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Conservação de Energia

1847

Émilie du Châtelet
Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Um princípio fundamental que afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma para outra, como de energia potencial para energia cinética. Na teoria clássica, a energia é transformada de uma forma para outra. mecânica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

A lei da conservação da energia é um dos princípios mais fundamentais e universalmente aplicáveis em toda a ciência. Seu desenvolvimento abrangeu séculos, evoluindo de ideias iniciais sobre movimento para uma formulação matemática precisa no século XIX que unificou mecânica, calor e química.

No contexto da mecânica clássica, o princípio é mais claramente observado em sistemas sujeitos apenas a forças conservativas, como a gravidade ou a força de uma mola ideal. Uma força é conservativa se o trabalho que ela realiza sobre um objeto que se move entre dois pontos for independente do caminho percorrido. Para tais forças, pode-se definir uma função de energia potencial [latex]V[/latex]. O teorema trabalho-energia afirma que o trabalho total realizado sobre um objeto é igual à variação de sua energia cinética, [latex]W_{net} = Delta T[/latex]. Para forças conservativas, esse trabalho pode ser expresso como a variação negativa da energia potencial, [latex]W_{cons} = -Delta V[/latex]. Combinando essas expressões, obtemos [latex]Delta T = -Delta V[/latex], ou [latex]Delta T + Delta V = Delta(T+V) = 0[/latex]. Isso mostra que a energia mecânica total, [latex]E = T + V[/latex], é uma constante de movimento.

When non-conservative forces like friction are present, mechanical energy is not conserved; it is typically dissipated as heat. However, the total energy of the isolated system, including this thermal energy, is still conserved. This broader principle is the First Law of Thermodynamics.

No século XX, o teorema de Emmy Noether proporcionou uma compreensão mais profunda dessa lei. Ele demonstrou que a conservação de energia é uma consequência matemática direta de uma simetria fundamental do universo: o fato de as leis da física não mudarem com o tempo (invariância de translação temporal).

Energia, Entalpia, Cinemática, Engenharia Mecânica, Física, Energia renovável, Termodinâmica

UNESCO Nomenclature: 2211

Física

Tipo

Lei Física

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

Conceito Vis Viva (Gottfried Leibniz)
Estudos sobre calor e trabalho (Sadi Carnot, Émile Clapeyron)
Mecânica newtoniana
Experimentos de Galileu com pêndulos

Aplicações

Geração de energia (barragens hidroelétricas, usinas termelétricas)
Termodinâmica e projeto de motores
análise de reação química (entalpia)
projeto de montanha-russa
Compreendendo os processos metabólicos em biologia.

Patentes:

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: conservação de energia, energia cinética, energia potencial, teorema trabalho-energia, termodinâmica, sistema isolado, teorema de Noether, força conservativa.

Contexto histórico

Célula de Daniell com eletrodos de cobre e zinco em uma configuração de laboratório de eletroquímica.

Operação da Célula Daniell

Uma evolução da pilha voltaica, a célula de Daniell consiste em um eletrodo de cobre em uma solução de sulfato de cobre (II) e um eletrodo de zinco em uma solução de sulfato de zinco, separados por uma barreira porosa. Esse design de dois fluidos impede o acúmulo de gás hidrogênio (polarização) no eletrodo de cobre, resultando em uma fonte de tensão muito mais estável e confiável por um período mais longo.

O efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a geração de tensão e corrente elétrica em um material quando exposto à luz. É um fenômeno físico e químico. Uma aplicação comum é a célula solar, que utiliza esse efeito para converter a luz solar diretamente em eletricidade. O efeito se baseia em fótons de luz que excitam elétrons para um estado de energia mais elevado.

Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (R_s). A relação é c_p - c_v = R_s. Para calores específicos molares (C_p e C_v), a relação é C_p - C_v = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que c_p é sempre maior que c_v.

Conservação de Energia

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Para um fluido newtoniano, a viscosidade é função da temperatura e da pressão, mas não da taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque a maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças intermoleculares coesivas com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.

Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma a conservação da energia. Ela postula que a variação da energia interna de um sistema fechado (ΔU) é igual ao calor fornecido ao sistema (Q) menos o trabalho realizado pelo sistema sobre o meio externo (W). A equação que rege essa lei é ΔU = Q - W. Essa lei relaciona calor, trabalho e energia interna, estabelecendo o calor como uma forma de transferência de energia.

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalisador em Equilíbrio Químico

Um catalisador aumenta a velocidade das reações direta e inversa igualmente, fornecendo uma via de reação alternativa com menor energia de ativação. Embora um catalisador permita que um sistema atinja o equilíbrio muito mais rapidamente, ele não altera a posição do equilíbrio em si. As concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos, bem como o valor da constante de equilíbrio K, permanecem inalterados.

1836

1839-01-01

1842

1847

1850

1835

1838

1841

1845

1850

Catálise

A catálise é o processo de aumentar a velocidade de uma reação química pela adição de uma substância conhecida como catalisador. Os catalisadores não são consumidos na reação e permanecem inalterados. Eles atuam fornecendo um caminho de reação alternativo com uma energia de ativação menor (Ea), acelerando assim as reações direta e inversa sem alterar a termodinâmica global (ΔH).

Célula de combustível

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte diretamente a energia química de um combustível, tipicamente hidrogênio, e de um agente oxidante, geralmente oxigênio, em eletricidade. Ao contrário de uma bateria, ela requer um suprimento externo contínuo de combustível e oxidante para funcionar. Os componentes principais são um ânodo, um cátodo e um eletrólito que os separa, facilitando o transporte de íons.

Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume e pressão constantes, respectivamente, e são considerados constantes.

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e se deformam linearmente com o tempo quando submetidos a uma tensão. Materiais elásticos, como um elástico, se deformam quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Os materiais viscoelásticos possuem elementos de ambos os tipos de propriedades.

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Entalpia de sublimação

A entalpia de sublimação, ΔH_sub, é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressão. De acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa variação de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap).