Unidade 6 Energia

Fotografia. Vista aérea de uma usina hidrelétrica. Acima e à esquerda, uma grande barreira retém um grande reservatório de água. Mais acima e ao fundo, vegetação. Abaixo e ao centro, seis grandes tubos brancos descem da grande barreira até uma plataforma fechada. Dessa plataforma há seis pequenas quedas de água em um rio.
Vista aérea da Usina Hidrelétrica de Xingó, construída no rio São Francisco. (Piranhas, a éle, 2019.)

Energia em movimento

As imagens mostram duas fórmas diferentes de geração de energia elétrica. Nas usinas hidrelétricas, responsáveis pela maior parte da energia gerada no Brasil, a energia da água represada é utilizada para gerar energia elétrica. Na estrutura denominada Solar Mountain, a energia é gerada por meio de painéis que transformam a luz solar em energia elétrica. O Brasil tem grande potencial para a geração de energia utilizando a luz do Sol como fonte.

Fotografia que mostra uma grande construção com curvas, com variações de altitude e profundidade, composta por muitas placas retangulares escuras e sustentada por torres. À frente, vegetação gramada.
A Solar Mountain é formada por 728 painéis solares com produção diária de energia de aproximadamente 873 quilouótis hora. A obra de arte foi criada por uma empresa de arquitetura de Mumbai (Índia). (Nevada, Estados Unidos, 2020.)

Começando a Unidade

  1. Quais tipos de energia você conhece?
  2. Onde é gerada a energia elétrica que utilizamos em nossas moradias?
  3. Na sua opinião, quais são as diferenças entre a fórma de geração de energia que utiliza a água armazenada em reservatórios e a produzida por meio da energia solar?
  4. Quais são os impactos que a geração de energia elétrica pode causar nos ambientes?

Por que estudar esta Unidade?

Nesta Unidade você vai estudar aspectos diversos relacionados à energia, como fórmas, fontes, transformações, geração e aplicações, podendo entender como ela está presente no cotidiano e refletir criticamente sôbre o assunto. dêsse modo, você terá a oportunidade de compreender as relações do ser humano com as variadas fórmas de energia e terá embasamento para tomar decisões conscientes sôbre a geração e o consumo de energia considerando os impactos sociais e ambientais dessas atividades.

TEMA 1 fórmas e fontes de energia

Atividades cotidianas e processos naturais envolvem transformações de energia.

As diversas fórmas de energia

Você já parou para pensar o que é e de onde vem a energia que utilizamos para aquecer a água do chuveiro e manter uma geladeira em funcionamento? Afinal, o que é energia?

Energia é um conceito abstrato e difícil de ser definido, mas, de maneira bem simplificada, podemos dizer que energia é o que possibilita a realização de uma ação. A energia está associada, por exemplo, à manutenção da vida, ao movimento, ao som e à luz. No Sistema Internacional de Unidades (ésse Í), a energia é medida em jáulis (jóta); porém, a unidade mais conhecida e utilizada no cotidiano é a caloria ().

No esquema a seguir são apresentados valores aproximados da quantidade de energia, em jáulis, associada a diversos eventos.

Clique no play e acompanhe a reprodução do Áudio.

Transcrição do áudio

[Narradora]: [Título] Energia em todo lugar!

[Som de vento]

[Nando]: Que ventania, tia! Posso fechar a janela?

[Tia]: Pode sim, Nando. Esse vento vai ajudar a secar a roupa que está no varal.

[Som de janela fechando]

[Nando]: Mas não é o calor do Sol que faz a roupa secar?

[Tia]: Tanto a energia do Sol como a energia do vento ajudam que é uma beleza.

[Nando]: Energia? Energia não é só aquilo que vem daquelas grandes usinas e chega à tomada de casa?

[Tia]: [Tom enfático] Não, Nando. A energia está presente na nossa vida o tempo inteiro, nos movimentos, no calor, na emissão de luz e sons, e por aí vai.

[Nando]: [Tom pensativo] Hum... E essas diferentes formas de energia provocam transformações, certo? Por exemplo, o calor do Sol faz a roupa secar.

[Tia]: Quando a energia luminosa do Sol encontra a água na roupa, converte-se em energia térmica que se transfere pelo tecido, gerando calor, e isso faz a água evaporar.

[Nando]: E a energia luminosa do Sol também é usada em usinas?

[Tia]: Sim! Nas usinas de energia solar, os painéis fotovoltaicos captam a luz do Sol e a transformam em energia elétrica. Ah, e, além disso, a energia luminosa do Sol também nos permite enxergar as coisas que estão à nossa volta.

[Nando]: E a energia do vento, tia? Como ela seca as roupas?

[Tia]: [Tom explicativo] A energia do vento é energia cinética e ela é gerada pelo movimento do ar. O deslocamento do ar faz com que ele se choque com a água presente nos tecidos, retirando-a deles. Com isso, o tecido vai secando aos poucos. É com esse mesmo tipo de energia que você e seus amigos conseguem empinar pipas.

[Nando]: [Entusiasmado] Que legal! Existem também usinas de eletricidade que usam o vento?

[Tia]: Sim, são as usinas eólicas. A força do vento faz as pás das turbinas eólicas girarem, e esse movimento é convertido em energia elétrica.

[Som de despertador]

[Tia]: Você ouviu? O despertador tocou. Isso quer dizer que nosso bolo ficou pronto! Vou tirar do forno.

[Nando]: Só falta a senhora me dizer que no som do despertador também tem energia...

[Tia]: E não é que tem mesmo? Os sons nada mais são do que ondas que se propagam pelo ar. Essas ondas são geradas por energia mecânica e se propagam com energia cinética.

[Nando]: E também por que o despertador funciona com a energia elétrica fornecida pelas pilhas, né?

[Tia]: Exatamente, Nando! [Entusiasmada] Olha que lindo ficou o bolo!

[Nando]: Além de lindo, ficou com um cheiro muito bom... Quando a senhora pôs a massa no forno, ela estava com outro tamanho, outra cor e até com outra textura.

[Tia]: Sim, o fogo do forno gerou energia térmica, que transformou aquela massa pálida e pastosa neste bolo douradinho.

[Nando]: A energia térmica também é usada nas usinas, não é, tia?

É, sim. Nas usinas termelétricas, por exemplo. [Tom explicativo] Nesse tipo de usina, o calor da queima de combustíveis aquece a água em uma caldeira e gera vapor. Esse vapor faz girar as pás das turbinas, que movimentam um gerador, produzindo eletricidade.

[Tia]: Agora, vamos lavar as mãos para comer o bolo?

[Nando]: [Animado] Oba! Vamos!

[Som de água corrente]

[Nando]: Tia, o que faz a água sair da torneira também é energia?

[Tia]: Sim, Nando. Essa água estava lá na caixa-d’água. Como estava em um lugar mais alto, com a força da gravidade agindo para baixo, ela tinha energia potencial. Quando você abriu a torneira, essa energia se transformou em energia cinética, por conta do movimento, trazendo a água até a sua mão. Você imagina onde esse tipo de energia é usado para gerar energia elétrica?

[Nando]: [Tom pensativo] Hum... em usinas hidrelétricas!

[Tia]: Isso mesmo! A água represada tem energia potencial que se transforma em energia cinética ao descer dos reservatórios. A passagem da água faz as turbinas das usinas girarem. Assim, a energia produzida com essa movimentação é transformada, por geradores, em energia elétrica.

[Tia]: Posso servir o bolo?

[Nando]: Pode sim, tia. Mais tarde, vou jogar bola e preciso estar cheio de energia. As calorias desse bolo vão me ajudar bastante!

[Tia]: Então o pedaço maior vai para você!

[Risos dos dois personagens]

[Crédito] Todos os áudios inseridos nesse neste conteúdo são da Freesound.

A ordem de grandeza da energia

Esquema que mostra uma linha com numeração na parte superior e ilustrações na parte inferior. 10 elevado a menos 3: Voo de uma abelha. Ilustração de uma abelha. 10 elevado a menos 1: Digitar. Ilustração de duas mãos digitando no teclado de um notebook. 10 ao cubo: Dose mortal de raio X. Ilustração que mostra um raio x do tronco de um ser humano com costelas à mostra. 10 elevado a 5: Consumo diário do corpo humano. Ilustração de um menino branco com óculos segurando e olhando para um livro que está aberto. 10 elevado a 7: Caminhão em movimento. Ilustração de um caminhão azul. 10 elevado a 11: Lançamento de um foguete. Ilustração de um foguete branco com fogo na parte inferior. 10 elevado a 15: Furacão. Ilustração de uma casa sendo destruída pelo vento e por ondas de água. 10 elevado a 17: Bomba nuclear. Ilustração de uma explosão com formato de cogumelo, fumaça amarela na parte inferior e fumaça laranja na parte inferior. 10 elevado a 21: Terremoto. Ilustração de um prédio com muitas rachaduras. 10 elevado a 25: Energia solar que chega à Terra em um ano. Setas onduladas amarelas saem do Sol e vão em direção ao planeta Terra. 10 elevado a 29: Rotação da Terra. Ilustração do Planeta Terra com uma haste no meio e, na parte superior, uma seta indicando o sentido anti-horário. 10 elevado a 33: Translação da Terra: uma linha circular pontilhada, na qual está o planeta Terra, e o Sol ao centro. 10 elevado a 35: Produção anual do sol. Ilustração do Sol. 10 elevado a 41: Explosão de uma supernova. Uma explosão com o centro branco envolta por ondas amarelas e, mais externamente, vermelhas.
Quantidade aproximada de energia (em jáulis) associada a alguns eventos. (Imagens sem escala; cores-fantasia.)

