átomos vieram da observação de linhas espectrais na luz solar por Joseph von Fraunhofer e William Hyde Wollaston, no início do século XIX. Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr propôs a ideia de níveis de energia quantizados em seu modelo atômico. A teoria quântica moderna, que explica esses níveis pela equação de Schrödinger, foi desenvolvida por Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg em 1926. Pelo teorema de Noether, a simetria dessa equação equivale à conservação da probabilidade. Na escala quântica, todas as interações entre massa e energia estão sujeitas a esse princípio. Durante o colapso da função de onda, a energia não se conserva localmente, embora a conservação se mantenha em média para um número suficientemente grande de colapsos. Na interpretação de muitos mundos de H. Everett, a conservação da energia se aplica ao colapso da função de onda.

Unidades de medida

Aparelho de Joule para medir o equivalente mecânico do calor. Um peso preso a um fio desce e faz girar uma pá mergulhada na água.

Ver artigo principal: Unidades de energia

Na análise dimensional, as unidades de base da energia são obtidas pela relação trabalho = força × distância = M L² T⁻², em que M, L e T são as dimensões fundamentais de massa, comprimento e tempo. No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de energia é o joule. Essa unidade derivada equivale à energia gasta, ou ao trabalho realizado, quando uma força de um newton atua ao longo de um deslocamento de um metro.

A unidade de potência no SI é o watt, que equivale a um joule por segundo. Potência é a energia por unidade de tempo. Um quilowatt-hora, kWh, corresponde à energia fornecida por uma potência de um quilowatt durante uma hora e equivale a 3,6 milhões de joules. No sistema CGS, a unidade de energia é o erg, com $1\,\mathrm {erg} =10^{-7}\,\mathrm {J}$.

Outras unidades, como o elétron-volt, a caloria alimentar e a quilocaloria termodinâmica, são usadas em áreas específicas da ciência e do comércio.

O elétron-volt, eV, é a energia cinética adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial de um volt no vácuo. Seu valor exato é $1{,}602176634\times 10^{-19}\,\mathrm {J}$. Um megaelétron-volt, MeV, equivale a um milhão de elétron-volts.

Por exemplo, uma lâmpada que opera com potência constante de 60 W durante 12 horas consome 720 Wh, ou 0,72 kWh. A potência informa a taxa de consumo de energia, enquanto o produto da potência pelo tempo fornece a energia consumida.

Uso científico

Mecânica clássica

Ver artigos principais: Mecânica, Trabalho (física), e Termodinâmica

Na mecânica clássica, a energia é útil do ponto de vista conceitual e matemático por ser uma grandeza conservada. Há formulações da mecânica que adotam a energia como conceito central.

O trabalho, uma função da energia, é o produto da força pela distância.

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

Nessa expressão, o trabalho $W$ é igual à integral de linha da força F ao longo de um percurso C. O artigo sobre trabalho mecânico apresenta mais detalhes. O trabalho e a energia dependem do referencial. Considere, por exemplo, uma bola atingida por um bastão. No referencial do centro de massa, o bastão não realiza trabalho sobre a bola. No referencial da pessoa que o movimenta, porém, ele realiza uma quantidade considerável de trabalho sobre ela.

A energia total de um sistema às vezes é chamada de hamiltoniana, em homenagem a William Rowan Hamilton. As equações clássicas do movimento podem ser escritas em função da hamiltoniana, mesmo para sistemas de grande dificuldade matemática ou abstração. Essas equações têm correspondentes diretos na mecânica quântica não relativística.

Outro conceito relacionado à energia é a lagrangiana, nome dado em homenagem a Joseph-Louis Lagrange. Esse formalismo é tão fundamental quanto o hamiltoniano. Cada um permite obter as equações do movimento ou pode ser obtido a partir delas. A lagrangiana foi criada na mecânica clássica, mas tem aplicações gerais na física moderna. Ela é definida como a energia cinética menos a energia potencial. Em geral, o formalismo de Lagrange é matematicamente mais conveniente que o de Hamilton para sistemas não conservativos, como aqueles em que há atrito.

O teorema de Noether, de 1918, estabelece que toda simetria diferenciável da ação de um sistema físico tem uma lei de conservação correspondente. Ele se tornou uma ferramenta fundamental da física teórica moderna e do cálculo das variações. O teorema generaliza as formulações das constantes do movimento nas mecânicas lagrangiana e hamiltoniana, de 1788 e 1833, respectivamente, e não se aplica a sistemas que não possam ser modelados por uma lagrangiana. Por exemplo, sistemas dissipativos com simetrias contínuas não precisam ter uma lei de conservação correspondente.

Química

Ver artigo principal: Energia química

Na química, a energia é uma propriedade de uma substância decorrente de sua estrutura atômica, molecular ou agregada. Como uma transformação química altera uma ou mais dessas estruturas, ela costuma ser acompanhada de uma diminuição da energia total das substâncias envolvidas, embora às vezes haja um aumento. Parte da energia pode passar entre o ambiente e os reagentes na forma de calor ou luz. Por isso, os produtos de uma reação geralmente têm menos energia que os reagentes, mas podem ter mais. Uma reação é chamada de exotérmica ou exergônica quando seu estado final está abaixo do inicial na escala de energia. Nas reações endotérmicas, menos comuns, ocorre o inverso.

