Energia

Utilizamos o termo constantemente, em todas as circunstâncias, independentemente do contexto e, muitas vezes, de forma inadequada. O tema envolve, na verdade, todas as disciplinas, sociais, econômicas, financeiras, e outras, já que consumimos energia em todas as nossas atividades. Mas, afinal, o que é energia? Ela se transforma e se troca, é usada e vendida, fabricada e desperdiçada. Um pouco como o dinheiro. O conceito tem sua origem na física e segue rigorosamente suas leis, mas a disciplina é realmente capaz de defini-la?

A energia, uma grandeza mensurável

O conceito foi introduzido no século XIX pela disciplina chamada termodinâmica. Definida pelo seu uso, expressa a capacidade de um sistema de “realizar trabalho”, o que, em resumo, corresponde a gerar ou modificar movimento. A grandeza é quantificada: a cada objeto ou sistema é associada um valor de sua energia, que caracteriza sua capacidade de realizar um esforço, geralmente na forma de movimento.

A termodinâmica surgiu da descoberta de que o calor não era apenas o que aquece ou eleva a temperatura: ele também podia ser utilizado para acionar uma máquina e, assim, considerado como outra forma de energia. Transformar calor em trabalho foi precisamente a motivação para a nova disciplina. Hoje, “consumimos” energia, o que significa que a usamos em uma forma explorável, geralmente química ou elétrica, obtida a partir de uma fonte primária, ou seja, disponível na natureza de forma recuperável. Ou extraída de certos materiais, como os combustíveis fósseis (químicos) e a energia nuclear. Ou ainda renovável, sob formas químicas (madeira e vegetais), gravitacionais (EPG), cinéticas (eólica, marinha, de marés), geotérmica e de radiação (solar térmica e fotovoltaica – PV).

Exceto em raros casos de exploração direta, a conversão da energia primária em uma forma “utilizável” requer um ciclo frequentemente complexo, caro em termos de dinheiro e com perdas por dissipação em forma de calor.

Sabemos que a energia pode se apresentar em várias formas. Abaixo, detalho aquelas que nos afetam. Todo processo envolve transferências de energia de um sistema para outro, ou transformações de uma forma em outra. Isso é regido pelas leis da termodinâmica, da química, da física atômica e nuclear, do eletromagnetismo, entre outras, sendo a mais fundamental o primeiro princípio que afirma que a quantidade de energia é sempre conservada: independentemente do processo, a mesma quantidade de energia está presente no início e no fim. No entanto, não necessariamente sob a mesma forma, nem associada ao mesmo objeto. Um motor (térmico) transforma a energia química da mistura de gasolina e ar, primeiro em energia térmica (ao emitir água e dióxido de carbono, o famoso CO2), e depois em energia de movimento por meio da pressão que aciona os pistões.

Todos esses processos envolvem apenas diferenças de energia: a noção de energia absoluta nunca intervém em nossa economia. Veremos que ela só faz sentido dentro da teoria relativística de Albert Einstein. O que normalmente associamos a um objeto ou sistema não é sua energia total, mas a parte que pode ser explorada.

O calor, ou energia térmica, é a forma mais elementar de energia. Um corpo armazena mais calor à medida que sua temperatura aumenta. A termodinâmica surgiu após os físicos perceberem que o calor podia fornecer trabalho. Em praticamente todos os processos, parte da energia mobilizada é “perdida”. Ela não desaparece (o que seria proibido pelo primeiro princípio da termodinâmica!), mas é transformada em calor, muitas vezes indesejado: as peças se atritam, os motores, aparelhos, e linhas elétricas aquecem. Esse calor é difícil ou impossível de ser aproveitado, o que complica nossa vida e leva a considerá-lo como uma forma “degradada” de energia. Isso é expresso quantitativamente em termos de entropia pelo “segundo princípio da termodinâmica”.

Para o físico, o calor é a energia dos movimentos desordenados dos constituintes de um sistema. Esse caráter “desordenado” é o que nos impede de explorá-la ou reconvertê-la em outra forma de energia.

Energia Cinética

A energia cinética está associada ao movimento. Intuitivamente, é a energia que você “gasta” para mover um objeto ou a si mesmo; é a energia da bola de tênis que atinge seu rosto; a que desmonta seu carro em um acidente de trânsito. É fácil transformar essa energia em calor, o que geralmente é indesejável. A recíproca — transformar calor em energia cinética — é muito mais difícil: essa é a tarefa da máquina a vapor.

