7: Trabalho, energia e recursos energéticos
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Não existe uma definição científica simples, mas precisa, para energia. A energia é caracterizada por suas muitas formas e pelo fato de ser conservada. Podemos definir vagamente a energia como a capacidade de trabalhar, admitindo que, em algumas circunstâncias, nem toda energia está disponível para trabalhar. Por causa da associação da energia com o trabalho, começamos o capítulo com uma discussão sobre o trabalho. O trabalho está intimamente relacionado à energia e à forma como a energia se move de um sistema para outro ou muda de forma.
- 7.0: Prelúdio de trabalho, energia e recursos energéticos
- A energia desempenha um papel essencial tanto nos eventos cotidianos quanto nos fenômenos científicos. Sem dúvida, você pode citar muitas formas de energia, desde aquela fornecida por nossos alimentos, até a energia que usamos para dirigir nossos carros, até a luz do sol que nos aquece na praia. Você também pode citar exemplos do que as pessoas chamam de energia que podem não ser científicos, como alguém com uma personalidade energética. A energia não só tem muitas formas interessantes, está envolvida em quase todos os fenômenos e é uma das mais importantes
- 7.1: Trabalho - A definição científica
- O trabalho é a transferência de energia por uma força que atua sobre um objeto quando ele é deslocado. O trabalho\(W\) que uma força\(F\) faz em um objeto é o produto da magnitude\(F\) da força, vezes a magnitude\(d\) do deslocamento, vezes o cosseno do ângulo\(\theta\) entre eles. Em símbolos,\[W = Fd \space cos \space \theta. \] a unidade SI para trabalho e energia é o joule (J), onde\(1 \space J = 1 \space N \cdot m = 1 \space kg \space m^2/s^2\). O trabalho realizado por uma força é zero se o
- 7.2: Energia cinética e o teorema trabalho-energia
- A rede\(W_{net}\) é o trabalho realizado pela força da rede atuando sobre um objeto. O trabalho realizado em um objeto transfere energia para o objeto. A energia cinética translacional de um objeto de massa\(m\) se movendo em alta velocidade\(v\) é\(KE = \frac{1}{2}mv^2\). O teorema da energia de trabalho afirma que a rede\(W_{net} \) em um sistema muda sua energia cinética,\(W_{net} = \frac{1}{2}mv^2 - \frac{1}{2}mv_0^2\).
- 7.3: Energia potencial gravitacional
- O trabalho realizado contra a gravidade ao levantar um objeto se torna energia potencial do sistema Objeto-Terra. A mudança na energia potencial gravitacional é\(\Delta PE_g\)\(\Delta PE_g = mgh\),\(h\) sendo o aumento da altura e\(g\) a aceleração devido à gravidade. A energia potencial gravitacional de um objeto próximo à superfície da Terra se deve à sua posição no sistema terrestre de massa. Somente as diferenças na energia potencial gravitacional,\(\Delta PE_g\), têm significado físico. Como um objeto
- 7.4: Forças conservadoras e energia potencial
- Uma força conservadora é aquela para a qual o trabalho depende apenas dos pontos inicial e final de um movimento, não do caminho percorrido. Podemos definir energia potencial\((PE\) para qualquer força conservadora, assim como definimos\(PE_g\) para a força gravitacional. A energia potencial de uma mola é\(PE_s = \frac{1}{2}kx^2\), onde a força da mola\(k\) é constante e | (x\) é o deslocamento de sua posição não deformada. A energia mecânica é definida como sendo\(KE = PE\) para força conservadora.
- 7.5: Forças não conservadoras
- Uma força não conservadora é aquela para a qual o trabalho depende do caminho. O atrito é um exemplo de força não conservadora que transforma energia mecânica em energia térmica. O trabalho\(W_{nc}\) realizado por uma força não conservadora altera a energia mecânica de um sistema. Em forma de equação,\(W_{nc} = \Delta KE + \Delta PE \) ou, equivalentemente,\(KE_i + PE_i + W_{nc} = KE_f + PE_f .\) quando forças conservadoras e não conservadoras agem, a conservação de energia pode ser aplicada e usada para calcular o movimento em termos
- 7.6: Conservação de energia
- A lei de conservação de energia afirma que a energia total é constante em qualquer processo. A energia pode mudar de forma ou ser transferida de um sistema para outro, mas o total permanece o mesmo. Quando todas as formas de energia são consideradas, a conservação da energia é escrita em forma de equação, como\[KE_i + PE_i + W_{nc} + OE_i = KE_f + PE_f + OE_f ,\] onde\(OE\) estão todas as outras formas de energia além da energia mecânica.
- 7.7: Potência
- Potência é a taxa na qual o trabalho é realizado, ou em forma de equação, para a potência\(P\) média do trabalho\(W\) realizado ao longo de um tempo\(t\),\(P = W/t\). A unidade SI de potência é o watt (W), onde\(1 \space W = 1 \space J/s\). A potência de muitos dispositivos, como motores elétricos, também é frequentemente expressa em potência (hp), onde\(1\space hp = 746 \space W.\)
- 7.8: Trabalho, energia e poder em humanos
- O corpo humano converte a energia armazenada nos alimentos em trabalho, energia térmica e/ou energia química armazenada no tecido adiposo. A taxa na qual o corpo usa a energia alimentar para sustentar a vida e realizar atividades diferentes é chamada de taxa metabólica, e a taxa correspondente quando em repouso é chamada de taxa metabólica basal (BMR). A energia incluída na taxa metabólica basal é dividida entre vários sistemas do corpo, com o maior fração que vai para o fígado, o baço e o cérebro.
- 7.9: Uso mundial de energia
- O uso relativo de diferentes combustíveis para fornecer energia mudou ao longo dos anos, mas o uso de combustível é atualmente dominado pelo petróleo, embora as contribuições do gás natural e da energia solar estejam aumentando. Embora as fontes não renováveis dominem, alguns países atendem a uma porcentagem considerável de suas necessidades de eletricidade a partir de recursos renováveis. Os Estados Unidos obtêm apenas cerca de 10% de sua energia de fontes renováveis, principalmente energia hidrelétrica.
Miniatura: Uma forma de energia é o trabalho mecânico, a energia necessária para mover um objeto de massa m a uma distância d quando oposto a uma força F, como a gravidade. Uso da imagem com permissão (CC-SA-BY-NC -3.0; anônimo).