Fonte: Uílson, M. e outros A energia. Rio de Janeiro: José Olympio, 1968. (Coleção Biblioteca Científica Life).

A energia, nas suas mais variadas fórmas, está presente em qualquer atividade humana e em qualquer transformação que ocorre na natureza.

Entre as diferentes fórmas de energia, podemos citar: energia cinética, energia potencial gravitacional, energia térmica, energia elétrica, energia luminosa e energia nuclear. É importante saber que uma fórma de energia pode ser transformada em outra e que a energia total de um sistema se conserva.

Energia cinética

Nas competições de tiro com arco (conhecido popularmente como arco e flecha), o atleta dispara uma flecha em direção ao alvo. Imagine essa flecha deslocando-se pelo ar e atingindo o centro do alvo, marcando-o com um pequeno buraco.

Podemos dizer que há energia associada a essa flecha, pois ela realizou uma ação: deslocou-se através do ar e perfurou o alvo. Toda energia associada ao movimento de um corpo recebe o nome de energia cinética.

Fotografia que mostra um homem branco de bigode segurando um arco apontado para a frente. À frente, uma flecha disparada em pleno voo.
Enquanto a flecha está em movimento, há energia cinética associada a ela. O atleta brasileiro Marcus DAlmeida compete durante os Jogos Olímpicos de Tóquio 2020. (Tóquio, Japão, 2021.)

Dois fatores determinam a quantidade de energia cinética de um corpo em movimento. O primeiro é a massa: quanto maior for a massa, maior será a energia cinética associada a esse corpo que está em movimento. O segundo fator é a velocidade na qual o corpo se move: quanto mais rápido, maior será a energia cinética. Para o cálculo da energia cinética (ê) de um corpo, utiliza-se a expressão que relaciona sua massa (ême) e sua velocidade ():

Energia cinética é igual a massa multiplicado por velocidade ao quadrado sobre 2.

Saiba mais!

ENERGIA E VELOCIDADE

O guepardo ( ) é um animal que se destaca por atingir uma velocidade aproximada de 32 métros por segundo (ou 115 quilômetros por hora). Isso ocorre porque o formato do seu corpo e suas fortes unhas afiadas trazem muitas vantagens (entre elas a aerodinâmica e a aderência) a esse felino, que habita as savanas africanas.

Uma energia cinética de cêrca de 31 kilojaulespode estar associada ao movimento de um guepardo adulto de cêrca de 60 quilogramas. Para efeito de comparação, uma motocicleta de massa 200 quilogramas, percorrendo um trecho com velocidade de 10 métros por segundo (ou 36 quilômetros por hora), tem energia cinética associada da ordem de 10 kilojaules.

Fotografia. Um guepardo. Felino com corpo amarronzado e manchas pretas. Possui cauda longa e está correndo, com as pernas frontais para trás do corpo e as pernas traseiras para a frente. No canto superior direito, pequena ilustração do guepardo, com a indicação de 131 centímetros de comprimento.
O guepardo é um dos animais terrestres mais velozes do planeta.

Energia potencial gravitacional

Considere a rocha mostrada na fotografia a seguir. Na situação apresentada, ela não tem energia cinética, mas possui energia potencial gravitacional armazenada. Isso porque ela se encontra parada a determinada distância do solo.

Todos os corpos na Terra estão sob a ação da gravidade do planeta. Assim, podemos associar certa quantidade de energia potencial gravitacional (ê) a qualquer corpo que se encontre a determinada altura em relação ao solo. Essa quantidade depende da massa (ême) do objeto, da sua altura em relação ao solo (agá) e da aceleração da gravidade (). Essas grandezas são relacionadas pela expressão:

Energia potencial gravitacional é igual a massa multiplicado por aceleração da gravidade multiplicado por altura em relação ao solo.

Assim, quanto maior for a altura de um corpo em relação ao solo e quanto maior for a sua massa, maior será a energia potencial gravitacional associada a ele. Vamos calcular, como exemplo, a energia potencial gravitacional de um coco de 1,5 quilograma prestes a cair de um coqueiro, a 8 m do chão (considerando = 10 métro por segundo ao quadrado):

Energia potencial gravitacional é igual a 1,5 quilogramas multiplicado por 10 metros por segundo ao quadrado multiplicado por 8 metros, que é igual a 120 quilogramas multiplicado por metro ao quadrado sobre segundo ao quadrado, que é igual a 120 joules.

Note que:

1 joule é igual a 1 quilograma multiplicado por metro quadrado sobre segundo ao quadrado.

Essa fórma de energia é chamada potencial porque se trata de uma energia armazenada que pode ser transformada em outros tipos de energia a qualquer momento. Se a rocha mostrada na fotografia começar a cair, a energia potencial armazenada devido à altura transforma-se em energia cinética ao longo da queda.

Fotografia. Uma pedra arredondada na beira de em um penhasco. Acima da pedra, uma torre ornamentada com formato cônico. À direita da torre, diversas pessoas em pé, algumas com as mãos na pedra.
sôbre essa formação, conhecida como Rocha Dourada, fica o templo budista (ou pagode) de . Embora esteja nessa posição há milhares de anos, a rocha parece estar prestes a cair. (Mianmar, 2017.)

Energia térmica

Se deixarmos alguns cubos de gêlo fóra da geladeira, por algum tempo, podemos perceber que ocorre uma transformação física – a mudança da fase sólida para a líquida.

Essa transformação se deve à transferência de energia (calor) do ambiente para o gêlo. Isso aumenta o grau de agitação das suas partículas, fazendo com que o gêlo comece a se fundir até se transformar em água líquida. Se aquecermos a água líquida, em determinada temperatura, ocorre mudança de estado físico formando vapor de água – nesse estado físico, o grau de agitação das partículas é bastante elevado, sendo maior que o encontrado no estado líquido que, por sua vez, é maior do que no estado sólido.

É a energia térmica que está associada ao movimento (grau de agitação) das partículas que compõem os corpos. Quanto maior for o grau de agitação das partículas, maior será a quantidade de energia térmica presente no corpo. Associamos o aumento da agitação das partículas de um corpo ao aumento de sua temperatura ou à mudança de estado físico.

Energia elétrica

É a energia elétrica que permite o funcionamento de aparelhos como máquina de lavar, videogame, televisão, ferro de passar etcéteraA maior parte da energia elétrica utilizada no Brasil é obtida em usinas hidrelétricas por meio da conversão de energia cinética em energia elétrica. Em pilhas e baterias, a energia elétrica é proveniente de transformações químicas que ocorrem dentro dêsses dispositivos.

Com o desenvolvimento dos estudos da eletricidade, descobriu-se que partículas da matéria poderiam fazer com que ela atraísse ou repelisse certos materiais. Essas partículas são constituintes da matéria dotados de carga elétrica, entre as quais podemos citar os elétrons.

A movimentação ordenada e contínua de portadores de carga elétrica entre pontos com diferentes níveis de energia potencial elétrica produz corrente elétrica. Alguns materiais, como os metais, permitem que esse movimento ocorra com mais facilidade e são denominados condutores elétricos. Outros, como o ar, dificultam essa movimentação e são denominados maus condutores elétricos ou isolantes elétricos.

Fotografia que mostra nuvens e um raio no céu durante a noite. Abaixo, muitos prédios iluminados.
O raio é uma transferência de carga elétrica entre a atmosfera e o solo ou entre diferentes regiões da atmosfera que ocorre quando a capacidade isolante do ar é ultrapassada. (Londrina, PR, 2019.)

Energia luminosa

As partículas que compõem o Sol passam por diversas transformações que dão origem à energia luminosa. A energia que o planeta recebe do Sol torna possível a ocorrência de diversos eventos na Terra, como a formação dos ventos, o ciclo da água e a realização de fotossíntese pelas plantas. A energia luminosa do Sol pode se propagar pelo espaço, percorrendo cêrca de 150 milhões de quilômetros para chegar até a Terra.

A energia luminosa não está associada apenas às estrelas. As luzes artificiais que utilizamos nos mais diversos ambientes também possuem energia luminosa associada.

Fotografia que mostra o Sol. Ele tem formato redondo, cor avermelhada com algumas regiões amarelas e camada vermelha difusa ao redor.
As transformações que ocorrem na superfície solar geram 3,5 · 1027 jáules de energia por segundo, aproximadamente. Estima-se que cêrca de 1,7 · 1017 jáules cheguem à atmosfera da Terra. Imagem do Sol obtida pela espaçonave Soho (2002).

