Energia em escala microscópica

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!