Em geral, as reações químicas só podem ocorrer quando os reagentes superam uma barreira energética chamada de energia de ativação. A velocidade de uma reação química a uma temperatura T depende da energia de ativação E pelo fator de população de Boltzmann, e^−E/kT, que exprime a probabilidade de uma molécula ter energia maior ou igual a E nessa temperatura. Essa dependência exponencial da velocidade da reação em relação à temperatura é expressa pela equação de Arrhenius. A energia de ativação necessária para uma reação pode ser fornecida na forma de energia térmica.

Biologia

Ver artigos principais: Bioenergética e Energia alimentar

Esquema básico da relação entre energia e vida humana.

Na biologia, a energia é uma propriedade de todos os sistemas biológicos, da biosfera ao menor ser vivo. Ela permite o crescimento, o desenvolvimento e o funcionamento de uma célula ou organela. Todos os seres vivos dependem de uma fonte externa de energia para crescer e se reproduzir. As plantas verdes usam a energia radiante do Sol, e os animais usam alguma forma de energia química. A energia fornecida pela respiração celular fica armazenada em nutrientes, como carboidratos, entre eles os açúcares, lipídios e proteínas, presentes nas células.

As plantas captam a energia radiante da luz solar e a armazenam como energia potencial química pela fotossíntese, na qual dióxido de carbono e água, dois compostos de baixa energia, são convertidos em carboidratos, lipídios, proteínas e oxigênio. Uma faísca pode desencadear a liberação súbita dessa energia na forma de calor ou luz em um incêndio florestal. A liberação também pode ser mais lenta e alimentar o metabolismo de animais e seres humanos, quando moléculas orgânicas são ingeridas e a ação de enzimas inicia o catabolismo.

Seres humanos

A taxa metabólica basal mede o gasto de energia alimentar por unidade de tempo de animais endotérmicos em repouso. É a energia necessária para que os órgãos funcionem normalmente. Nos seres humanos, o equivalente metabólico da tarefa, MET, compara o gasto de energia por unidade de massa durante uma atividade física com um valor de referência. Por convenção, esse valor é de 3,5 mL de oxigênio consumidos por quilograma por minuto, correspondente ao consumo de uma pessoa típica sentada em repouso.

O gasto energético pode ser comparado ao do metabolismo humano. Uma potência metabólica basal de aproximadamente 80 W corresponde a cerca de 6.900 kJ por dia. Se esse valor for adotado como referência, uma lâmpada de 100 W consome energia a uma taxa 1,25 vez maior, pois 100 ÷ 80 = 1,25. Em uma tarefa intensa de poucos segundos, uma pessoa pode produzir milhares de watts. Em tarefas de alguns minutos, uma pessoa com bom condicionamento físico pode produzir cerca de 1.000 W. Para uma atividade mantida por uma hora, a potência cai para aproximadamente 300 W. Ao longo de um dia inteiro, cerca de 150 W é o máximo. Essa comparação expressa os fluxos de energia dos sistemas físicos e biológicos em uma escala humana e dá uma noção do que significa usar determinada quantidade de energia.

Os cerca de 7 a 13 MJ diários recomendados para um adulto são ingeridos nas moléculas dos alimentos, sobretudo carboidratos e gorduras. Apenas uma pequena fração da energia química original é usada para realizar trabalho nos exemplos a seguir.

• Ganho de energia cinética de um velocista durante uma corrida de 100 m, 4 kJ.
• Ganho de energia potencial gravitacional de uma carga de 150 kg elevada por 2 m, 3 kJ.
• Ingestão alimentar diária de um adulto, 6 a 8 MJ.

A eficiência da conversão de energia em trabalho depende da atividade. Valores representativos para seres humanos são 20% no ciclismo e 9% no levantamento de peso. Algumas máquinas alcançam eficiências maiores, como motores a gasolina, com cerca de 30%, e motores elétricos, que podem chegar a 98%.

Nos organismos em crescimento, a conversão de energia em calor permite que os tecidos mantenham uma organização molecular elevada. A segunda lei da termodinâmica estabelece que a energia e a matéria tendem a se distribuir de modo mais uniforme pelo universo. Concentrar energia ou matéria em um lugar exige dispersar uma quantidade maior de energia, na forma de calor, pelo restante do universo, chamado de "ambiente". Organismos mais simples podem alcançar eficiências energéticas maiores, mas organismos mais elaborados podem ocupar nichos ecológicos inacessíveis aos primeiros. A conversão de parte da energia química em calor a cada etapa de uma via metabólica é a razão física da pirâmide de biomassa observada na ecologia. No primeiro nível da cadeia alimentar, por exemplo, estima-se que a fotossíntese fixe 124,7 Pg de carbono por ano. Desse total, 64,3 Pg por ano, ou 52%, são usados no metabolismo das plantas verdes, que libera novamente dióxido de carbono e calor.