Energia nuclear

As transformações que ocorrem no núcleo de certos átomosglossário liberam enormes quantidades de energia. A energia associada a essas transformações é chamada energia nuclear e pode ser utilizada para obter energia elétrica nas chamadas usinas nucleares. As bombas atômicas e as estrelas – como o Sol – também dependem da conversão de energia nuclear em outras fórmas de energia.

Outras fórmas de energia

A energia associada às partículas que formam a matéria é conhecida como energia potencial química. Ela está armazenada, por exemplo, nos alimentos e nos combustíveis necessários para que um automóvel se movimente.

Materiais que apresentam elasticidade armazenam energia potencial elástica. Uma mola, por exemplo, armazena energia potencial elástica depois de ser esticada ou comprimida. O mesmo ocorre quando o atleta do tiro com arco puxa a flecha para trás, antes que ela se movimente, como estudamos no tópico sôbre energia cinética.

A energia sonora é a fórma de energia associada às vibrações da matéria que conhecemos como sons, os quais percebemos por meio da audição.

Fotografia A. Construções retangulares e cilíndricas em meio a vegetação, próximo ao mar. Há montanhas ao fundo.
Fotografia B. Vista de baixo. À esquerda, uma pessoa presa a uma corda, pulando de um penhasco. Ela está com os braços abertos.
(A) Usinas nucleares que compõem a Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto. (Angra dos Reis, Rio de Janeiro, 2019.) (B) A corda que segura o saltador de bungee jump armazena energia potencial elástica.

Fontes de energia

As diversas fórmas de energia estão associadas a diferentes fontes de energia. Para o lançamento da flecha, o atleta emprega sua fôrça muscular como fonte de energia. Já a energia luminosa que permite a manutenção da vida na Terra tem um recurso natural como fonte: o Sol.

Os recursos naturais que são usados como fontes de energia podem ser classificados em não renováveis e renováveis.

Os recursos energéticos considerados não renováveis são aqueles que levam milhões de anos para serem formados. A retirada dêsses recursos da natureza ocasionará seu esgotamento. São exemplos dêsse tipo de fonte de energia os combustíveis fósseis, como o carvão mineral, o gás natural e o petróleo. A utilização dos combustíveis fósseis como fonte energética está associada à liberação de grande quantidade de gases na atmosfera, causando problemas ambientais, como o aumento do efeito estufa. No entanto, como você pode notar pelo gráfico, os combustíveis fósseis ainda constituem a principal fonte de energia no mundo.

Participação das fontes energéticas no fornecimento mundial de energia em 2019

Gráfico de setores. No centro, ilustração de um plugue de tomada. Ao redor os dados: Carvão mineral: 26,8%. Petróleo: 30,9%. Gás natural: 23,2%. Nuclear: 5,0%. Água: 2,5%. Biocombustíveis e resíduos: 9,4%. Outras: 2,2%.

Fonte: AGÊNCIA INTERNACIONAL DE ENERGIA. Disponível em: https://oeds.link/8fBwD6. Acesso em: 19 julho 2022.

São considerados recursos energéticos renováveis aqueles que não se esgotam com o uso. São exemplos dêsse tipo de fonte energética a fôrça dos ventos (energia eólica) e da água (energia hidráulica ou hídrica), o calor do Sol (energia solar) e a biomassa (energia obtida de materiais de origem vegetal, como a cana-de-açúcar).

Fotografia. Em um local com chão de terra batida, um instrumento horizontal de madeira, com um reservatório em uma das extremidades onde cai água corrente de um cano horizontal mais alto. Na extremidade oposta do instrumento há um tijolo preso por cima e, por baixo, uma pequena tora de madeira que está apoiada em uma cuba cheia de grãos no chão. O centro do instrumento está preso por um eixo, formando uma espécie de gangorra.
O monjolo é uma máquina que utiliza energia hidráulica para seu funcionamento. Uma de suas funções é socar e triturar grãos. (Goiânia, Goiás, 2013.)

De ôlho no tema

  1. Pense em uma de suas principais atividades diárias. Qual é o tipo de energia necessário para realizá-la? Indique uma fonte de energia possível para o exemplo escolhido.
  2. Analise a expressão matemática que permite calcular a energia cinética de um corpo. Qual dos dois fatores exerce maior efeito sôbre a energia cinética, a massa ou a velocidade?

TEMA 2 Transformações de energia

A energia não pode ser criada ou destruída, ela é sempre transformada.

Transformação e conservação de energia

No dia a dia em uma moradia são utilizados equipamentos que necessitam de energia elétrica para funcionar e que transformam essa energia em energia sonora, luminosa, cinética, entre outras. Acompanhe o esquema a seguir.

Transformações de energia elétrica em outras fórmas

Ilustração. Energia elétrica se relaciona a liquidificador, ferro de passar e televisão. Liquidificador: Energia cinética  rotação das pás; Energia térmica  aquecimento do motor. Ilustração de um liquidificador, eletrodoméstico que tem um motor quadrado na parte inferior e um copo na parte superior. Ferro de passar: Energia térmica  aquecimento da resistência, um dispositivo no qual ocorre a transformação da energia. Ilustração de um ferro de passar, eletrodoméstico com alça e botões na parte superior e plano na parte inferior. Televisão: Energia luminosa  imagem. Energia sonora  áudio. Energia térmica  aquecimento dos componentes eletrônicos e da tela. Ilustração de uma TV.
Algumas transformações de energia elétrica que ocorrem nos equipamentos domésticos. (Imagens sem escala; cores-fantasia.)

Nos três equipamentos ilustrados no esquema ocorre a transformação de energia elétrica em outras fórmas de energia. Durante essa transformação, não há destruição ou criação de energia; ou seja, ela é conservada. Esse fato, constatado por diferentes cientistas em meados do século dezenove, é conhecido como a lei da conservação da energia e é um dos princípios fundamentais da Física.

Entrando na rede

Na página da pê agá ê tê simulações interativas, disponível em: https://oeds.link/cC3HnE, você encontra um simulador que mostra diferentes tipos de transformação de energia. E em https://oeds.link/zMkxbJ está disponível um simulador que apresenta as transformações de energia envolvidas em uma pista de skate.

Acessos em: 19 julho 2022.

Vamos analisar o que ocorre com a energia associada a um foguete lançado para colocar um satélite em órbita. Esse exemplo é uma versão simplificada, em que o lançamento é dividido em quatro estágios.

Estágio 1: inicialmente, toda a energia necessária que será utilizada para o lançamento do foguete está armazenada no combustível como energia química. O combustível fica acondicionado em dois módulos, que, quando vazios, são separados do restante do foguete.

Estágio 2: durante a primeira parte da subida, ocorre a queima do combustível do primeiro módulo. Parte da energia química é transformada em energia térmica, liberando calor para o ambiente, e em energia cinética, associada ao movimento do foguete para cima. À medida que o foguete ganha altitude, uma parcela da energia é transformada em energia potencial gravitacional. Ao final, o foguete libera o primeiro módulo vazio.

Estágio 3: para alcançar a altitude desejada ao colocar o satélite em órbita, o foguete inicia a queima do combustível do segundo módulo. Novamente, a energia química é transformada em cinética, térmica e potencial gravitacional. O segundo módulo é então liberado.

Estágio 4: nessa etapa, o foguete fica sob a ação exclusiva da fórça de gravidade, que o atrai novamente para a superfície. Assim, ao continuar subindo, parte da energia cinética que o foguete adquiriu é convertida em energia potencial gravitacional.

Transformações de energia em cada estágio

Quatro gráficos em coluna. Estágio 1. Há 4 unidades de energia química. Estágio 2. Há, aproximadamente, 1,6 unidade de energia química, 1,4 de energia potencial gravitacional, 0,8 de energia cinética e 0,3 de energia térmica. Estágio 3. Há, aproximadamente, 0,1 unidade de energia química; 2 de energia potencial gravitacional, 1,6 de a energia cinética e 0,5 de energia térmica. Estágio 4. Não há energia química. Há, aproximadamente, 2,5 unidades de energia potencial gravitacional, 1,2 de energia cinética e 0,5 de energia térmica.

Ao atingir a altitude desejada, o foguete libera o satélite, que se mantém em órbita graças à sua inércia e à atração da Terra. Note que, durante todo o trajeto do foguete, a energia foi transformada de um tipo em outros, mas a quantidade total de energia sempre se manteve constante (ou seja, foi conservada). Ao somar a altura das barras do gráfico de cada estágio, o resultado das adições será sempre o mesmo.

Estágios do lançamento de um foguete

Ilustração. Trecho do planeta Terra visto do espaço com a atmosfera em azul. Estágio 1. Na Terra, um foguete está em uma base e há fogo na parte inferior. Acima, ele decola.  Estágio 2. Fora da atmosfera, dois pedaços do foguete se soltam e ainda há fogo em sua base. Estágio 3. Mais acima, outra parte do foguete se solta e não há mais fogo em sua base. Estágio 4. Muito mais alto, a parte frontal do foguete se solta e, à frente, um satélite é liberado.
Representação esquemática dos estágios do lançamento de um foguete para colocar um satélite em órbita. (Imagem sem escala; cores-fantasia.)

