Lei da conservação de energia

RKA2JV - E aí, pessoal! Tudo bem? Nesta aula, vamos falar a respeito da lei de conservação de energia, que é uma das leis mais importantes em toda a ciência. Você ficaria surpreso com o quanto o universo depende dessa lei, e ficaria assustado com a quantidade de filmes de ficção científica que poderíamos fazer baseados nela. Vamos começar lendo um texto do que geralmente você vê a respeito dessa lei de conservação de energia. Aqui temos o seguinte: a energia total de um sistema é constante. A energia não é criada nem destruída, ela só pode ser transformada de uma forma para outra ou transferida de um sistema para outro. Eu meio que sublinhei quase tudo, não é? Porque todas as partes deste texto são importantes. Mas enfim, para você entender isso, vamos relembrar os tipos de energia que já estudamos. Já estudamos a energia cinética, que é a energia de movimento dos corpos, já estudamos a energia potencial, que é uma energia armazenada nos corpos, a energia devido à posição de um objeto. E, se você combinar estes dois tipos de energia, vamos ter o que chamamos de energia mecânica. Geralmente, você estuda estes dois tipos de energia quando está estudando Física pela primeira vez. Mas claro, existem outros tipos de energia: energia térmica, energia nuclear, energia química, entre outros. Ou seja, estes dois tipos não são os únicos. Quando falamos a respeito de lei de conservação de energia, estamos dizendo, por exemplo, que a energia cinética pode ser transformada em energia química. Mas, neste vídeo, não vamos falar a respeito de outros tipos de energia. Então, para começar, vamos pensar em como essa energia mecânica pode ser conservada. E claro, vamos tentar criar alguns cenários para tentar desafiar essa lei e tentar explicar o que está acontecendo de fato. Então, digamos que você queira desafiar essa lei. Para isso, você começa criando um sistema que chamamos de bola terrestre, ou um sistema entre a Terra e a bola. Claro, você ainda não está lidando com a lei de conservação de energia, e é importante assumir que este seja um sistema isolado. Ou seja, não está interagindo com sistemas externos como o Sol, resistência do ar ou outro tipo de sistema. Então, você tem o chão aqui, e a bola está aqui em cima. Quando essa bola está parada, estamos assumindo que não tem resistência do ar em volta. Com isso, neste momento, temos energia potencial. Então, tudo aqui é energia potencial. Energia potencial gravitacional, então, Epg. Neste ponto, não há energia cinética. Se pensarmos em um sistema mais amplo, como o sistema solar ou algo parecido, a Terra está orbitando ao redor do Sol e o Sol está orbitando ao redor do centro da galáxia. Por isso, estamos especificando que é um sistema bola da Terra. Mas o acontece se eu largar essa bola? Qual é o tipo de energia quando a bola toca aqui? E claro, eu estou assumindo que ela vai atingir o solo e não quicar de forma alguma, porque isso complicaria um pouco as coisas. Nessa situação, você não tem mais energia potencial gravitacional. Mas em compensação, assim que toca o chão, não quando está parado, vai ter muita energia cinética. Então, tudo aqui é energia cinética. O que vemos nesta parte é que toda a energia potencial foi transformada em energia cinética quando toca o solo. E depois disso, o que acontece? Se a bola não quicar e ficar parada, parece que não temos mais energia. Ou seja, parece que a energia foi destruída, correto? A minha pergunta é: onde foi parar essa energia? Eu sugiro que você pause o vídeo e pense a respeito disso. Vamos lá, então. Pode ser que você diga que, uma vez que a bola esteja em repouso, talvez essa lei de conservação de energia pode não estar sempre certa. E é interessante que você seja sempre cético, que questione as coisas. Mas, neste caso, será que a energia foi perdida de fato? Na verdade, não. Ela se transformou em calor. Ou seja, a energia cinética foi convertida em energia térmica. Portanto, a bola e o solo vão ficar mais quentes, porque a energia cinética, assim que tocar o solo, vai ser transformada em energia térmica. Então, de novo, não desafiamos a lei de conservação de energia. Outra coisa que você pode dizer é: imagine um cenário que tenha a resistência do ar. Com isso, você tem um monte de partículas de ar aqui. Sabemos que, quando a bola cai, ela atravessa o ar, que vai oferecer uma resistência. Isso faz com que a bola desça de forma mais lenta. Com isso, talvez ela não tenha tanta energia cinética quando chega aqui. De novo, parece que a energia foi destruída. Mas não, não foi. O que acontece é que, conforme a bola cai, ela vai aquecendo o ar ao seu redor. Essa resistência do ar é uma força dissipativa. Isso vai gerar energia térmica. E se quisermos colocar isso em termos matemáticos? Pela lei de conservação de energia, sabemos que a energia cinética inicial mais a energia potencial inicial é igual à energia cinética final mais a energia potencial final. E existem outras maneiras de escrever isso. A primeira é que a variação da energia cinética mais a variação da energia potencial tem que ser igual a zero. Isso, assumindo que não temos forças dissipativas e também assumindo que não estamos transformando em outros tipos de energia, ou seja, em energia química, em energia térmica ou outro tipo. E se você quisesse incluir forças dissipativas? Elas fazem um trabalho não conservador, ou seja, um trabalho negativo, porque estão agindo sempre no sentido contrário ao do movimento. Por isso, podemos reescrever esta igualdade como: a energia cinética inicial, mais a energia potencial inicial, mais a força dissipativa, que, neste caso, é a resistência do ar e seria negativa aqui, se estivéssemos falando a respeito de atrito. Isto vai ser igual à energia cinética final, mais a energia potencial final, e poderíamos também colocar o trabalho das forças dissipativas, que, neste caso, seria a resistência do ar. E também podemos escrever isto como variação, colocando a variação da energia cinética mais a variação da energia potencial, que é igual ao trabalho das forças dissipativas. E, quando estamos falando de atrito, isto aqui é negativo. Outra maneira de pensar nisso é que poderíamos ter colocado a energia térmica, também. Ou seja, poderíamos colocar: a variação de energia cinética, mais a variação de energia potencial, mais a variação de energia térmica, vai ser igual a zero. Você também pode incluir o trabalho dessas forças dissipativas. Imagine um cenário onde toda a sua variação de energia seja negativa. Você não está desafiando a lei de conservação de energia. Ou seja, a sua energia não foi destruída. O que acontece é que você teve um trabalho negativo feito pelas forças dissipativas. Mas para onde foi essa energia? Foi convertida em energia térmica. Então, vamos fazer mais alguns exemplos para entender isso melhor. Vamos fazer aqui um sistema de pêndulo terrestre. Eu tenho uma torre com um pêndulo bem aqui. O ponto mais baixo que esse pêndulo pode assumir é aqui, e depois vai para o ponto mais alto. Vamos dizer que a medida entre este ponto e o centro da bola seja a altura, que vamos chamar de "h". Este aqui vai ser o ponto mais alto que o pêndulo vai chegar. Aqui temos energia potencial máxima, mas não temos energia cinética. Ou seja, o pêndulo vai ficar parado por um breve momento, mas aí ele vai voltar e vai chegar bem aqui. Toda a energia potencial vai ser convertida em energia cinética. E claro, estamos assumindo que não temos forças dissipativas, como atrito ou resistência do ar. Toda a energia cinética é convertida de volta em energia potencial. Outro exemplo que poderíamos ver, e que complicaria um pouco mais isso, é pensar em um sistema bola-elástico. Ou seja, aqui temos a nossa mola, temos uma bola que começa parada aqui, e, neste momento, temos energia potencial: energia potencial gravitacional. Tudo energia potencial gravitacional. E, supondo que não há resistência do ar, se soltarmos a bola aqui, um pouco antes de tocar a mola, quando temos uma velocidade máxima, vamos ter tudo energia cinética. Mas a mola vai comprimir e, assumindo que nenhuma energia térmica seja gerada, deixando claro que, em um mundo real, sempre terá energia térmica, mas, se a mola for comprimida e, em algum momento, a bola estiver aqui, você tem parte dessa energia convertida em energia potencial elástica. Isso porque ela vai se recuperar e vai ser convertida de volta em energia cinética ou energia potencial gravitacional. Eu espero que esta aula tenha lhes ajudado, e até a próxima, pessoal!