A energia cinética de um objeto de massa m é dada por ½ mv², onde v é a velocidade do objeto. Como a velocidade é relativa, a energia cinética também é uma grandeza relativa, e não absoluta: a energia de um carro é nula para o motorista, mas muito alta para o pedestre à beira da estrada, e quatro vezes maior para o carro que se aproxima. A energia cinética é uma energia primária em moinhos, turbinas eólicas, hidrelétricas, e usinas de marés, onde geradores a transformam em energia elétrica.

Energia Potencial Gravitacional

Na Terra, a energia potencial gravitacional (EPG) de um objeto maciço está ligada à sua altura no campo gravitacional terrestre. Uma mudança no nível do objeto a transforma em energia cinética (de movimento). Por isso, associamos essas duas formas de energia e chamamos sua soma de energia mecânica. Essa associação se dá porque essas energias podem ser facilmente trocadas entre si.

Convencionalmente, atribuímos o valor zero à EPG de um objeto que escapa da atração da Terra. Caso contrário, a EPG é negativa para um objeto sujeito à gravidade da Terra, sendo mais negativa quanto mais baixa for sua altitude. A EPG contribui negativamente para a energia total: ela representa o que precisamos gastar para fazer decolar um avião ou foguete. A energia cinética fornecida durante a decolagem (pelo motor) diminui à medida que o objeto sobe, transformando-se em energia potencial (EPG).

Recuperamos a EPG ao transformá-la em energia cinética através de simples mudanças de nível. Uma barragem armazena em altura a EPG da água, originada da evaporação causada pela energia solar. Ela não é utilizável diretamente. A abertura das comportas de uma usina hidrelétrica transforma essa energia em cinética, que é capturada pelas turbinas e geradores. A reversibilidade desse processo permite o armazenamento através do processo de STEP: uma energia sem uso eleva um objeto maciço (como água), armazenando-o como energia potencial, recuperável posteriormente por sua descida.

Uma usina de marés recupera a energia das marés, causada pelas variações do campo gravitacional da Lua e do Sol, e a converte em energia cinética.

Energias de Ligação

Utilizamos intensamente as energias de ligação (ou de interação): entre átomos ou moléculas para a energia química, e entre nêutrons e prótons nos núcleos atômicos para a energia nuclear.

A energia química

É aquela que pode ser recuperada a partir de um sistema por meio de reações químicas. Algumas moléculas armazenam a energia que foi usada para produzi-las, como a energia do sol (por fotossíntese) para as plantas, que depois é recuperada pelos herbívoros. Caso contrário, destilação, fermentação, fossilização e outras reações químicas a transformam em álcool ou biocombustíveis, em gás, carvão, petróleo e outras energias fósseis…

O exemplo típico de recuperação de energia por meio de um processo químico é a combustão. As moléculas de um combustível contêm, por exemplo, átomos de carbono e hidrogênio ligados entre si. A combustão os combina com átomos de oxigênio da atmosfera e transforma tudo isso em água e CO₂. O balanço positivo entre as energias de ligação das moléculas iniciais e das moléculas finais é recuperado sob a forma de calor.

Por outro lado, é possível recuperar energia química pela síntese de moléculas: há mais energia na mistura de hidrogênio e oxigênio (daí o risco de explosão) do que na molécula de água (H₂O). A síntese desta última, por “combustão” de hidrogênio no oxigênio, fornece energia, por exemplo, por meio de uma célula a combustível. Inversamente, fabricar hidrogênio (geralmente por eletrólise) requer energia.

De fato, a energia química não deve ser associada apenas ao combustível (como o petróleo), mas sim à mistura de combustível e comburente. O oxigênio, comburente ideal, está disponível em abundância, por isso não é mencionado. Mas, no vácuo, você não obteria energia do petróleo ou do hidrogênio sem um comburente à disposição.

Toda energia química foi produzida em algum momento a partir de outra forma de energia; a energia solar (pela fotossíntese) para a maioria dos combustíveis. Mas o hidrogênio e outros combustíveis sintéticos são formas de armazenamento de energia, e não fontes primárias.

A energia nuclear

A energia nuclear é semelhante à química, mas ocorre em uma escala diferente, envolvendo núcleos atômicos e interações de natureza diversa. Alguns núcleos atômicos armazenaram a energia fornecida pelas reações nucleares que os sintetizaram no núcleo das estrelas. Nossos reatores de fissão recuperam essa energia na forma de calor, bombardeando núcleos de urânio enriquecido com nêutrons, o que quebra os núcleos: uma espécie de combustão em nível nuclear, em vez de molecular.