Fonte: ilustração elaborada com base em ARAÚJO, T. Como é o lançamento de um foguete? Superinteressante, 18 abril 2011. Disponível em: https://oeds.link/UcXvRE. Acesso em: 19 julho 2022.

De ôlho no tema

Faça um esquema indicando as transformações de energia que ocorrem quando uma impressora está sendo utilizada. (Considere a fórma mais simples de uso, como a impressão em uma única folha de papel.)

Ícone composto pela ilustração de caderno com anotações e caneta.

Atividades

TEMAS 1 E 2

REGISTRE EM SEU CADERNO

ORGANIZAR

  1. Quais são as principais fórmas de energia associadas às situações relacionadas a seguir? Sugira uma fonte de energia possível para cada caso.
    1. Jogadora de futebol chutando uma bola.
    2. Automóvel acelerando.
    3. Atleta praticando salto em altura.
    4. Bateria de um telefone celular sendo carregada.
  2. Alguns modelos de chaleira possuem um tipo de apito por onde passa o vapor de água, emitindo um som que avisa quando o líquido entra em ebulição. Liste os tipos de energia envolvidos nesse processo e explique as transformações de energia que ocorrem.

ANALISAR

3. Analise a imagem de uma roda-d'água, aparato presente em moinhos – um tipo de máquina que já foi bastante utilizada para moer grãos.

Fotografia de uma roda de madeira com placas na superfície. Cai água na parte superior dela que a faz girar e, na parte inferior, trecho de água. Ao fundo, muro de pedra.
A roda-d'água gira conforme a água cai sôbre ela.
A seguir, responda.
  1. Quais são as transformações de energia envolvidas no funcionamento da roda-d'água?
  2. Considerando seus conhecimentos sôbre energia, elabore uma explicação sôbre a relação entre a altura da queda-d'água e a velocidade de giro da roda.

4. Antes de dar início ao jôgo, um juiz de futebol lança uma moeda para cima para decidir qual time dará o pontapé inicial. Considerando desprezível a fórça de resistência do ar, responda às questões.

Ilustração. Três meninos em pé, dois brancos e um negro, representados da cintura para cima. Um deles joga uma moeda para cima e todos olham.
  1. À medida que a moeda sobe, sua energia cinética aumenta, diminui ou não se altera? Explique.
  2. E sua energia potencial gravitacional?
  3. Quando a moeda chega ao ponto mais alto da trajetória, qual é o valor de sua energia cinética?
  1. Um cubo de gêlo que derrete tem energia? O que acontece durante o derretimento?
  2. Uma motorista conduz seu carro de duas toneladas por uma rodovia a 108 quilômetros por hora quando vê um animal atravessando a pista. Para não causar um acidente, ela reduz a velocidade do veículo para 36 quilômetros por hora.
    1. Qual é o valor da energia cinética em cada velocidade?
    2. A energia cinética foi reduzida em quantas vezes?
    3. A velocidade do carro foi reduzida em quantas vezes?
    4. Explique por que a redução da energia cinética foi maior que a redução da velocidade.

COMPARTILHAR

7. Muito se tem investido, sobretudo fóra do Brasil, em reciclagem energética. Ela nada mais é que a obtenção de energia térmica e/ou elétrica por meio do aproveitamento da energia potencial química contida em resíduos, como restos de alimentos e embalagens plásticas.

Em grupo, com supervisão e aprovação do professor, realizem uma pesquisa sôbre esse conceito e, com base nela, criem uma postagem para redes sociais que deve conter uma ou mais hashtags (rréchitégui (cerquilha, sustenido)). As hashtags são parte importante da comunicação digital em nossa sociedade e funcionam como estratégia para aumentar a visibilidade de um conteúdo.

Ícone composto pela ilustração de telescópio e vidraria de laboratório.

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Obtendo a energia de uma bola a partir de medições indiretas

Ao levantar e soltar uma bola, ela cai em direção ao chão, quica e volta para o alto. Nesse fenômeno, podemos identificar a participação de, ao menos, três tipos de energia.

Nesta atividade, você e seu grupo estudarão esse fenômeno para compreender melhor as transformações de energia envolvidas. Mas antes de iniciar, levante hipóteses sôbre a altura que a bola deve atingir e a velocidade dela depois que for abandonada.

Material

  • Bola de tênis ou similar
  • Balança
  • Fita métrica
  • Fita adesiva
  • Opcional: filmadora ou celular com essa função

Procedimento

  1. Meçam a massa da bola. Se não houver uma balança disponível, obtenham uma estimativa dêsse valor com o auxílio da internet.
  2. Prendam a fita métrica em uma parede, esticada verticalmente, de maneira que a marca “0 centímetro” encoste no chão.
  3. Um integrante do grupo deve segurar a bola próximo à marca de 1 metro da fita métrica. Outro integrante deve ficar sentado no chão, de frente para a fita, para observar (e filmar, se possível) a trajetória da bola.
  4. O estudante que está segurando a bola deve soltá-la e deixá-la quicar. Com muita atenção, o estudante que está sentado deve observar a altura máxima que a bola atinge após quicar, antes de iniciar o movimento de queda novamente. Se vocês filmaram o movimento da bola, podem analisar o vídeo para saber com mais precisão a altura a que a bola chegou após o quique.

Analisar e interpretar dados

  1. Quando a bola é segurada na marca de 1 metro, quanta energia potencial gravitacional ela possui?
  2. Durante a queda, o que acontece com a energia potencial gravitacional da bola? 
  3. Quais são as transformações de energia que ocorrem do momento em que a bola toca o chão pela primeira vez até o momento em que ela sobe novamente, atingindo a altura máxima?
  4. Que altura a bola atinge após o quique? Qual é o valor da energia potencial gravitacional da bola nesse momento?
  5. Compare o valor calculado para o item anterior com a quantidade de energia potencial gravitacional que a bola possuía antes de ser solta da altura de 1 metro. Esses valores são diferentes? Por quê? Isso contraria o que você estudou sôbre conservação de energia? Justifique.
  6. Suas hipóteses iniciais foram confirmadas ou refutadas?

TEMA 3 Obtenção de energia elétrica

A energia elétrica pode ser obtida de diversas fontes por meio de conversões de energia.

Clique no play e acompanhe a reprodução do Áudio.

Transcrição do áudio

[Locutora]: [Título] Fontes de energia renovável na matriz elétrica brasileira

[Locutora]: [Animada] Olá, ouvinte! Você sabia que o Brasil é referência mundial na produção de energia elétrica obtida de fontes renováveis? Isso se deve às nossas usinas hidrelétricas, aquelas que geram energia elétrica usando a força da água de rios e represas. Atualmente, elas produzem cerca de sessenta e cinco por cento de toda a energia elétrica consumida no país.

[Locutora]: Mas, apesar de usarem a água, que é uma fonte de energia tida como renovável por ser naturalmente reposta pelo ciclo da água, as usinas hidrelétricas podem causar impactos sociais e ambientais bastante significativos.

[Locutora]: Usinas hidrelétricas são grandes obras de engenharia e, para construí-las, é necessário levantar barragens e desviar leitos de rios. Essas ações geralmente causam expressivas alterações no ambiente e nos ecossistemas locais, além de provocar o deslocamento forçado das populações que vivem nas áreas afetadas.

[Locutora]: Outro ponto negativo é que, durante os períodos de estiagem, quando há poucas chuvas, o volume de água nos rios diminui, e a capacidade das usinas hidrelétricas é prejudicada, o que pode resultar na necessidade de racionamento de energia.

[Locutora]: Nesse contexto, outras formas de geração de energia elétrica renovável vêm crescendo no Brasil nas últimas décadas, entre as quais se destacam as usinas solares e as usinas eólicas.

[Locutora]: As usinas de energia solar, como o próprio nome diz, usam a energia emitida pelo Sol. Seu funcionamento se dá com a captação da luz solar por meio de painéis de células voltaicas, que são dispositivos elétricos com grande capacidade para absorver raios solares e transformá-los em energia elétrica.

[Locutora]: Já as usinas eólicas se utilizam da força do vento para gerar energia elétrica. Os aerogeradores, que são imensas estruturas parecidas com moinhos, têm suas pás movimentadas pelo vento e acionam turbinas que transformam a energia cinética em energia elétrica.

[Locutora]: Segundo a Empresa Pública Energética, em dois mil e vinte a energia eólica representava cerca de nove por cento da energia elétrica produzida em todo o país, enquanto a solar representava aproximadamente dois por cento. E a tendência é de que a participação dessas fontes aumente cada vez mais.

[Locutora]: [Tom explicativo] Isso porque há grandes avanços tecnológicos que vêm tornando mais acessíveis e eficientes essas formas de geração de energia elétrica. No campo da energia solar, por exemplo, os estudos têm buscado novos materiais para a fabricação dos painéis fotovoltaicos. Esses novos materiais são mais eficientes e mais baratos do que o silício, matéria-prima que até então tem sido a mais utilizada na produção desses equipamentos.

