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Física do ensino médio
Curso: Física do ensino médio > Unidade 3
Lição 4: Energia em escala microscópicaEnergia em escala microscópica
Essas relações são mais bem compreendidas em escala microscópica, na qual todas as diferentes manifestações de energia podem ser modeladas como uma combinação da energia associada ao movimento de partículas e da energia associada à configuração (posição relativa das partículas). Em alguns casos, a energia da posição relativa pode ser vista como a energia armazenada nos campos (a qual media as interações entre as partículas). Esse último conceito inclui a radiação, um fenômeno no qual a energia armazenada nos campos se move pelo espaço. Versão original criada por Khan Academy.
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Transcrição de vídeo
RKA12JL – Olá!
Tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma
aula de Ciências da Natureza. E, nesta aula, vamos dar uma
olhada nas várias formas de energia, tais como a energia cinética,
a energia elétrica, a energia térmica,
a energia gravitacional e a energia potencial. Mas uma das coisas mais importantes
que a gente precisa saber aqui é que, quando você começa a pensar sobre energia
em escalas menores, ou em nível microscópico, todas essas formas de energia
são basicamente duas coisas: uma é a energia cinética devida
às partículas se movendo, e a outra é a energia potencial, que é
energia armazenada por um campo, como um campo elétrico ou um campo
magnético ou um campo gravitacional. Sabendo disso, vamos começar com
um exemplo enganadoramente simples e explorar as propriedades da energia
conforme damos um zoom e ampliamos as coisas. Eu estou desenhando
um copo d'água aqui. Essa água tem
uma temperatura. Eu posso aquecer a água adicionando
energia de um fogão elétrico, por exemplo, ou resfriar a água colocando-a na geladeira,
removendo assim a energia da água líquida. A partir desse exemplo, podemos ver que a
temperatura está relacionada com a energia, não é? Mas como isso se relaciona com a
energia cinética ou a energia potencial? Bem, isso é
muito interessante! Em uma escala macroscópica, a gente pode
olhar para a energia em termos de temperatura, mas indo ao microscópico
ou à pequena escala, a gente consegue obter uma imagem
melhor da física que está em jogo. Quando olhamos para dentro desse líquido,
vemos muitas moléculas de água se movendo. Apesar de estarem se movendo,
elas não fazem nenhum som. A velocidade média com a
qual essas moléculas se movem está relacionada com a energia cinética
e com a temperatura da água. Inclusive, nós chamamos
isso de movimento térmico. Se a gente ampliar novamente, vamos observar
as fortes ligações químicas dentro das moléculas. Aqui, temos os átomos individuais, que, nesse
caso, para a água é o hidrogênio e o oxigênio. Esses átomos podem vibrar para frente,
para trás e também sofrer uma rotação. Ao fazer isso, eles
possuem energia cinética. Vamos ver outro exemplo entre as interações
de energia em macro e microescala. Quando você queima alguma coisa
(pense em um incêndio, por exemplo), nós temos uma reação química
ocorrendo e liberando muita energia. Como isso ocorre? Vamos examinar em uma
escala microscópica para descobrir. Neste exemplo, eu vou
queimar o gás metano. E a reação química que ocorre
entre o metano (CH₄) e o oxigênio (O₂), eles se reorganizam para criar água (H₂O)
e dióxido de carbono (CO₂) mais energia. Antes da reação, temos uma energia
potencial química maior do que depois, mas não se preocupe, a
energia ainda é conservada, porque essa energia potencial é
convertida em energia cinética e radiação. Qual é a fonte de
energia potencial química? Nesse nível, podemos pensar em ligações
individuais entre átomos que armazenam energia para que a energia possa
ser absorvida ou liberada à medida que as ligações
são quebradas e refeitas. Mas de onde vem a energia
e as ligações químicas? Bem, precisamos
ampliar novamente aqui. Em um único átomo existe um núcleo
que contém prótons e nêutrons, que em geral tem uma carga positiva,
e isso cria um campo eletromagnético. A interação de outras
partículas carregadas, como elétrons com carga negativa
relativamente longe do núcleo, com esse campo
fornecem energia potencial. Você pode pensar nessa
energia potencial elétrica com o mesmo tipo de conceito de uma energia
potencial de massa e um campo gravitacional. Falando em relação
às moléculas, cada uma delas tem sua própria configuração
particular de partículas carregadas dentro dos campos
eletromagnéticos, certo? Isso significa que tem uma
energia potencial associada. Como vimos, essa energia potencial química é
o resultado da energia armazenada nos campos. Ok, então cobrimos os tipos de
energia elétrica, química e térmica, mas existem outras
formas por aí, não é? Por exemplo, as
ondas sonoras. Aqui, está um
alto-falante e um ouvido. A energia das ondas sonoras é
transferida por meio das vibrações, ou movimento de vai e vem
das moléculas no ar. Outro exemplo poderia ser
a energia potencial elástica, ou a energia armazenada
em uma mola. No nível microscópico,
conforme você estica a mola, os átomos são puxados para fora de sua
posição de equilíbrio dentro de um sólido, e assim ganham energia potencial da força
eletromagnética que mantém o sólido unido. Isso tudo é muito
legal, não é? Podemos descrever todas essas energias
apenas como cinéticas ou potenciais. Mas há mais uma forma microscópica de
energia sobre a qual precisamos conversar e pode parecer um pouco
complicada de início. Vamos voltar ao exemplo da combustão
de que falamos anteriormente. Como eu disse antes, esse
processo libera energia radiante. Normalmente, podemos ver que objetos
em chamas brilham de forma intensa. Também percebemos que, ao colocar
a mão perto do objeto em chamas, nós sentimos
o calor radiante. Ah, não toque na chama não, tá?
Tome cuidado para não se queimar! Mas, enfim, essa radiação
emitida carrega energia com ela. Sabendo disso, como podemos
explicar a energia radiante? Ela se encaixa em uma
dessas duas categorias, energia cinética ou energia
potencial que estamos discutindo? Bem, parece que se
encaixa nas duas. A radiação eletromagnética, como a luz, pode
ser modelada de várias maneiras diferentes, que, inclusive, entraremos em mais
detalhes em outro momento. Mas uma forma de modelar a luz é como
uma onda de campos elétricos e magnéticos, ou outra forma de pensar
também a respeito da luz é que ela é composta de
partículas chamadas fótons. Nesse caso, são as partículas
que carregam a energia. Independentemente do modelo
utilizado para compreender a luz, a energia radiante pode ser explicada
pelas mesmas interações microscópicas que causam as outras
formas de energia. Em conclusão, podemos ver a
energia na escala macroscópica, como temperatura
ou luz sendo emitida, no entanto, olhando
em uma microescala, observamos que as diferentes formas
de energia que experimentamos são, na verdade, apenas o resultado da
energia cinética e potencial das partículas. Isso é muito
legal, não é? Bem, eu espero que você tenha
compreendido todas essas ideias direitinho, e, mais uma vez, eu quero deixar
aqui para você um grande abraço e dizer que encontro você
na próxima! Então, até lá!