Metabolismo celular

Ver artigo principal: Metabolismo

Organismos multicelulares, como os seres humanos, têm células classificadas como eucarióticas. Essas células contêm uma organela chamada de mitocôndria, que fornece energia química para o restante da célula. As mitocôndrias utilizam 90% do oxigênio consumido pelos seres humanos, sobretudo no processamento de nutrientes. O trifosfato de adenosina, ATP, é o principal transportador de energia nas células vivas e fornece energia para os processos celulares. Ele é continuamente decomposto e sintetizado durante a respiração celular.

A glicose, C₆H₁₂O₆, e a estearina, C₅₇H₁₁₀O₆, são dois exemplos de nutrientes consumidos pelos animais. Nas mitocôndrias, essas moléculas são oxidadas e formam dióxido de carbono e água.

$${\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}$$ $${\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}$$

Parte da energia é usada para converter ADP em ATP.

ADP + HPO₄²⁻ → ATP + H₂O

O restante da energia química dos nutrientes é convertido em calor. O ATP funciona como uma espécie de "moeda energética". Parte de sua energia química é usada em outros processos do metabolismo, quando ele reage com grupos OH e se decompõe em ADP e fosfato. A cada etapa de uma via metabólica, parte da energia química é convertida em calor.

Ciências da Terra

Na geologia, a deriva continental, as cadeias de montanhas, os vulcões e os terremotos são fenômenos que podem ser explicados por transformações de energia no interior da Terra. Fenômenos meteorológicos, como vento, chuva, granizo, neve, raios, tornados e furacões, resultam de transformações de energia na atmosfera, causadas pela energia solar.

A luz solar é a principal entrada de energia no balanço energético da Terra, que determina sua temperatura e a estabilidade do clima ao considerar as interações com a atmosfera. Depois de atingir a Terra, a energia da luz solar pode ser armazenada como energia potencial gravitacional. Isso ocorre, por exemplo, quando a água evapora dos oceanos e se deposita nas montanhas. Ao ser liberada de uma represa hidrelétrica, essa água pode mover turbinas e geradores para produzir eletricidade. Um exemplo de fenômeno meteorológico movido pelo Sol é o furacão. Ele ocorre quando extensas áreas instáveis de água oceânica aquecida durante meses liberam subitamente parte de sua energia térmica, que sustenta alguns dias de movimento intenso do ar.

Em um processo mais lento, o decaimento radioativo de átomos no núcleo da Terra libera calor e fornece mais da metade de seu calor interno. A produção de calor radiogênico decorre principalmente do decaimento passado de urânio-235, potássio-40 e tório-232. Essa energia térmica move a tectônica de placas e pode elevar montanhas pela orogênese. O soerguimento lento armazena energia na forma de energia potencial gravitacional, que pode se transformar em energia cinética durante um deslizamento de terra desencadeado por algum evento. Os terremotos também liberam energia potencial elástica armazenada nas rochas, cuja origem remonta às mesmas fontes de calor radioativo. Deslizamentos e terremotos liberam, assim, energia armazenada no campo gravitacional terrestre ou na deformação elástica das rochas, uma forma de energia potencial mecânica. Antes disso, essa energia estava armazenada em átomos pesados formados no colapso de estrelas que explodiram como supernovas.

No início da formação de um planeta, a acreção fornece energia de colisão suficiente para fundi-lo parcial ou totalmente. Isso permite sua diferenciação por elemento químico. As mudanças de fase dos minerais durante a formação fornecem mais calor interno. Esse calor chega à superfície e é irradiado para o espaço, resfriando o planeta. As fontes de calor radiogênico incorporadas por acreção se acumulam em direção ao núcleo e fornecem energia térmica em escalas de tempo geológicas. A sedimentação contínua fornece energia interna aos planetas gigantes gasosos, como Júpiter e Saturno.

Cosmologia

Na cosmologia e na astronomia, os fenômenos envolvendo estrelas, novas, supernovas, quasares e explosões de raios gama estão entre as transformações de matéria com maior liberação de energia do universo. Todos os fenômenos estelares, incluindo a atividade solar, são movidos por transformações de energia. Essa energia provém do colapso gravitacional da matéria, em geral hidrogênio molecular, que forma objetos astronômicos como estrelas e buracos negros, ou da fusão nuclear de elementos leves, principalmente hidrogênio.

A fusão nuclear do hidrogênio no Sol também libera uma reserva de energia potencial formada no Big Bang. A teoria estabelece que o espaço se expandiu e o universo esfriou depressa demais para que todo o hidrogênio se fundisse em elementos mais pesados. O hidrogênio reteve, assim, energia potencial que pode ser liberada por fusão. O calor e a pressão produzidos pelo colapso gravitacional de nuvens de hidrogênio durante a formação de estrelas desencadeiam a fusão, e parte da energia liberada se transforma em luz estelar.