[Locutora]: Na área da energia eólica, a substituição da fibra de vidro por fibra de carbono na fabricação das pás torna suas estruturas mais leves, barateando seu custo de produção e de manutenção. Além disso, o país tem forte potencial para expandir a geração de energia elétrica por meio de usinas eólicas, principalmente na região Nordeste.

[Locutora]: Diante dessa tendência e de todos os estudos que vêm sendo feitos, há um crescimento significativo da produção de energia solar e eólica no Brasil. Entre os anos de dois mil e vinte e dois mil e vinte e um, a geração de energia eólica cresceu vinte e seis por cento, e a solar, cinquenta e nove por cento. Esses avanços podem atrair maiores investimentos nessas áreas nos próximos anos, o que é uma tendência no mundo todo. O aumento do uso de fontes de energia renováveis resulta em diversos benefícios para a sociedade e para o ambiente. Entre eles estão a redução do uso de fontes de energia não renováveis, e, consequentemente, de seus impactos, e a menor necessidade de construção de novas usinas hidrelétricas.

[Locutora]: Espero que tenham gostado do conteúdo. Até a próxima!

[Crédito] O áudio inserido neste conteúdo é da Free Music Archive.

É possível obter energia elétrica utilizando diferentes fontes, como quedas de água, ventos ou mesmo matéria orgânica.

No Brasil, a obtenção de energia elétrica é geralmente associada às usinas hidrelétricas. Esse é o principal recurso, como você pode notar no gráfico a seguir, devido ao potencial hídrico do país.

Outras fórmas de obtenção de energia elétrica incluem a queima de recursos finitos, como gás natural, carvão mineral e derivados do petróleo, e de recursos renováveis, como a biomassa nas usinas termelétricas.

As usinas eólicas e as nucleares também podem ser geradoras de energia elétrica. Todas essas fontes apresentam, do ponto de vista econômico e ambiental, vantagens e desvantagens em seu uso.

Produção de energia elétrica no Brasil por fonte

Gráfico de colunas. No eixo vertical: valores em porcentagem. No eixo horizontal, fontes de energia elétrica. Cada fonte apresenta dois valores, um referente ao ano de 2019, e outro, ao de 2020. Carvão e derivados (ilustração de um carrinho com pedras dentro): 3,3% e 2,7%. Hidráulica (ilustração de uma engrenagem com água na parte inferior): 64,9% e 65,2%. Biomassa (ilustração de um vaso com planta e na parte superior, o sol com raios sobre a planta): 8,4% e 9,1%. Eólica (ilustração de um moinho de vento): 8,6% e 8,8%. Solar (ilustração de placas solares com o sol acima): 1,0% e 1,7%. Gás natural (ilustração de uma chama de fogo): 9,3% e 8,3%. Derivados de petróleo (ilustração de um porto com torre e outros aparelhos): 2,0% e 2,1%. Nuclear (ilustração de uma usina com torres, sendo que de uma delas sai fumaça e um círculo): 2,5% e 2,2%.

Fonte: EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Balanço energético nacional (bên): relatório síntese 2021: ano base 2020. Disponível em: https://oeds.link/Zc5KZu. Acesso em: 19 julho 2022.

Saiba mais!

USINA DE ONDAS

A primeira usina de ondas da América Latina foi construída no porto de Pecém, a 60 quilômetros de Fortaleza, Ceará, em 2012.

Ela foi desenvolvida por pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro com o apôio de empresas e do govêrno do Ceará. Estima-se que a conversão de apenas um quinto do potencial energético associado ao movimento do mar, considerando a extensão do litoral brasileiro, seria suficiente para suprir cêrca de 35% da demanda de eletricidade do país, com um custo ambiental pequeno.

Fotografia. Um grande braço metálico na beira do mar, com uma extremidade presa a uma estrutura em terra firme, e a outras estrutura presa a um disco flutuando sobre o mar.
Usina-piloto de ondas geradoras de energia elétrica. (São Gonçalo do Amarante, Ceará, 2012.)

Formas de obter energia elétrica

Infográfico. Usinas hidrelétricas. A energia potencial gravitacional associada ao desnível de um volume de água represado é transformada em energia cinética nas quedas de água. Ao passar pelo interior das turbinas, a água movimenta geradores, transformando energia cinética em elétrica. Desvantagens: sua construção modifica a paisagem do local e gera o alagamento de grandes áreas, alterando, assim, as relações ecológicas entre os seres vivos que nelas vivem, além de causar o deslocamento de populações ribeirinhas e de comunidades indígenas estabelecidas na região. Ilustração de um reservatório. Ele parte em direção à turbina que gira e que está mais à frente, no subsolo, abaixo do gerador. Em cima deles, acima do solo, linhas e torres de transmissão. Há um destaque para o gerador que é arredondado, com engrenagens atrás e haste que é o eixo da turbina; placas retangulares no interior que são as bobinas; no meio, um círculo que é o imã; há duas baterias na parte inferior que representa a geração de energia elétrica e no centro, uma haste que gira, é o eixo do gerador. Usinas eólicas. A energia solar aquece o ar e participa da formação dos ventos. Ao passar pelas hélices das turbinas eólicas, o vento transfere energia cinética para elas, fazendo-as girar. Esse movimento é transmitido para um gerador, que converte a energia cinética em elétrica. Desvantagens: custo elevado de instalação, além de causar poluição sonora, impactando a população local. Estão sob estudo os possíveis impactos causados no comportamento de aves de regiões onde essas usinas são instaladas. Um espaço com vários moinhos de vento, são aparelhos com haste longa, gerador e hélice na extremidade. Há torre de energia próximo a eles. Usinas nucleares. O material combustível usado nas usinas nucleares é o urânio; com ele, é possível converter energia nuclear em energia térmica. O uso do urânio permite o aquecimento da água a temperaturas superiores a 300°C, convertendo-a em vapor. Assim, o vapor de água é utilizado para girar as turbinas e, consequentemente, os geradores, que convertem a energia cinética em elétrica. Desvantagens: gera resíduos conhecidos como lixo nuclear, que devem ser corretamente armazenados em depósitos especiais. Se liberados no ambiente, causam grande impacto na saúde da população e dos demais seres vivos. À esquerda, o reator nuclear, com fluido interno, tubos e recipiente com o símbolo de perigo. Ao lado, um recipiente com o vapor que vai para a turbina e que está ligada ao gerador, ambos dentro de torres, sendo que uma delas solta fumaça, a torre de resfriamento. Abaixo, o condensador, recipiente com água que está ligada a um tubo, por onde passa água resfriada. O gerador está ligado às linhas e torres de transmissão que chegam às residências. Usinas termelétricas. A queima de combustível  em geral carvão mineral, óleo, biomassa ou gás natural  converte energia química em energia térmica, usada na vaporização da água da caldeira. Esse vapor passa por tubulações e faz girar uma turbina conectada ao gerador, que converte energia cinética em elétrica. No Brasil, geralmente, as usinas termelétricas assumem o papel das hidrelétricas quando a geração de energia elétrica fica comprometida devido ao baixo nível de água dos reservatórios. Desvantagens: a queima de combustíveis fósseis libera na atmosfera diversos componentes, entre eles gases que intensificam o efeito estufa, causando, portanto, um significativo impacto ambiental. No interior de uma construção, a caldeira, com fogo abaixo de um recipiente com água e vapor que sobre passando por um tubo e descendo para o condensador. Acima estão as turbinas, ligadas ao gerador que está ligado às linhas e torres de transmissão.

(Imagens sem escala; cores-fantasia.) Fontes consultadas: EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Fontes de energia. Disponível em: https://oeds.link/7ZmxWC; násland-héidli e outros Topic 2: Energize! Inter-American Development Bank, 2016. Disponível em: https://oeds.link/rwRLUB. Acessos em: 19 julho 2022.

O uso da energia solar

A geração de energia elétrica por meio da captação da energia solar vem crescendo nos últimos anos – tanto em termos de pesquisa e desenvolvimento quanto em quantidade de usinas em funcionamento.

Em geral, as usinas nas quais essa transformação é feita são compostas de espelhos móveis espalhados por uma grande área. Esses espelhos refletem os raios solares em direção ao topo de uma torre, onde se localiza uma caldeira com água ou outro fluido. O aquecimento da água a converte em vapor, que circula por tubulações e aciona uma turbina ligada a um gerador, produzindo eletricidade.

Uma das principais desvantagens dêsse tipo de geração de energia é o alto custo inicial para a instalação da usina e o início das operações.

