16.1: Fontes de luz solar - energia térmica e gravitacional
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Identifique diferentes formas de energia
- Entenda a lei de conservação de energia
- Explique maneiras pelas quais a energia pode ser transformada
A energia é um conceito difícil de entender porque existe em tantas formas diferentes que desafia qualquer explicação simples. De muitas maneiras, compreender a energia é como compreender a riqueza: existem formas muito diferentes de riqueza e elas seguem regras diferentes, dependendo se são o mercado de ações, o mercado imobiliário, uma coleção de histórias em quadrinhos antigas, grandes pilhas de dinheiro ou uma das muitas outras maneiras de ganhar e perder dinheiro. É mais fácil discutir uma ou duas formas de riqueza — ou energia — do que discutir esse conceito em geral.
Ao se esforçarem para entender como o Sol pode emitir tanta energia por tanto tempo, os cientistas consideraram muitos tipos diferentes de energia. Cientistas do século XIX conheciam duas fontes possíveis para a energia do Sol: energia química e energia gravitacional. A fonte de energia química mais familiar para eles era a queima (o termo químico é oxidação) de madeira, carvão, gasolina ou outro combustível. Sabemos exatamente quanta energia a queima desses materiais pode produzir. Assim, podemos calcular que, mesmo que a imensa massa do Sol consistisse em um material queimável como carvão ou madeira, nossa estrela não poderia produzir energia em sua taxa atual por mais de alguns milhares de anos. No entanto, sabemos por evidências geológicas que a água estava presente na superfície da Terra há quase 4 bilhões de anos, então o Sol deve ter brilhado intensamente (e aquecendo a Terra) pelo menos por tanto tempo. Hoje, também sabemos que nas temperaturas encontradas no Sol, nada como madeira maciça ou carvão poderia sobreviver.
o que é watt?
Apenas uma palavra sobre as unidades que estamos usando. Um watt (W) é uma unidade de potência, que é a energia usada ou emitida por unidade de tempo. É medido em joules por segundo (J/s). Você sabe, pela sua experiência diária, que não é apenas quanta energia você gasta, mas quanto tempo você leva para fazer isso. (Queimar 10 calorias em 10 minutos requer um tipo de exercício muito diferente do que queimar essas 10 calorias em uma hora.) Os watts indicam a taxa na qual a energia está sendo usada; por exemplo, uma lâmpada de 100 watts usa 100 joules (J) de energia a cada segundo.
E qual é o tamanho de um joule? Um instrutor de astronomia de 73 quilos (160 libras) correndo a cerca de 4,4 metros por segundo (10 milhas por hora) porque está atrasado para a aula tem uma energia de movimento de cerca de 700 joules.
Conservação de energia
Outras tentativas do século XIX para determinar o que faz o Sol brilhar usaram a lei da conservação de energia. Simplificando, essa lei diz que a energia não pode ser criada ou destruída, mas pode ser transformada de um tipo para outro, como do calor em energia mecânica. A máquina a vapor, que foi fundamental para a Revolução Industrial, é um bom exemplo. Nesse tipo de motor, o vapor quente de uma caldeira aciona o movimento de um pistão, convertendo energia térmica em energia de movimento.
Por outro lado, o movimento pode ser transformado em calor. Se você bater palmas vigorosamente no final de uma aula de astronomia especialmente boa, suas mãos ficarão mais quentes. Se você esfregar gelo na superfície de uma mesa, o calor produzido pelo atrito derrete o gelo. Os freios dos carros usam o atrito para reduzir a velocidade e, no processo, transformam a energia do movimento em energia térmica. É por isso que depois de parar um carro, os freios podem ficar muito quentes; isso também explica por que os freios podem superaquecer quando usados de forma descuidada ao descer longas estradas montanhosas.
No século XIX, os cientistas pensaram que a fonte do calor do Sol poderia ser o movimento mecânico dos meteoritos que caíam nele. Seus cálculos mostraram, no entanto, que para produzir a quantidade total de energia emitida pelo Sol, a massa em meteoritos que teria que cair no Sol a cada 100 anos seria igual à massa da Terra. O aumento resultante na massa do Sol, de acordo com a terceira lei de Kepler, mudaria o período da órbita da Terra em 2 segundos por ano. Essa mudança seria facilmente mensurável e não estava, de fato, ocorrendo. Os cientistas poderiam então refutar isso como a fonte da energia do Sol.
