8.6: Fontes de energia

objetivos de aprendizagem

• Descreva as transformações e conversões de energia em termos gerais
• Explicar o que significa para uma fonte de energia ser renovável ou não renovável

Nesta seção, estudamos energia. Aprendemos que a energia pode assumir diferentes formas e pode ser transferida de uma forma para outra. Você descobrirá que a energia é discutida em muitos contextos cotidianos, bem como científicos, porque está envolvida em todos os processos físicos. Também ficará claro que muitas situações são melhor compreendidas, ou mais facilmente conceituadas, considerando a energia. Até o momento, nenhum resultado experimental contrariou a conservação de energia. De fato, sempre que as medições parecem entrar em conflito com a conservação de energia, novas formas de energia foram descobertas ou reconhecidas de acordo com esse princípio.

Quais são algumas outras formas de energia? Muitos deles são abordados em capítulos posteriores (veja também a Figura\(\PageIndex{1}\)), mas vamos detalhar alguns aqui:

• Átomos e moléculas dentro de todos os objetos estão em movimento aleatório. A energia cinética interna desses movimentos aleatórios é chamada de energia térmica, porque está relacionada à temperatura do objeto. Observe que a energia térmica também pode ser transferida de um lugar para outro, não transformada ou convertida, pelos processos familiares de condução, convecção e radiação. Nesse caso, a energia é conhecida como energia térmica.
• A energia elétrica é uma forma comum que é convertida em muitas outras formas e funciona em uma ampla variedade de situações práticas.
• Combustíveis, como gasolina e alimentos, têm energia química, que é a energia potencial decorrente de sua estrutura molecular. A energia química pode ser convertida em energia térmica por meio de reações como a oxidação. As reações químicas também podem produzir energia elétrica, como nas baterias. A energia elétrica pode, por sua vez, produzir energia térmica e luz, como em um aquecedor elétrico ou em uma lâmpada.
• A luz é apenas um tipo de radiação eletromagnética, ou energia radiante, que também inclui rádio, infravermelho, ultravioleta, raios-X e raios gama. Todos os corpos com energia térmica podem irradiar energia em ondas eletromagnéticas.
• A energia nuclear vem de reações e processos que convertem quantidades mensuráveis de massa em energia. A energia nuclear é transformada em energia radiante no Sol, em energia térmica nas caldeiras das usinas nucleares e depois em energia elétrica nos geradores das usinas. Essas e todas as outras formas de energia podem ser transformadas umas nas outras e, até certo ponto, podem ser convertidas em trabalhos mecânicos.

Figura\(\PageIndex{1}\): A energia que usamos na sociedade assume muitas formas, que são convertidas de uma para outra, dependendo do processo envolvido. Estudaremos muitas dessas formas de energia nos capítulos posteriores deste texto. (crédito “sol”: Consórcio EIT SOHO, ESA, NASA; crédito “painéis solares”: “kjkolb” /Wikimedia Commons; crédito “queimador a gás”: Steven Depolo)

A transformação da energia de uma forma para outra acontece o tempo todo. A energia química dos alimentos é convertida em energia térmica por meio do metabolismo; a energia da luz é convertida em energia química por meio da fotossíntese. Outro exemplo de conversão de energia ocorre em uma célula solar. A luz solar que incide sobre uma célula solar produz eletricidade, que pode ser usada para acionar motores elétricos ou aquecer água. Em um exemplo que abrange várias etapas, a energia química contida no carvão é convertida em energia térmica à medida que queima em um forno, para transformar água em vapor, em uma caldeira. Parte da energia térmica do vapor é então convertida em energia mecânica à medida que ele se expande e gira uma turbina, que é conectada a um gerador para produzir energia elétrica. Nesses exemplos, nem toda a energia inicial é convertida nas formas mencionadas, porque parte da energia é sempre transferida para o meio ambiente.

A energia é um elemento importante em todos os níveis da sociedade. Vivemos em um mundo muito interdependente, e o acesso a recursos energéticos adequados e confiáveis é crucial para o crescimento econômico e para manter a qualidade de nossas vidas. Os principais recursos energéticos usados no mundo são mostrados na Figura\(\PageIndex{2}\). A figura distingue entre dois tipos principais de fontes de energia: renováveis e não renováveis, e ainda divide cada tipo em alguns tipos mais específicos. Fontes renováveis são fontes de energia que são reabastecidas por meio de processos naturais e contínuos, em uma escala de tempo muito menor do que a expectativa de vida da civilização que usa a fonte. As fontes não renováveis se esgotam quando parte da energia que elas contêm é extraída e convertida em outros tipos de energia. Os processos naturais pelos quais as fontes não renováveis são formadas normalmente ocorrem em escalas de tempo geológicas.

Figura\(\PageIndex{2}\): Consumo mundial de energia por fonte; a porcentagem de energias renováveis está aumentando, representando 19% em 2012.