A fusão nuclear (que projetos como o ITER pretendem controlar) faz o oposto, liberando energia ao sintetizar certos núcleos. A energia do sol, por exemplo, provém da fusão de prótons e nêutrons (na forma de deutério e trítio, dois isótopos do hidrogênio) em seu núcleo, formando núcleos de hélio. Podemos, assim, associar ao núcleo de hélio uma “energia negativa”, correspondente à energia recuperada em sua síntese (como a molécula de água no nível químico).

Finalmente, a geotermia explora o calor armazenado no solo, resultante da desintegração de urânio e tório na crosta terrestre. Juntamente com as marés, a energia nuclear é a única que não se origina da energia solar.

As energias de ligação (química ou nuclear) são aproveitadas em motores térmicos, usinas térmicas ou nucleares. Essas energias são primeiro transformadas em calor, e se o calor não for destinado ao aquecimento, é convertido em movimento, segundo os princípios termodinâmicos das máquinas a vapor, cujas versões aprimoradas são utilizadas. Os motores usam esse movimento para transportar ou manipular objetos. Nossas centrais eletrogeradoras a transformam em eletricidade por meio de um gerador (que faz o oposto de um motor, que transforma energia elétrica em movimento).

A energia elétrica

A energia elétrica é amplamente usada atualmente devido à sua facilidade de transporte e utilização. O fluxo de corrente elétrica, ou o movimento de elétrons em um material condutor, pode ser iniciado por reações químicas (pilhas e baterias), radiação (fotovoltaicos), ou movimento (dínamos e alternadores).

A nossa vida econômica é baseada em sua utilização. Além dos motores elétricos, que transformam a eletricidade em movimento, inúmeros dispositivos a utilizam para processamento de som, imagem, informação e comunicação. O aquecimento elétrico, que transforma essa energia tão nobre em calor degradado, parece uma heresia termodinâmica para os físicos.

Infelizmente, os relâmpagos são inexploráveis, e a energia elétrica não é encontrada naturalmente; ela deve sempre ser produzida, seja de maneira renovável (painéis solares, eólicos, maremotriz, etc.) ou a partir do calor de origem química ou nuclear. A intermitência e a falta de flexibilidade frequentemente exigem seu armazenamento em formas como energia gravitacional (barragens), energia química (baterias, hidrogênio e outras), ou até energia cinética (volantes de inércia).

A energia de radiação

Se a energia elétrica é transportada pelos elétrons, a energia de radiação é transportada pelos fótons, ou seja, pelo *radiação eletromagnética*: luz, claro, mas também infravermelho, ultravioleta, raios-X e outros.

A radiação solar é o ponto de partida da maioria dos ciclos naturais terrestres. A fotossíntese a transforma em energia química; os painéis fotovoltaicos (PV) a convertem em energia elétrica. Ela também fornece energia para os movimentos da atmosfera e dos oceanos (ventos, ondas, correntes) que sabemos converter em eletricidade. A radiação solar é a origem de combustíveis naturais, como madeira, biogás, óleos e álcoois vegetais e seus derivados renováveis; e, indiretamente, de combustíveis fósseis, como petróleo, carvão e gás natural.

Ela tem a vantagem de ser constantemente renovada, embora de maneira intermitente, o que incomoda muitos gestores de energia. As nuvens, o mar e o gelo refletem parte dessa radiação (o albedo), enquanto o restante aquece o planeta, o que nos impede de morrer de frio. O planeta responde emitindo sua própria radiação, mas na forma de infravermelho. A evacuação de parte da energia recebida garante, em condições normais, o equilíbrio térmico da Terra. Porém, a interrupção dessa emissão por certas moléculas na atmosfera — o *efeito estufa* — impede a dissipação de calor, levando às consequências desastrosas para o clima que conhecemos.

O que importa para nossa economia são as trocas e transformações de energia, mas não a magnitude absoluta. Apenas após os trabalhos de Albert Einstein é que podemos atribuir significado à noção de energia absoluta: ela se confunde com a massa, segundo a equação \(E=mc^2\). O fator \(c^2\) atua como um simples fator de conversão, permitindo que energias sejam expressas em unidades de massa e vice-versa. A massa aparece como uma forma de energia, mas ela se identifica com a energia absoluta de um sistema físico, mesmo que estejamos habituados a distinguir essas duas grandezas. Isso significa várias coisas:

1.Toda energia é uma fonte de efeito gravitacional, refletindo sua equivalência com a massa. A equação de Einstein (da relatividade geral) expressa a fonte da gravitação (ou seja, a curvatura do espaço-tempo) por meio de uma entidade mais elaborada, o tensor de energia-momento (TEM).