A acreção de matéria sobre um objeto compacto é um modo muito eficiente de obter energia do potencial gravitacional. Esse processo alimenta algumas das fontes persistentes de energia mais brilhantes do universo. O processo de Penrose é um método teórico de extrair energia de um buraco negro em rotação. A radiação Hawking é a emissão de radiação de corpo negro por um buraco negro, que provoca uma perda contínua de massa e de energia de rotação. À medida que o objeto evapora, a teoria prevê que a temperatura dessa radiação aumente e acelere o processo.

As ondas gravitacionais também transportam energia. Em 14 de setembro de 2015, os detectores do LIGO observaram pela primeira vez essas ondas, produzidas pela fusão de dois buracos negros. O sinal permitiu estimar que a energia irradiada correspondia a cerca de três massas solares, pela relação $E=mc^{2}$.

Mecânica quântica

Na mecânica quântica, a energia é definida pelo operador de energia, ou hamiltoniano, como uma derivada temporal da função de onda. A equação de Schrödinger iguala o operador de energia à energia total de uma partícula ou sistema. Seus resultados permitem definir a medida de energia na mecânica quântica. Essa equação exprime a dependência espacial e temporal da função de onda de um sistema quântico que varia lentamente, no regime não relativístico. Para um sistema ligado, sua solução é discreta, com um conjunto de estados permitidos, cada um caracterizado por um nível de energia. Disso decorre o conceito de quanta.

Para ondas eletromagnéticas no vácuo, os estados de energia se relacionam com a frequência pela relação de Planck, $E=h\nu$, em que $h$ é a constante de Planck e $\nu$ é a frequência. Esses estados de energia são chamados de quanta de luz ou fótons.

Relatividade

Ao calcular a energia cinética pela relatividade, usando transformações de Lorentz no cálculo do trabalho necessário para acelerar um corpo com massa do repouso até uma velocidade finita, Einstein encontrou um resultado inesperado. Havia um termo de energia que não se anulava quando a velocidade era zero, diferentemente do que ocorria na mecânica newtoniana. Ele o chamou de energia de repouso, a energia que todo corpo com massa possui mesmo quando está parado. Essa energia é diretamente proporcional à massa do corpo.

$$E_{0}=m_{0}c^{2}$$

Nessa expressão,

• m₀ é a massa de repouso do corpo.
• c é a velocidade da luz no vácuo.
• $E_{0}$ é a energia de repouso.

Para uma partícula de massa de repouso $m_{0}$ e velocidade $v$, a energia cinética relativística é

$$K=(\gamma -1)m_{0}c^{2},\qquad \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}.$$

Quando $v$ é muito menor que $c$, essa expressão se aproxima de $K=m_{0}v^{2}/2$.

A energia total $E$ e o módulo do momento linear $p$ obedecem à relação

$$E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}.$$

Para uma partícula sem massa de repouso, como o fóton, ela se reduz a $E=pc$. No limite clássico, a energia cinética de uma partícula com massa pode ser escrita como $K=p^{2}/(2m_{0})$.

Na aniquilação de um elétron com um pósitron, por exemplo, a energia de repouso de cada partícula, equivalente à sua massa de repouso, se transforma na energia radiante dos fótons produzidos. A matéria e a antimatéria, nesse caso o elétron e o pósitron, são destruídas e dão lugar a fótons, que não são matéria. A massa total e a energia total, porém, não mudam nessa interação. Cada fóton tem massa de repouso nula, mas sua energia radiante apresenta a mesma inércia das partículas originais. O processo é reversível. No processo inverso, chamado de criação de pares, a massa de repouso das partículas é criada a partir de um fóton suficientemente energético nas proximidades de um núcleo.

Na relatividade geral, o tensor energia-momento é o termo fonte do campo gravitacional, de modo aproximadamente análogo ao papel da massa na aproximação newtoniana não relativística.

Energia e massa são manifestações de uma mesma propriedade física de um sistema. Essa propriedade determina sua inércia e a intensidade de sua interação gravitacional, as "manifestações de massa", e também sua capacidade de realizar trabalho ou aquecer outros sistemas, as "manifestações de energia", sujeita às limitações das demais leis físicas.

Na física clássica, a energia é uma grandeza escalar, canonicamente conjugada ao tempo. Na relatividade restrita, ela também é escalar, embora não seja um escalar de Lorentz. Dividida pela velocidade da luz, ela é a componente temporal do quadrivetor energia-momento. Isso significa que a energia é invariante sob rotações do espaço, mas não sob rotações do espaço-tempo, ou transformações de Lorentz.

Transformação

Algumas formas de transferência de energia, ou "energia em trânsito", entre objetos ou sistemas

Processo de transferência	Definição
Calor	Quantidade de energia térmica que passa espontaneamente para um objeto de menor temperatura.
Trabalho	Quantidade de energia transferida por um deslocamento na direção de uma força aplicada.
Transferência de matéria	Quantidade de energia transportada pela matéria que passa de um sistema a outro.

Um turbogerador transforma a energia do vapor sob pressão em energia elétrica.