Contração gravitacional como fonte de energia
Propondo uma explicação alternativa, o físico britânico Lord Kelvin e o cientista alemão Hermann von Helmholtz (Figura\(\PageIndex{1}\)), por volta de meados do século XIX, propuseram que o Sol poderia produzir energia pela conversão da energia gravitacional em calor. Eles sugeriram que as camadas externas do Sol poderiam estar “caindo” para dentro por causa da força da gravidade. Em outras palavras, eles propuseram que o Sol poderia estar diminuindo de tamanho, permanecendo quente e brilhante como resultado.
Para imaginar o que aconteceria se essa hipótese fosse verdadeira, imagine a camada externa do Sol começando a cair para dentro. Essa camada externa é um gás feito de átomos individuais, todos se movendo em direções aleatórias. Se uma camada cair para dentro, os átomos adquirem uma velocidade adicional devido à queda do movimento. À medida que a camada externa cai para dentro, ela também se contrai, aproximando os átomos. As colisões se tornam mais prováveis e algumas delas transferem a velocidade extra associada ao movimento de queda para outros átomos. Isso, por sua vez, aumenta as velocidades desses átomos. A temperatura de um gás é uma medida da energia cinética (movimento) dos átomos dentro dele; portanto, a temperatura dessa camada do Sol aumenta. As colisões também estimulam elétrons dentro dos átomos para órbitas de maior energia. Quando esses elétrons retornam às suas órbitas normais, eles emitem fótons, que podem então escapar do Sol (veja Radiação e Espectros).
Kelvin e Helmholtz calcularam que uma contração do Sol a uma taxa de apenas cerca de 40 metros por ano seria suficiente para produzir a quantidade de energia que ele está irradiando agora. Ao longo da história humana, a diminuição do tamanho do Sol devido a uma contração tão lenta seria indetectável.
Se assumirmos que o Sol começou sua vida como uma grande e difusa nuvem de gás, então podemos calcular quanta energia foi irradiada pelo Sol durante toda a sua vida, pois ele se contraiu de um diâmetro muito grande para seu tamanho atual. A quantidade de energia é da ordem de 10 42 joules. Como a luminosidade solar é de 4 × 10 26 watts (joules/segundo) ou cerca de 10 34 joules por ano, a contração pode manter o Sol brilhando em sua taxa atual por aproximadamente 100 milhões de anos.
No século XIX, 100 milhões de anos no início pareciam bastante longos, já que a Terra era então amplamente considerada muito mais jovem do que isso. Mas no final desse século e no século XX, geólogos e físicos mostraram que a Terra (e, portanto, o Sol) é na verdade muito mais antiga. A contração, portanto, não pode ser a principal fonte de energia solar (embora, como veremos em O Nascimento de Estrelas e a Descoberta de Planetas Fora do Sistema Solar, a contração seja uma importante fonte de energia por um tempo em estrelas que estão apenas nascendo). Os cientistas foram, portanto, confrontados com um quebra-cabeça de proporções enormes. Ou um tipo desconhecido de energia foi responsável pela fonte de energia mais importante conhecida pela humanidade, ou as estimativas da idade do sistema solar (e da vida na Terra) tiveram que ser seriamente modificadas. Charles Darwin, cuja teoria da evolução exigia um período de tempo maior do que as teorias do Sol pareciam permitir, ficou desencorajado com esses resultados e continuou a se preocupar com eles até sua morte em 1882.
Foi somente no século XX que a verdadeira fonte de energia do Sol foi identificada. As duas principais informações necessárias para resolver o quebra-cabeça foram a estrutura do núcleo do átomo e o fato de que a massa pode ser convertida em energia.
Conceitos principais e resumo
O Sol produz uma quantidade enorme de energia a cada segundo. Como a Terra e o sistema solar têm aproximadamente 4,5 bilhões de anos, isso significa que o Sol vem produzindo grandes quantidades de energia há muito, muito tempo. Nem a queima química nem a contração gravitacional podem explicar a quantidade total de energia irradiada pelo Sol durante todo esse tempo.