2. A noção de energia deriva, na verdade, do TEM, mas sua relevância é limitada; por exemplo, não sabemos realmente como associar energia ao campo gravitacional.

3. A massa (ou energia) assim determinada não é uma quantidade objetiva, mas subjetiva: não caracteriza o sistema físico, mas a maneira como um observador especificado o vê. Isso já nos é familiar, pois a energia cinética depende da velocidade relativa entre o sistema e o observador. Esse caráter relativo é perfeitamente expresso pela substituição da noção de energia pela do TEM.

4. A energia, assim determinada, não é mais uma quantidade conservada. Na física clássica, a conservação de energia é analisada de acordo com o famoso teorema de Noether, como uma consequência da simetria do tempo (a “variável conjugada” da energia). Na relatividade geral, que carece de uma noção pertinente de tempo (e, a fortiori, de simetria do tempo), a conservação da energia desaparece.

5. O que chamamos de “massa” de um objeto geralmente contém várias formas de energia. Em grande escala, a massa da Terra (como de qualquer objeto maciço) inclui, além das massas de seus constituintes, uma proporção de energia potencial gravitacional negativa. Em pequenas escalas, a “massa” de um núcleo atômico, de um átomo ou de uma molécula consiste, em parte, na energia de ligação entre seus constituintes, além de suas energias cinéticas. Para certas partículas, isso é o mesmo, embora as chamemos de “elementares”.

Assim, as energias absolutas (“de massa”) de 1 kg de petróleo, urânio ou de entulho são estritamente idênticas: 1 kg ou, se preferir, 60 MJ ou 30 bilhões de kWh! Mas as pequenas frações recuperáveis são diferentes: da ordem de um bilionésimo para a energia química; alguns milionésimos para o urânio; e, claro, zero para o entulho.

A única maneira conhecida de recuperar a energia de massa propriamente dita seria pela aniquilação com uma quantidade equivalente de antimatéria, algo que é praticamente certo que nenhuma tecnologia nos permitirá obter.

O que diz a física quântica?

Para completar o quadro, resta mencionar o outro grande ramo da física: a física quântica, onde a situação é ainda mais complexa.

Em primeiro lugar, assim como a maioria das grandezas físicas, a energia não é mais uma quantidade bem definida, mas torna-se um operador. A primeira consequência disso é que, para um dado sistema em um estado bem especificado, não podemos associar um valor determinado de energia. Não é porque não a conhecemos, mas porque ela não existe (exceto em alguns estados especiais chamados “estados próprios de energia”). Assim, existe uma incerteza fundamental sobre a energia de um sistema.

Além disso, assim como muitas outras grandezas, a energia é “quantizada”: se medirmos a energia de um sistema, o conjunto de valores possíveis forma, em geral, um conjunto discreto (chamado de “espectro” do operador) e não contínuo. O exemplo histórico são os níveis de energia de um átomo, que correspondem aos valores possíveis que seu nuvem eletrônica pode assumir.

Por outro lado, e isso é fundamental em escalas microscópicas, associamos à energia de um sistema uma frequência, \(\nu\), a frequência de Compton, de acordo com a fórmula \(E = h\nu\). Aplicada ao fóton, ela relaciona sua energia e sua frequência. Para uma partícula massiva (onde \(\lambda = c/\nu\) é o comprimento de onda de Compton, \(h/mc\)), ela expressa a frequência da onda associada à matéria quântica. A frequência é o inverso de um período, ou seja, uma duração. A fórmula aparece, então, como uma nova manifestação da relação íntima entre energia e tempo, uma dualidade já mencionada. E o operador energia, também chamado operador hamiltoniano \(H\), tem a propriedade específica de expressar a evolução de um sistema: é o “gerador” da evolução, o que destaca ainda mais essa conexão.