A energia pode ser transformada de uma forma em outra com diferentes eficiências. Os dispositivos que realizam transformações úteis desse tipo são chamados de transdutores. Uma bateria converte energia química em energia elétrica. Em uma barragem, a energia potencial gravitacional se transforma na energia cinética da água, que gira as pás de uma turbina, e depois em energia elétrica por meio de um gerador elétrico. Uma máquina térmica transforma calor em trabalho.

Outros exemplos são a geração de eletricidade a partir de energia térmica por uma turbina a vapor e a elevação de um objeto contra a gravidade por um guindaste com motor elétrico. Ao elevar o objeto, o guindaste realiza trabalho mecânico sobre ele e armazena energia potencial gravitacional. Se o objeto cair, a gravidade realiza trabalho sobre ele e transforma a energia potencial do campo gravitacional em energia cinética, que é liberada como calor na colisão com o chão. O Sol transforma energia potencial nuclear em outras formas de energia. Essa transformação, por si só, não diminui sua massa total, pois a energia total permanece a mesma, ainda que mude de forma. A massa diminui quando a energia escapa para o ambiente, principalmente como energia radiante.

O teorema de Carnot e a segunda lei da termodinâmica impõem limites à eficiência da conversão de calor em trabalho em processos cíclicos, como os de uma máquina térmica. Algumas transformações de energia, porém, podem ser bastante eficientes. A direção das transformações, isto é, qual forma de energia se converte em outra, costuma depender da entropia, relacionada à distribuição da energia entre os graus de liberdade disponíveis. Em uma escala suficientemente pequena, todas as transformações de energia são permitidas. Em escalas maiores, algumas são muito improváveis, porque é estatisticamente pouco provável que a energia ou a matéria se concentrem espontaneamente em formas mais compactas ou em espaços menores.

As transformações de energia no universo envolvem a "liberação" de formas de energia potencial disponíveis desde o Big Bang. Quando algum mecanismo desencadeia o processo, elas se transformam em formas mais ativas, como energia cinética ou radiante. Na nucleossíntese, por exemplo, a energia potencial gravitacional liberada pelo colapso gravitacional de supernovas é usada para "armazenar" energia na formação de isótopos pesados, como os de urânio e tório. No decaimento nuclear, é liberada a energia armazenada nesses elementos antes de sua incorporação ao Sistema Solar e à Terra. Essa liberação é desencadeada em bombas de fissão e na geração de eletricidade em usinas nucleares. De modo semelhante, em uma explosão química, a energia potencial química se transforma em energia cinética e térmica em um intervalo muito curto.

Outro exemplo é o de um pêndulo simples sob a ação da gravidade. Nos pontos mais altos de seu percurso, sua energia cinética é nula e sua energia potencial gravitacional é máxima. No ponto mais baixo, a energia cinética é máxima e igual à diminuição da energia potencial. Na hipótese ideal de não haver atrito nem outras perdas, a conversão seria perfeita e o pêndulo oscilaria para sempre. A energia potencial $E_{p}$ se transforma continuamente em energia cinética $E_{k}$ e depois volta à forma potencial. Esse processo obedece à conservação da energia.

Nesse sistema isolado, a energia não pode ser criada nem destruída, de modo que a energia inicial é igual à final.

$E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}$ (4)

A equação pode ser simplificada usando $E_{p}=mgh$, o produto da massa pela aceleração da gravidade e pela altura, e $E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$, metade do produto da massa pelo quadrado da velocidade. A energia total é a soma $E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}$.

Conservação da energia e da massa nas transformações

Em um campo gravitacional, a massa e a energia produzem um peso mensurável quando estão contidas em um sistema de momento linear nulo. A fórmula E = mc², obtida por Albert Einstein em 1905, quantifica a equivalência entre massa e energia na relatividade restrita, usando a massa relativística. Em outros modelos teóricos, fórmulas semelhantes foram obtidas por J. J. Thomson em 1881, Henri Poincaré em 1900, Friedrich Hasenöhrl em 1904 e outros. O artigo sobre equivalência entre massa e energia apresenta mais detalhes dessa trajetória.

Parte da energia de repouso da matéria, equivalente à massa de repouso, pode se transformar em outras formas de energia, que também apresentam massa. A energia e a massa, porém, não podem ser destruídas e permanecem constantes em qualquer processo. Como $c^{2}$ é muito grande nas escalas usuais, a conversão de uma quantidade comum de massa de repouso em outras formas de energia, como cinética, térmica ou radiante, pode liberar enormes quantidades de energia. Isso ocorre em reatores nucleares e armas nucleares. Por exemplo, 1 kg de massa de repouso equivale a 9 × 10¹⁶ J, ou 21,5 megatoneladas de TNT.

Por outro lado, a massa equivalente a uma quantidade comum de energia é minúscula. A física nuclear e a física de partículas oferecem exemplos de transformações em grande escala entre a energia de repouso da matéria e outras formas de energia. A conversão completa de matéria, como átomos, em formas não materiais, como fótons, ocorre na interação com antimatéria.