Nossas fontes de energia não renováveis mais importantes são os combustíveis fósseis, como carvão, petróleo e gás natural. Eles representam cerca de 81% do consumo mundial de energia, conforme mostrado na figura. A queima de combustíveis fósseis cria reações químicas que transformam energia potencial, nas estruturas moleculares dos reagentes, em energia térmica e produtos. Essa energia térmica pode ser usada para aquecer edifícios ou operar máquinas movidas a vapor. A combustão interna e os motores a jato convertem parte da energia dos gases em rápida expansão, liberada pela queima da gasolina, em trabalhos mecânicos. A geração de energia elétrica é derivada principalmente da transferência de energia na expansão do vapor, por meio de turbinas, para o trabalho mecânico, que gira bobinas de fio em campos magnéticos para gerar eletricidade. A energia nuclear é a outra fonte não renovável mostrada na Figura\(\PageIndex{2}\) e fornece cerca de 3% do consumo mundial. As reações nucleares liberam energia transformando energia potencial, na estrutura dos núcleos, em energia térmica, análoga à liberação de energia nas reações químicas. A energia térmica obtida das reações nucleares pode ser transferida e convertida em outras formas da mesma forma que a energia dos combustíveis fósseis é usada.

Um infeliz subproduto da dependência da energia produzida pela combustão de combustíveis fósseis é a liberação de dióxido de carbono na atmosfera e sua contribuição para o aquecimento global. A energia nuclear também apresenta problemas ambientais, incluindo a segurança e o descarte de resíduos nucleares. Além dessas importantes consequências, as reservas de fontes de energia não renováveis são limitadas e, dada a taxa de rápido crescimento do consumo mundial de energia, podem não durar mais do que algumas centenas de anos. Um esforço considerável está sendo feito para desenvolver e expandir o uso de fontes renováveis de energia, envolvendo uma porcentagem significativa dos físicos e engenheiros do mundo.

Quatro das fontes de energia renováveis listadas na Figura\(\PageIndex{2}\) — aquelas que usam material de usinas como combustível (calor de biomassa, etanol, biodiesel e eletricidade de biomassa) — envolvem os mesmos tipos de transformações e conversões de energia que acabamos de discutir para combustíveis fósseis e nucleares. Os outros tipos principais de fontes de energia renováveis são a energia hidrelétrica, a energia eólica, a energia geotérmica e a energia solar.

A energia hidrelétrica é produzida convertendo a energia potencial gravitacional da água que cai ou flui em energia cinética e, em seguida, no trabalho para operar geradores elétricos ou máquinas. A conversão da energia mecânica nas ondas e marés da superfície do oceano está em desenvolvimento. A energia eólica também converte energia cinética em trabalho, que pode ser usada diretamente para gerar eletricidade, operar usinas e impulsionar veleiros.

O interior da Terra tem uma grande quantidade de energia térmica, parte da qual é remanescente de sua formação original (energia potencial gravitacional convertida em energia térmica) e parte da qual é liberada por minerais radioativos (uma forma de energia nuclear natural). Levará muito tempo para que essa energia geotérmica escape para o espaço, então as pessoas geralmente a consideram uma fonte renovável, quando, na verdade, ela é simplesmente inesgotável em escalas de tempo humanas.

A fonte de energia solar é a energia transportada pelas ondas eletromagnéticas irradiadas pelo Sol. A maior parte dessa energia é transportada pela luz visível e radiação infravermelha (calor). Quando materiais adequados absorvem ondas eletromagnéticas, a energia radiante é convertida em energia térmica, que pode ser usada para aquecer a água ou, quando concentrada, para produzir vapor e gerar eletricidade (Figura\(\PageIndex{3}\)). No entanto, em outro processo físico importante, conhecido como efeito fotoelétrico, a radiação energética que incide sobre certos materiais é convertida diretamente em eletricidade. Os materiais que fazem isso são chamados de fotovoltaicos (PV na Figura\(\PageIndex{2}\)). Alguns sistemas de energia solar usam lentes ou espelhos para concentrar os raios solares, antes de converter sua energia por meio de energia fotovoltaica, e eles são qualificados como CSP na Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Conjuntos de células solares encontrados em uma área ensolarada convertendo a energia solar em energia elétrica armazenada. (crédito: Sarah Swenty)

Ao terminarmos este capítulo sobre energia e trabalho, é relevante fazer algumas distinções entre dois termos às vezes mal compreendidos na área de uso de energia. Como mencionamos anteriormente, a “lei de conservação de energia” é um princípio muito útil na análise de processos físicos. Não pode ser provado a partir de princípios básicos, mas é um dispositivo de contabilidade muito bom e nenhuma exceção foi encontrada. Ele afirma que a quantidade total de energia em um sistema isolado sempre permanece constante. Relacionada a esse princípio, mas notavelmente diferente dele, está a importante filosofia de conservação de energia. Esse conceito tem a ver com a busca de diminuir a quantidade de energia usada por um indivíduo ou grupo por meio de atividades de redução (por exemplo, desligar termostatos, mergulhar menos quilômetros) e/ou aumentar a eficiência de conversão no desempenho de uma tarefa específica, como desenvolver e usar mais eficientemente aquecedores de ambiente, carros com maiores classificações de milhas por galão, luzes fluorescentes compactas com eficiência energética, etc.

Como a energia em um sistema isolado não é destruída, criada ou gerada, você pode se perguntar por que precisamos nos preocupar com nossos recursos energéticos, já que a energia é uma quantidade conservada. O problema é que o resultado final da maioria das transformações de energia é o calor residual, ou seja, o trabalho que foi “degradado” na transformação de energia. Discutiremos essa ideia com mais detalhes nos capítulos sobre termodinâmica.