Uso da energia solar

Esquema. À esquerda, raios solares atingem placas retangulares que estão no chão, os espelhos. Os raios solares são refletidos na caldeira, placa retangular que fica na parte superior de uma torre alta. Da caldeira partem tubos para reservatórios. O vapor desce por um dos tubos, chegando a um reservatório superior; a água que está no reservatório inferior sobe pelo tubo em direção à caldeira. Há outros tubos que partem dos reservatórios, levando o vapor a passar pela turbina, que se liga ao gerador. O gerador está ligado à rede elétrica.
Controlados por computador, os espelhos móveis acompanham o movimento do Sol ao longo do dia. A temperatura no interior da caldeira pode superar os 500 °C. (Imagem sem escala; cores-fantasia.)

Fonte: ilustração elaborada com base em AUSTRALIAN RENEWABLE ENERGY AGENCY (ARENA). What is concentrated solar thermal?, 24 julho 2017. Disponível em: https://oeds.link/ppDY7h. Acesso em: 19 julho 2022.

A energia solar pode ser também convertida diretamente em energia elétrica por meio do uso de dispositivos denominados células fotovoltaicas ou células solares. Elas podem ser instaladas inclusive em residências e prédios comerciais. A energia elétrica gerada por meio das células fotovoltaicas pode ser usada no funcionamento de diversos equipamentos elétricos residenciais (lâmpadas, rádio, refrigerador etcétera). O alto custo para a instalação dêsses painéis ainda é um fator limitante para seu uso amplo.

Fotografia. Um sobrado com placas retangulares escuras sobre o telhado.
O painel fotovoltaico converte energia solar em energia elétrica, utilizada para ligar os equipamentos residenciais. (Itu, São Paulo, 2022.)

De ôlho no tema

Quais são as conversões de energia associadas ao funcionamento das usinas termelétricas e nucleares como fonte de eletricidade?

TEMA 4 Trabalho e potência

A variação de energia em determinado intervalo de tempo fornece a potência de um equipamento.

O que é trabalho

No dia a dia, geralmente o termo “trabalho” é utilizado em referência a um emprêgo ou a uma tarefa que precisa ser executada. Em Física, o termo trabalho (representado pela letra grega

Símbolo semelhante a um número dois de ponta cabeça

; lê-se tau) refere-se à ação de uma fôrça e à transformação de energia.

Se um corpo é deslocado na mesma direção de uma fôrça aplicada sôbre ele, dizemos que essa fôrça realizou trabalho, que pode ser calculado multiplicando-se a intensidade da fôrça (éfe) pelo deslocamento do corpo (deltaésse).

Tau igual a F vezes delta s.

A unidade de medida de trabalho, no ésse Í, é o jáuli (jóta), sendo a fôrça medida em Niutom (N) e o deslocamento em metro (ême).

O trabalho e a energia têm a mesma unidade de medida (jóta). O trabalho é uma medida da transformação de um tipo de energia em outro, isto é, sempre que uma fôrça realiza trabalho, ocorre transformação de energia.

Voltemos ao exemplo do tiro com arco. Quando o atleta apoia a flecha no cordão do arco e o puxa, a fôrça aplicada pela mão realiza trabalho sobre o arco e o deforma ao puxar o cordão, que é deslocado para trás. Nesse movimento, a energia química associada aos músculos do atleta é transformada em energia potencial elástica, que fica armazenada no conjunto arco e cordão que estão tensionados. Ao ser solto, o cordão aplica sobre a flecha uma fôrça que realiza trabalho, transformando a energia potencial elástica em energia cinética. Dessa fórma, a flecha é disparada.

Assim, uma fôrça sempre realiza trabalho quando produz deslocamento de um corpo na direção em que é aplicada.

Fotografia. Homem branco de cabelo grisalho segurando arco e flecha. Ele está com o braço direito esticado, segurando o arco, próximo há uma seta indicando vetor d. O braço esquerdo está dobrado, segurando o fio do arco e também a flecha. Próximo há uma seta voltada para a direita, indicando vetor F.
A fôrça aplicada pelo arqueiro sobre o cordão realiza trabalho ao transformar energia potencial química dos músculos do atleta em energia potencial elástica no arco.

Cálculo do trabalho

Para erguer uma peça de roupa na altura do varal, a fôrça aplicada pela pessoa realiza um trabalho. Como deter­minar a quantidade de trabalho realizada por essa fôrça?

Para levantar a peça de roupa, supondo que a velocidade seja constante, a intensidade da fôrça aplicada pela pessoa deve ser igual à intensidade da fôrça pêso.

Como a fôrça pêso é dada por P = m · g, temos:

Força é igual a massa multiplicado pela aceleração da gravidade. Implica força igual a 1 quilograma multiplicado por 10 metros por segundo ao quadrado, que é igual a 10 newtons.

dêsse modo, o trabalho é calculado multiplicando-se a fôrça pelo deslocamento d, que no caso é a altura h do varal:

Trabalho é igual a força multiplicado pelo deslocamento. Implica trabalho é igual a 10 newtons multiplicado por 2 metros, que é igual a 20 joules.

Note que: 1 J = 1 N · m

Trabalho realizado para levantar uma peça de roupa

Ilustração. Um homem branco em pé estendendo roupa em um varal. À frente há uma sombra dele que está se agachando para pegar uma calça em uma bacia; há a indicação de massa da calça igual a 1 quilograma. Próximo da peça pendurada no varal há uma seta para cima (vetor f) e uma seta para baixo (vetor p). Há uma reta entre o varal e o chão com a indicação altura igual a 2 metros.
Algumas forças estão envolvidas no ato de pendurar roupas. (Imagem sem escala; cores-fantasia.)

Vamos fazer

REGISTRE EM SEU CADERNO

Como comparar o trabalho de duas forças?

Material

  • Pedaço de papelão de 60 centímetros por 10 centímetros
  • Suporte de 15 centímetros de altura (pode ser uma pilha de livros)
  • Caixa pequena de papelão (caixa de sachê de chá)
  • Pequenos objetos para colocar na caixa (moedas, grãos)
  • Pedaço de barbante de 70 centímetros
  • Fita adesiva
  • Dinamômetro

Procedimento

  1. Em grupo, fixem, com fita adesiva, a extremidade do pedaço de papelão a um suporte, formando uma rampa.
  2. Amarrem o barbante à caixa e coloquem os objetos nela.
  3. Prendam a extremidade livre do barbante ao dinamômetro.
  4. Posicionem a caixa na parte mais baixa da rampa e o dinamômetro na parte mais alta. Segurando o dinamômetro, arrastem a caixa pela rampa até seu topo e anotem o valor da fôrça aplicada.
Ilustração. À esquerda, uma mão segurando uma argola que está presa a um objeto cilíndrico, preso a um barbante que passa por um pedaço de papelão que serve de rampa e está apoiado em uma pilha de livros. Na ponta do barbante há um cubo laranja.
  1. Vocês esperam que o valor da fôrça será maior, menor ou igual, se o comprimento da rampa for menor? Anotem suas hipóteses.
  2. Alterem o comprimento da rampa e repitam o item 4.

Analisar

  1. Obtenham o trabalho realizado pela fôrça em cada situação e comparem os resultados.
  2. Qual relação pode ser verificada entre fôrça e deslocamento?

O que é potência

Ao subir escadas, as pessoas percebem que é mais cansativo percorrer os degraus de modo mais rápido do que lentamente. Por quê?

Vamos analisar essa situação utilizando o conceito de trabalho e de energia. Note que, tanto no modo rápido como no lento, seu corpo é deslocado até a mesma altura, que corresponde à altura da escada; assim, a fôrça aplicada pelos seus pés para levantar seu corpo é a mesma e o deslocamento também. Portanto, o trabalho realizado pela fôrça é igual, com gasto de mesma quantidade de energia. Então, por que você se cansa mais ao subir a escada com maior velocidade?

A velocidade com que você sobe a escada influi nesse cansaço, pois seus músculos precisam transformar a mesma quantidade de energia em um intervalo de tempo menor, isto é, de maneira mais rápida. O conceito físico que mede a transformação de energia por unidade de tempo é a potência. Quanto maior a potência, menor é o tempo gasto para realizar um trabalho.

Cálculo da potência

A potência (ó tê ) é calculada dividindo-se o trabalho (

Símbolo semelhante a um número dois de ponta cabeça

) ou a variação da energia (deltaê) pelo intervalo de tempo (delta) gasto.

Potência é igual a trabalho dividido por intervalo de tempo. Ou potência é igual a variação da energia dividida pelo intervalo de tempo.

No ésse Í, a unidade de medida de potência é o watt (uáts), equivalente a um joule por segundo (jota barra ésse).

Os aparelhos eletrônicos geralmente possuem indicação do valor de sua potência, isto é, da quantidade de energia que consomem por unidade de tempo. Por exemplo, se um televisor tem potência de 80 uáts, significa que ele transforma 80 jáules de energia a cada segundo.

Os motores dos carros também apresentam diferentes potências. Esses valores são dados em outra unidade de medida, o cavalo-vapor (cê vê), e 1 cê vê equivale a 735,5 uáts. A maioria dos carros populares no Brasil possui motores com potência da ordem de 70 cê vê ou 51,5 kdáblio.

Saiba mais!