Transformações reversíveis e irreversíveis

A termodinâmica divide as transformações de energia em processos reversíveis e irreversíveis. Em um processo irreversível, a energia se dissipa, espalhando-se por estados de energia vazios disponíveis em um volume. Ela não pode voltar a formas mais concentradas, com menos estados quânticos, sem que uma quantidade ainda maior de energia se degrade. Em um processo reversível, essa dissipação não ocorre. A conversão de energia de um tipo de campo potencial em outro é reversível, como no sistema do pêndulo apresentado acima.

Na escala atômica, a energia térmica está no movimento e nas vibrações dos átomos e das moléculas. Quando há produção de calor, a radiação excita os estados de menor energia desses átomos e dos campos ao seu redor. Esse aquecimento armazena parte da energia aplicada, que não pode ser convertida em outras formas com 100% de eficiência. Pela segunda lei da termodinâmica, a recuperação completa desse calor como energia utilizável exige o aumento de alguma outra forma de desordem nos estados quânticos, semelhante à produzida pelo calor.

Com a evolução do universo, uma parcela cada vez maior de sua energia fica retida em estados irreversíveis, como calor ou outras formas de aumento da desordem. Disso surgiu a hipótese de uma morte térmica do universo inevitável. Nesse cenário, a energia do universo não muda, mas diminui a parcela disponível para realizar trabalho em uma máquina térmica ou para ser convertida em outras formas utilizáveis, por exemplo, por geradores acoplados a máquinas térmicas.

Conservação da energia

Ver artigo principal: Lei da conservação da energia

A impossibilidade de criar ou destruir energia é chamada de lei da conservação da energia. Na formulação da primeira lei da termodinâmica, a energia de um sistema fechado permanece constante, a menos que entre ou saia energia na forma de trabalho ou calor, e nenhuma energia se perde na transferência. A energia total que entra no sistema deve ser igual à que sai, somada à variação da energia nele contida. Sempre que se mede ou calcula a energia total de um sistema de partículas cujas interações não dependem explicitamente do tempo, essa energia permanece constante.

O calor pode ser inteiramente convertido em trabalho na expansão isotérmica reversível de um gás ideal. Nos processos cíclicos usados em máquinas térmicas, porém, a segunda lei da termodinâmica estabelece que o sistema que realiza trabalho sempre perde parte da energia como calor residual. Isso limita a quantidade de energia térmica que pode realizar trabalho em um processo cíclico, chamada de energia disponível. A energia mecânica e outras formas de energia podem ser transformadas em energia térmica sem essa limitação. A energia total de um sistema pode ser calculada pela soma de todas as suas formas de energia.

Em uma aula de 1961, Richard Feynman afirmou:

Existe um fato, ou, se preferirmos, uma lei, que rege todos os fenômenos naturais conhecidos até o presente. Não se conhece nenhuma exceção a essa lei. Até onde sabemos, ela é exata. Essa lei é chamada de conservação da energia. Ela estabelece que há uma certa quantidade, que chamamos de energia, que não muda nas muitas transformações pelas quais a natureza passa. Essa é uma ideia bastante abstrata, porque é um princípio matemático. Ela diz que existe uma quantidade numérica que não muda quando algo acontece. Não é a descrição de um mecanismo, nem de algo concreto. É apenas o fato curioso de que podemos calcular um número, observar a natureza realizar seus truques e, ao calcular o número de novo, encontrar o mesmo valor.
The Feynman Lectures on Physics

A maioria das formas de energia, com exceção da energia gravitacional, também obedece a leis estritas de conservação local. Nesse caso, a energia só pode ser trocada entre regiões adjacentes do espaço, e todos os observadores concordam quanto à sua densidade volumétrica em uma região dada. Há também uma lei global de conservação da energia, que estabelece que a energia total do universo não pode mudar. Essa lei decorre da lei local, mas o inverso não é verdadeiro.

Essa lei é um princípio fundamental da física. O teorema de Noether estabelece rigorosamente que a conservação da energia é uma consequência matemática da simetria de translação do tempo, uma propriedade da maioria dos fenômenos em escalas menores que a cósmica, que os torna independentes de sua posição na coordenada temporal. Em outras palavras, ontem, hoje e amanhã são fisicamente indistinguíveis. Isso ocorre porque a energia é a grandeza canonicamente conjugada ao tempo. A relação matemática entre energia e tempo também resulta no princípio da incerteza. Não é possível definir a quantidade exata de energia durante um intervalo de tempo definido, embora isso tenha relevância prática apenas para intervalos muito curtos. O princípio da incerteza não deve ser confundido com a conservação da energia. Ele estabelece os limites matemáticos dentro dos quais a energia pode ser definida e medida.

Cada força fundamental da natureza corresponde a um tipo de energia potencial. Todas as formas de energia potencial, como as demais formas de energia, acrescentam massa ao sistema em que estão presentes. Por exemplo, uma mola comprimida tem uma massa ligeiramente maior que antes de ser comprimida. Sempre que a energia passa de um sistema para outro, qualquer que seja o mecanismo, uma quantidade correspondente de massa também é transferida.