Tudo isso expõe uma das fraquezas fundamentais da física quântica: não sabemos realmente como expressá-la sem usar o tempo (por exemplo, na equação de Schrödinger), embora saibamos desde Einstein que o tempo perdeu sua pertinência na física moderna; por exemplo, não existe nenhum “tempo” cuja validade se aplique a um sistema quântico deslocalizado. Nossa abordagem atual ainda funciona, pois a precisão dos experimentos aparentemente não atingiu o estágio em que os efeitos fracos da gravidade sejam perceptíveis, mas é inconcebível que ela permaneça válida no mundo real. Esta fraqueza está intrinsecamente ligada à não inclusão da gravidade na física quântica. Hoje, alguns começam a se preocupar seriamente com isso. Vários indícios sugerem que nunca entenderemos completamente a física quântica, e em particular o famoso “problema da medição”, sem antes resolver essas questões. Alguns acreditam que a solução dessas questões acabará por preencher as lacunas da física quântica.

Ainda não chegamos lá e, entre as questões relativas à energia na física quântica, a de uma possível “energia do vácuo” ocupa um lugar importante. Refere-se à física quântica, por um lado, mas também à cosmologia, onde se identifica ao que é infelizmente chamado de “problema da constante cosmológica”. Para esse vasto tema, remeto a um artigo de xxx, mas sem me aprofundar, recordo alguns pontos:

– Do ponto de vista da física quântica estrita, essa energia não existe, mas muitos pesquisadores pensam que a teoria deveria ser modificada para permitir a associação de uma energia ao “vácuo quântico”, energia que poderia estar na base do que às vezes é chamado de “energia escura” ou “energia exótica”, que alguns invocam na cosmologia.

– A energia do vácuo não existe na física atual (quântica ou não). Em particular, os cálculos ingênuos que poderiam ser feitos na teoria quântica de campos resultam em valores infinitos, que não fazem sentido.

– As tentativas atuais de modificar a teoria para introduzir tal energia falham por ordens de grandeza gigantescas (ver xxx); é justamente isso que chamamos de “problema da constante cosmológica”.

– A cosmologia não precisa da noção de energia do vácuo. Para ser mais preciso, a relatividade geral (com a constante cosmológica) explica perfeitamente a aceleração da expansão cósmica.

Esse é um resumo das questões envolvendo a energia na física quântica e cosmologia.

A cosmologia não precisa da noção de energia do vácuo. Para ser mais preciso, a relatividade geral (com constante cosmológica) explica perfeitamente a aceleração da expansão cósmica.

De fato, a constante cosmológica, que foi introduzida inicialmente por Einstein como uma correção para garantir um universo estático (uma ideia que ele posteriormente abandonou), está atualmente sendo reconsiderada para explicar a aceleração da expansão do universo. Isso está relacionado ao conceito de “energia escura”, uma forma misteriosa de energia que parece compor a maior parte do conteúdo energético do universo.

Entretanto, na física quântica, o “problema da constante cosmológica” surge porque os cálculos teóricos da densidade de energia do vácuo resultam em valores extremamente elevados, muito maiores do que o que é observado. Essa discrepância de ordens de grandeza representa um dos maiores desafios teóricos da física moderna.

A questão da energia do vácuo e da energia escura são temas de intenso debate e investigação na física contemporânea. Modelos teóricos estão sendo desenvolvidos para tentar conciliar a física quântica com a relatividade geral e, possivelmente, resolver esse enigma. Porém, até agora, não há uma resposta definitiva.

Conclusão

A energia, em suas várias formas, permeia a física em todos os níveis, desde a mecânica clássica até a física quântica e a relatividade geral. Cada uma dessas teorias traz uma perspectiva diferente sobre a natureza da energia, sua conservação, sua origem e seu papel no universo. Ao longo do desenvolvimento da física, vimos a energia evoluir de uma simples quantidade relacionada ao movimento e ao calor, até uma entidade profundamente conectada à estrutura do espaço-tempo e à natureza quântica das partículas.

No entanto, muitas perguntas permanecem em aberto. A relação entre energia e gravidade, a natureza da energia do vácuo, a compreensão da energia em escalas quânticas e cósmicas são alguns dos grandes desafios que a ciência ainda precisa enfrentar. Mesmo assim, o progresso contínuo em nossa compreensão desses conceitos nos permite não apenas responder a questões fundamentais, mas também desenvolver tecnologias inovadoras que moldam o mundo ao nosso redor.

Referência

– “L’électricité nucléaire: questions ouvertes et points de vue”, Reflets de la physique numéro 60, dezembro de 2018 (https://www.refletsdelaphysique.fr/)