A ORIGEM DO CAVALO-VAPOR

A unidade de medida cavalo-vapor foi inventada pelo escocês djêimes uót (1736-1819) por uma questão comercial. De fórma a convencer uma sociedade fortemente dependente de cavalos a adquirir sua máquina recém-criada, ele resolveu avaliá-la pelo número de cavalos que ela poderia substituir.

Anos mais tarde, em reconhecimento a sua contribuição na Revolução Industrial do século dezoito, a grandeza potência passou a ser oficialmente medida em Uótis.

De ólho no tema

  1. Cite outras situações do cotidiano em que ocorre a realização de trabalho pela ação de uma fôrça.
  2. O que faz com que um carro seja mais potente que outro?
Ícone composto pela ilustração de caderno com anotações e caneta.

Atividades

TEMAS 3 E 4

REGISTRE EM SEU CADERNO

ORGANIZAR

  1. Reescreva as frases a seguir, corrigindo-as quando necessário e explicando o porquê da correção.
    1. Toda energia gerada pelo Sol é utilizada no aquecimento da Terra.
    2. O petróleo é formado facilmente, por isso seus derivados constituem a principal fonte de energia no mundo.
    3. A energia solar aquece a superfície do planeta e contribui para a formação dos ventos, que são utilizados para a geração de energia elétrica.
  2. Ao analisar dois carros, uma pessoa percebeu que havia uma marcação de “70 cavalos-vapor” em um e “83 cavalos-vapor” em outro. O que essa marcação representa e que diferença ela indica entre os carros?
  3. Determine a energia elétrica gasta por um chuveiro de potência 4.400 uáts, que funciona uma hora por dia, durante 1 mês (30 dias).

ANALISAR

4. Analise o quadro a seguir e faça o que se pede.

Valores aproximados da potência de equipamentos elétricos

Equipamento

Potência (em watts)

Forno de micro-ondas

2.000

Batedeira

100

Chuveiro elétrico

5.500

Espremedor de frutas

200

  1. Se todos esses aparelhos funcionarem 15 minutos por dia em uma residência, qual deles será responsável pela maior parcela da conta de luz? Por quê?
  2. Suponha que o espremedor de frutas permaneça ligado durante 4 horas em um único dia. Nesse caso, quanto tempo o chuveiro levaria para ultrapassar o consumo de energia do espremedor?

5. O gráfico a seguir mostra, de fórma resumida, o consumo de energia por indivíduo ao longo da História.

Evolução do consumo médio diário de energia por tipo de atividade

Gráfico de colunas. Os dados são aproximados. No eixo vertical, consumo de energia per capita (em megacalorias por dia). No eixo horizontal, cada barra representa uma sociedade. Um. Primeiras sociedades humanas.  Alimentação: 5. Dois. Sociedades agrícolas da Antiguidade. Alimentação: 5. Consumo doméstico: 10. Indústria e agricultura: 15. Três. Sociedades agrícolas da Idade Média. Alimentação: 10. Consumo doméstico: 25. Indústria e agricultura: 30. Transportes: 30. Quatro. Sociedades industriais dos séculos dezoito e dezenove. Alimentação: 10. Consumo doméstico: 40. Indústria e agricultura: 60. Transportes: 70. Cinco. Sociedades tecnocientíficas do século vinte e início do século vinte e um. Alimentação: 10. Consumo doméstico: 70. Indústria e agricultura: 160. Transportes: 230.
* Mcal = 1 milhão de calorias.

Fonte: , B. Géographie de l’énergie. Paris: natãn, 1999.

  1. Por que a barra que representa os transportes não aparece nas colunas um e dois?
  2. Uma pessoa que viveu no século vinte consumiu quantas vezes mais energia que uma pessoa que tenha vivido entre os séculos dezoito e dezenove?
  3. Quais são as atividades que consumiam mais energia no século vinte e início do século vinte e um, segundo o gráfico? Liste-as ordenando daquela que consumia mais para a que consumia menos.

COMPARTILHAR

6. Segundo dados do Conselho Global de Energia Eólica (ou Global Wind Energy Council), em 2021, o Brasil passou a ocupar o 6º lugar no rãnquin de Capacidade Total Instalada de Energia Eólica em Solo – em 2020, ocupava a 7ª posição. Em 2012, o país ocupava a 15ª posição. Em grupo, realizem uma pesquisa sôbre o motivo de a região Nordeste se destacar na produção de energia eólica no Brasil. Em seguida, com supervisão e aprovação do professor, organizem um podcast para compartilhar as informações pesquisadas. Procurem argumentar sôbre a tendência do uso de energias renováveis no Brasil e no mundo; se possível, convidem o professor de Geografia para ser um dos mediadores da discussão.

Ícone composto pela ilustração de cabeça com engrenagens.

Pensar Ciência

Róquin e a divulgação científica

Nascido no dia 8 de janeiro de 1942, no aniversário de 300 anos da morte do cientista italiano, esse menino não imaginava quanto suas contribuições no campo da divulgação científica seriam fundamentais. O inglês Stifen Uilliam Rókin desde muito cedo se interessou pela Ciência. Sua paixão por Matemática fez com que ele e alguns colegas construíssem um computador primitivo em 1958.

Em 1962, formou-se em Física na Universidade de óxfórd, seguindo para o doutorado em Cosmologia na Universidade de Kênbridi, onde presidiu o Departamento de Cosmologia Teórica até o ano de 2018.

Aos 21 anos de idade, Róquin foi diagnosticado com uma doença congênitaglossário muito grave que paralisou grande parte dos músculos do seu corpo, fazendo com que o cientista necessitasse desde então do auxílio de uma cadeira de rodas. Em 1985, contraiu uma pneumonia que acabou afetando suas pregas vocais e o levou a usar um sistema sintetizador de voz para se comunicar.

Em 1988, publicou o livro Uma breve história do tempo: do Big Bang aos buracos negros, no qual explica a evolução de seu pensamento sôbre o cosmos para o público em geral, que se tornou um dos livros de divulgação científica de maior sucesso de todos os tempos.

A doença de Istiven Rauquim não atingiu sua capacidade intelectual. Ele passou praticamente toda a vida estudando e produzindo conhecimento. Por sua fama e prestígio, fez participações em filmes e seriados de televisão. Em 2014, sua história foi contada no filme A teoria de tudo.

Istiven Rauquim faleceu no dia 14 de março de 2018.

Fotografia de um homem branco sentado em cadeira de rodas. Ele  tem cabelo castanho curto, olhos claros e usa óculos. Usa camisa azul, gravata borboleta, casaco cinza, calça e sapatos marrons.
Istiven Rauquim. (Inglaterra, 2013.)

ATIVIDADES

REGISTRE EM SEU CADERNO

  1. Além dos livros, outros espaços de comunicação usados para a popularização da Ciência são blogs, podcasts, museus e eventos. Você acredita que as pesquisas científicas realizadas nas universidades devem ser amplamente divulgadas para a sociedade? Qual é a importância da divulgação científica? Argumente defendendo o seu ponto de vista sôbre esse tema.
  2. Istiven Rauquim foi um pesquisador bastante importante no meio acadêmico, mas ficou conhecido por seus livros de divulgação científica para o grande público. Folheie alguns livros de divulgação científica. Em seguida, reúna-se com seus colegas para sugerir quais características um livro de divulgação científica deve ter para ser atrativo para o público.
Ícone composto pela ilustração de um aperto de mãos. Uma das mãos é de uma pessoa negra e a outra é de uma pessoa branca.

Atitudes para a vida

REGISTRE EM SEU CADERNO

O acesso à energia elétrica

Post-it quadrado amarelo com o seguinte texto: Imagine o que aconteceria nas indústrias, comércios, hospitais, escolas e nas nossas moradias se ficássemos uma semana sem energia elétrica. Em 2020, cerca de 90% da população do Amapá enfrentou 4 dias de blecaute e mais 22 dias de fornecimento de energia em sistema de rodízio. O transtorno foi causado por um incêndio, após forte chuva, em três transformadores, equipamentos que evitam a perda excessiva de energia durante o percurso da usina até o consumidor.
Post-it retangular azul com o seguinte texto: Segundo relatório da Agência Internacional de Energia (IEA) de 2021, cerca de 759 milhões de pessoas no mundo vivem sem energia elétrica (a título de comparação, a população brasileira é da ordem de 212 milhões de pessoas). A maior parte dessas pessoas se encontra na África sub-saariana. No Brasil, estima-se que mais de 1 milhão de pessoas se encontrem nessa situação, e que muitas delas vivem na Amazônia Legal, segundo o Instituto de Energia e Meio Ambiente (IEMA).
Ilustração de uma lâmpada incandescente apagada presa em um bocal pendurado por um fio preto.
Ilustração de uma lâmpada incandescente. Esse tipo de lâmpada gasta muita energia e foi proibido sua comercialização no país. As lâmpadas incandescentes foram substituídas por opções mais econômicas, como as fluorescentes, as halógenas e as de léd.

Consumo de energia na escola

Um programa de Conservação e Uso Racional de Energia Elétrica consiste em uma série de ações e medidas de caráter técnico, gerencial e comportamental que visam diminuir o consumo de energia elétrica, com a manutenção da qualidade dos serviços por ela proporcionados.