Na mecânica quântica, a energia é expressa pelo operador hamiltoniano. Em qualquer escala de tempo, sua incerteza é dada por

$\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}$

A expressão tem forma semelhante à do princípio da incerteza de Heisenberg, mas não é matematicamente equivalente a ele, pois E e t não são variáveis dinamicamente conjugadas, seja na mecânica clássica ou na quântica.

Na física de partículas, essa desigualdade permite uma compreensão qualitativa das partículas virtuais, que transportam momento linear. A troca de partículas virtuais com partículas reais produz todas as forças fundamentais conhecidas, mais precisamente chamadas de interações fundamentais. Os fótons virtuais também são responsáveis pela interação eletrostática entre cargas elétricas, que resulta na lei de Coulomb, pelo decaimento radiativo espontâneo de estados atômicos e nucleares excitados, pela força de Casimir, pela força de van der Waals e por outros fenômenos observáveis.

Transferência de energia

Sistemas fechados

A transferência de energia pode ser examinada no caso particular dos sistemas fechados à troca de matéria. A parcela da energia transferida por forças conservativas ao longo de uma distância é medida pelo trabalho que o sistema de origem realiza sobre o sistema receptor. A parcela que não realiza trabalho durante a transferência é chamada de calor. A energia pode passar entre sistemas por mecanismos como a transmissão de energia eletromagnética por fótons, colisões que transferem energia cinética, interações de maré e condução de energia térmica.

A energia se conserva estritamente e também se conserva localmente onde pode ser definida. Na termodinâmica de sistemas fechados, a primeira lei exprime a transferência de energia pela relação abaixo.

$\Delta E=W+Q$ (1)

Nessa equação, $\Delta E$ é a variação de energia do sistema, $W$ é o trabalho realizado sobre ele ou por ele, e $Q$ é o calor que entra ou sai. Às vezes, o termo de calor $Q$ pode ser desprezado para simplificar o cálculo, sobretudo em processos rápidos que envolvem gases, que conduzem mal o calor, ou quando a eficiência térmica da transferência é alta. Nesses processos adiabáticos,

$\Delta E=W$ (2)

Essa equação simplificada é usada, por exemplo, para definir o joule.

Sistemas abertos

Os sistemas abertos também podem ganhar ou perder energia pela transferência de matéria. Por exemplo, a injeção de uma mistura de ar e combustível em um motor de automóvel aumenta sua energia sem a entrada de trabalho ou calor. Chamando essa energia de $E_{\mathrm {mat} }$, pode-se escrever:

$\Delta E=W+Q+E_{\mathrm {mat} }$ (3)

Termodinâmica

Energia interna

A energia interna é a soma de todas as formas microscópicas de energia de um sistema. É a energia necessária para criar o sistema. Ela depende da energia potencial, por exemplo, das estruturas molecular e cristalina e de outros aspectos geométricos, e do movimento das partículas, na forma de energia cinética. A termodinâmica se ocupa principalmente das variações da energia interna. Seu valor absoluto não pode ser determinado apenas pela termodinâmica.

Primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica estabelece que a energia total de um sistema e de seu ambiente sempre se conserva, embora a energia livre termodinâmica não necessariamente se conserve, e que o fluxo de calor é uma forma de transferência de energia. Para sistemas homogêneos, com temperatura e pressão bem definidas, usa-se com frequência uma consequência dessa lei. Em um sistema sujeito apenas a forças de pressão e à transferência de calor, como um cilindro cheio de gás, sem alterações químicas, a variação diferencial da energia interna é dada pela expressão abaixo, na qual um valor positivo significa ganho de energia.

$\mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V$

O primeiro termo à direita é o calor transferido para o sistema, expresso pela temperatura T e pela entropia S. Quando o sistema recebe calor, a entropia aumenta e sua variação dS é positiva. O último termo é o trabalho realizado sobre o sistema, em que P é a pressão e V é o volume. O sinal negativo decorre de a compressão exigir trabalho sobre o sistema e produzir uma variação negativa do volume, dV.

Essa equação se aplica a um caso bastante específico. Ela desconsidera as forças químicas, elétricas, nucleares e gravitacionais, além de efeitos como a advecção de formas de energia diferentes do calor e do trabalho PV. A formulação geral da primeira lei, ou conservação da energia, também vale para sistemas não homogêneos. Nesses casos, a variação da energia interna de um sistema fechado é expressa de modo geral por

$\mathrm {d} E=\delta Q+\delta W$

em que $\delta Q$ é o calor fornecido ao sistema e $\delta W$ é o trabalho realizado sobre ele.

Equipartição da energia

A energia de um oscilador harmônico mecânico, como uma massa presa a uma mola, se alterna entre cinética e potencial. Em dois pontos do ciclo de oscilação, ela é inteiramente cinética, e em outros dois é inteiramente potencial. Ao longo de um ciclo completo ou de muitos ciclos, a energia média se divide igualmente entre as formas cinética e potencial. Esse é um exemplo do princípio da equipartição, pelo qual a energia total de um sistema com muitos graus de liberdade se distribui, em média, igualmente entre todos os graus de liberdade disponíveis.