Racionalizar é usar de fórma inteligente a energia elétrica, ou seja, é fazer com que a energia consumida resulte no máximo de benefícios para a escola como um todo.

Assim sendo, é perfeitamente viável economizar energia elétrica sem reduzir o conforto, bem-estar e a segurança dos alunos, professores e funcionários.

Quando constatamos um vazamento de água, procuramos logo sanar o problema, pois sabemos que isso irá provocar um aumento na conta de água.

Analogamente no caso da energia elétrica, esse vazamento pode também existir, mas não é tão visível quanto o da água. Se a iluminação na escola é imprópria, além de gastar mais, as tarefas visuais podem estar sendo prejudicadas, comprometendo a qualidade dos serviços e a produtividade dos alunos, professores e funcionários.

Outro fator importante a ser observado é a instalação elétrica.

Caso ela não esteja em ordem, pode causar grandes perdas de energia, além de riscos de incêndio e possíveis choques elétricos. reticências

Fonte: SÃO PAULO (Estado). Manual de economia de energia elétrica na escola. Disponível em: https://oeds.link/BjFyxa. Acesso em: 19 julho 2022.

TROCAR IDEIAS sôbre O TEMA

   Compare na tabela a seguir a participação de alguns aparelhos no consumo total de energia elétrica em uma residência. Essas informações são importantes para que seja possível utilizá-los de forma consciente.

Participação de aparelhos no consumo total de energia

Aparelho

Porcentagem do consumo mensal

Chuveiro

25% a 35%

Ar-condicionado

15%

Lâmpadas

15% a 25%

Televisor

6%

Geladeira

25% a 30%

Fonte: cê pê éfe éle ENERGIA. Dicas de consumo inteligente. Disponível em: https://oeds.link/LyXU2B. Acesso em: 19 julho 2022.

  1. Você tem o costume de se informar sôbre o consumo de energia elétrica de um aparelho? Em sua moradia, as pessoas levam esse fator em consideração ao comprar um eletrodoméstico? Compare sua resposta com a dos colegas.
  2. Produza argumentos científicos (com Dados, Garantia, apôio, Qualificador e Conclusão) sôbre qual é a relação ou quais são as relações entre os dados de acesso à energia elétrica apresentados e aspectos sociais e econômicos. Apresente seus argumentos científicos para os colegas e preste atenção nas ideias apresentadas por eles. Compare seu ponto de vista com o dos colegas. A ideia é construir conhecimento conjuntamente, e não entrar em embates.

COMPARTILHAR

3. Forme um grupo com colegas para elaborar um material informativo que aponte maneiras de reduzir o consumo de energia elétrica na escola. Ele pode abordar qualquer aspecto, como a eficiência dos aparelhos elétricos e eletrônicos utilizados; o desperdício de energia elétrica, seja por questões comportamentais ou tecnológicas; alterações que permitam utilizar menor quantidade de lâmpadas; melhor uso de recursos naturais etcétera.

Estes são alguns passos que podem orientar a produção do material:

  • Vocês podem começar definindo qual aspecto da redução do consumo de energia gostariam de abordar. Listem vários fatores relacionados a ele. A partir dessa reflexão, proponham mudanças e melhorias.
  • Procurem responder a algumas questões básicas. Por exemplo: existem soluções tradicionais que podem ser aplicadas? A escola permitiria ou teria condições de aplicá-las?
  • Procurem saber também a respeito de soluções inovadoras. Elas seriam viáveis para a escola?
  • Com base nas mudanças e nos novos pontos de vista apresentados, proponham fórmas de mobilizar a comunidade escolar. O cotidiano dessas pessoas seria alterado? Se sim, de que fórma?

COMO EU ME SAÍ?

  • Busquei informações adicionais para resolver as atividades?
  • Trouxe ideias e argumentos novos para desenvolver o material?
  • O material desenvolvido é inovador? De que maneira?
  • As ideias propostas sur­preenderam as pessoas?
Ícone composto pela ilustração de uma lupa sobre anotações em uma folha de papel.

Compreender um texto

Acabou a era da gasolina?

Uma nova megalópoleglossário ao lado de Pequim funcionará apenas com energias renováveis. Na Noruega, não se poderá comprar um carro a gasolina ou diesel a partir de 2025 − e a China também se prepara para vetar esse tipo de motor. A última central de carvão do Reino Unido será fechada em 2025, ou até antes, porque o país está abandonando esse combustível em um tempo recorde. A Europa se comprometeu a reduzir, até 2050, entre 80% e 95% suas emissões de gases do efeito estufa, produzidos principalmente pela queima de combustíveis fósseis. cêrca de 170 países têm metas estabelecidas para a implantação de energias renováveisreticências Algo está ocorrendo no mundo. Para alguns, são sinais de uma transição. Outros falam de revolução. E uma infinidade de estudos de organismos internacionais aponta para o mesmo lugar: uma mudança na maneira de produzir a energia que alimenta nossas economias.

Queimar carvão, queimar petróleo, queimar gásreticências o Ocidente alcançou níveis inéditos de desenvolvimento com base na combustão. “Em apenas 200 anos extraímos da terra combustíveis que são resultado de milhões de anos de fossilização”, diz Antonio Soria. “Era evidente que isso teria consequências”, acrescenta o responsável pela Unidade de Economia de Energia, Mudança Climática e Transporte do Centro Comum de Pesquisa da Comissão Europeia.

Estes dois séculos da era da combustão desencadearam um problema global: a mudança climática, que afeta tanto os países desenvolvidos (que são desenvolvidos graças ao uso destes combustíveis fósseis) como os menos desenvolvidos, que não se beneficiaram deste progresso, mas sofrem mais por terem menos recursos para enfrentar o aquecimento global.

Fotografia. À esquerda, uma plataforma em meio ao mar com uma torre e ferros. Ao lado, um navio com torre e estruturas metálicas. Ao fundo, montanhas.
O petróleo foi uma das principais fontes de energia no desenvolvimento da humanidade, porém, também é uma fonte de poluentes. Plataforma de petróleo na Baía da Guanabara. (Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.)

A relação entre os combustíveis fósseis − que, ao serem queimados, geram gases do efeito estufa − e a mudança climática é clara para a imensa maioria dos cientistas e Governos, que ao assinar o acôrdo de Paris em 2015 admitiram essa conexão. E se comprometeram a reduzir suas emissões para que o aumento médio da temperatura no final do século não supere os dois graus em relação aos níveis pré-industriais.

reticências

O aumento do consumo de combustíveis fósseis significou o aumento das emissões de gases do efeito estufa. Mas algo está ocorrendo neste momento. O carvão reduziu sua participação no mix energético mundial e o uso do petróleo se estagnou. Paralelamente, a implantação de novas energias renováveis (solar e eólica) está disparando, graças principalmente aos avanços tecnológicos que baratearam seus custos.

reticências

Mas não nos enganemos. Se isso for uma transição (ou revolução), estamos apenas no início. “São necessárias décadas para fazer a mudança”, adverte Canadell [Canadell, autor de estudos sôbre petróleo, gás e carvão]. Porque a humanidade nunca queimou tantos combustíveis fósseis como agora. reticências

Fonte: , M. Acabou a era da gasolina? El País, 24 setembro. 2017. Disponível em: https://oeds.link/ZR3RX7. Acesso em: 19 julho 2022.

ATIVIDADES

REGISTRE EM SEU CADERNO

OBTER INFORMAÇÕES

  1. No texto, há a seguinte frase: “Em apenas 200 anos extraímos da terra combustíveis que são resultado de milhões de anos de fossilização”. O que podemos afirmar sôbre o tipo de combustível mencionado?
  2. Qual indício de preocupação dos países com os gases do efeito estufa gerados pelo uso de combustíveis fósseis o texto aponta?
  3. Por que não é possível dizer que os combustíveis fósseis podem ser substituídos rapidamente por fontes de energia renováveis?

INTERPRETAR

  1. O texto traz duas visões diferentes sôbre o que estaria acontecendo no mundo: transição e revolução. Consulte um dicionário e explique qual é a diferença entre elas.
  2. Qual é a opinião do autor sobre a visão que seria a mais pertinente, transição ou revolução? Que trecho do texto dá suporte a sua resposta?

PESQUISAR E REFLETIR

6. Pesquise, com alguns colegas, os compromissos assumidos pelo Brasil nas últimas reuniões internacionais sôbre as mudanças climáticas. Discutam se concordam ou não com o posicionamento do Brasil e elaborem argumentos científicos (com Dados, Garantia, Apoio, Qualificador e Conclusão) para defender a opinião do grupo.

Glossário

Átomos
: componentes básicos da matéria que apresentam duas regiões, o núcleo e a eletrosfera. É na eletrosfera que os elétrons se localizam.
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Congênito
: adquirido durante a vida embrionária.
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Megalópole
: região densamente povoada, constituída de uma grande metrópole ou de diversas cidades.
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