Esse princípio é fundamental para entender a entropia, uma grandeza relacionada à energia. A entropia mede a uniformidade da distribuição da energia entre as partes de um sistema. Quando um sistema isolado ganha graus de liberdade, isto é, novos estados de energia equivalentes aos já existentes, a energia total se espalha igualmente por todos eles, sem distinguir os "novos" dos "antigos". Esse resultado matemático faz parte da segunda lei da termodinâmica. Essa lei só é simples para sistemas em equilíbrio ou próximos dele. Para sistemas fora do equilíbrio, as leis que regem seu comportamento ainda são objeto de debate. Um dos princípios usados para esses sistemas é o da máxima produção de entropia. Ele estabelece que os sistemas fora do equilíbrio se comportam de modo a maximizar sua produção de entropia.

Recursos energéticos

Ver artigo principal: Fontes de energia

As fontes de energia podem ser renováveis, quando se recompõem por processos naturais em prazos curtos à escala humana, ou não renováveis, quando dependem de reservas finitas, como o petróleo, o carvão mineral, o gás natural e o urânio. A eletricidade é uma forma de energia obtida pela conversão dessas fontes e pode ser transportada até os locais de consumo.

Energia solar

Ver artigo principal: Energia solar

Os painéis fotovoltaicos convertem a radiação solar diretamente em eletricidade. Nas usinas de concentração solar, espelhos direcionam a luz para receptores, e o aquecimento produzido pode ser aproveitado na geração elétrica. Coletores solares também permitem aquecer água para uso em edifícios, sem a etapa de geração de eletricidade.

Energia elétrica

Ver artigo principal: Energia elétrica

A energia elétrica pode ser obtida de fontes renováveis ou não renováveis. Nos locais de uso, ela se transforma em outras formas de energia, como calor nos aquecedores, movimento nos motores e radiação nas lâmpadas.

Energia hidrelétrica

Ver artigo principal: Hidroeletricidade

Vista aérea da Usina Hidrelétrica de Tucuruí.

No Brasil, a abundância de rios permite aproveitar a energia da água em usinas hidrelétricas. Essa fonte forneceu mais da metade da eletricidade gerada no país em 2025. A energia potencial gravitacional da água represada em uma posição elevada se transforma em energia cinética de translação durante o escoamento e, depois, em energia cinética de rotação na turbina. Suas pás recebem o impulso da água e fazem girar o eixo. O gerador converte esse movimento de rotação em energia elétrica.

As barragens e seus reservatórios podem inundar áreas naturais e agrícolas, exigir o deslocamento de moradores e modificar o fluxo e a temperatura dos rios. Também podem dificultar a migração de peixes e alterar os ambientes aquáticos.

Combustíveis e armazenamento químico

Ver artigos principais: Combustível e Eletroquímica

Na combustão, a reação de um combustível com o oxigênio libera energia. No caso dos combustíveis fósseis, essa reação produz dióxido de carbono, um gás de efeito estufa. A biomassa pode ser queimada diretamente, como a lenha, ou transformada em biocombustíveis, como o etanol produzido a partir da cana-de-açúcar.

Pilhas e baterias convertem energia química em energia elétrica por reações eletroquímicas. Nas baterias recarregáveis, uma fonte externa de eletricidade permite inverter as reações e armazenar energia para uso posterior. Nas células a combustível, os reagentes são fornecidos de modo contínuo. Uma célula alimentada por hidrogênio e oxigênio produz eletricidade, água e calor.

Energia eólica

Ver artigo principal: Energia eólica

A energia cinética do vento pode mover embarcações à vela ou acionar moinhos para moer grãos e bombear água. Nos aerogeradores, as forças aerodinâmicas sobre as pás fazem girar um rotor conectado a um gerador, que converte parte dessa energia em eletricidade.

Energia nuclear

Ver artigo principal: Energia nuclear

Nas usinas nucleares, a fissão de núcleos atômicos libera calor. A reação em cadeia é controlada no reator, e o calor é usado para produzir vapor que aciona turbinas conectadas a geradores elétricos.

Em dezembro de 1938, Otto Hahn e Fritz Strassmann encontraram bário entre os produtos do bombardeamento de urânio com nêutrons. Lise Meitner e Otto Frisch explicaram o resultado pela divisão do núcleo de urânio e calcularam a energia liberada. O primeiro teste de uma arma nuclear, Trinity, ocorreu em 16 de julho de 1945.

Ver também

• Combustão, reação que libera energia química, geralmente na forma de calor e luz.
• Eficiência energética, aproveitamento da energia para obter um resultado com menor consumo.
• Usina elétrica, instalação que transforma outras formas de energia em eletricidade.
• Energia sustentável, uso da energia compatível com sua disponibilidade e com as necessidades futuras.

Ligações externas

• Commons
• Wikiquote

• Differences between Heat and Thermal energy, BioCab, em inglês, arquivado em 27 de agosto de 2016.
• Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie, JEHRHE, publicado desde 2018, em inglês e francês. Versão arquivada em 13 de novembro de 2021.