Lei de Conservação da Energia

“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Não há nenhuma forma melhor de iniciar nossa conversa sobre Leis de Conservação da Energia do que essa célebre frase de Lavoisier. É claro que isso é uma forma filosófica de unificar suas descobertas sobre a conservação de massa em reações químicas. Aqui pretendo abordar, de forma resumida, alguns aspectos da chamada Lei da Conservação da Energia em sistemas físicos gerais a fim de dar um pequeno preparativo para questões do ENEM que envolvem o assunto.

Existem sistemas que não interagem com nenhuma vizinhança que são ditos sistemas físicos fechados ou isolados. Resumidamente um sistema físico isolado é tratado de forma que ele é o universo. Isso não é nenhuma fantasia, pois sistemas que interagem fracamente com o ambiente e podem manter certas propriedades por um tempo razoável podem ser estudados como um sistema isolado, por exemplo, o café quente dentro de uma garrafa térmica. Para sistemas como esse nós temos uma lei análoga a Lei de Lavoisier que é:

“A energia total de um sistema físico isolado é uma quantidade conservada.”

Note que essa lei fala sobre a energia total, mas não especifica que tipo de energia, isso nos leva a intuir que a soma de todas as energias em um sistema é a sua energia total. Uma consequência direta dessa Lei é a ideia de conversão de energia. Se o valor de certa energia está diminuindo ou aumentando de uma quantidade X no sistema, então deve haver outra forma de energia que está aumentando ou diminuindo, respectivamente, o seu valor também de uma quantidade X. Um exemplo bastante usado envolvem duas grandezas físicas importantes em estudo de sistemas mecânicos: as energias potencial e cinética.

A energia potencial ou energia potencial gravitacional é uma energia armazenada em um corpo de massa m a uma altura h da superfície da terra e seu valor é calculado pela equação Ep = mgh, onde g é a constante da gravidade. Essa quantidade energia independe de o corpo está em movimento. Por outro lado temos uma energia associada a qualquer corpo em movimento com relação a um dado referencial, que é a Energia Cinética do corpo. Quão mais rápido se move um corpo de massa m, maior a energia cinética do corpo. Essa quantidade é calculada pela equação Ec = mv2/2, onde v é a velocidade do corpo. A composição (soma aritmética) dessas quantidades dá origem a uma energia total chamada Energia Mecânica. Então temos que Emec = Ec + Ep. Com isso podemos dizer que a energia que se conserva no sistema não é a energia cinética ou a potencial, a energia que se conserva é a energia total do sistema, ou seja, a energia mecânica.

Como exemplo, considere uma bola parada (com relação à superfície da terra) há uma distância h da superfície da terra. Então esse corpo tem energia cinética nula, porém tem associado a ela uma energia potencial diferente de zero. Agora largamos a bola e a deixamos em queda livre (supondo que não há atrito com o ar), quando o corpo atinge o chão sua energia potencial é nula, pois não há diferença de altura h do corpo com relação à superfície da terra, então pra onde foi a quantidade de energia potencial do corpo? Sumiu? Não! Note que temos duas quantidades de energia envolvida, então pelo princípio da conservação da energia a energia potencial deve ter “sumido” se a energia cinética aumentou. E isso é bastante óbvio. A bola inicialmente estava parada e só pode ter saído da sua posição inicial se houve um ganho de velocidade e, consequentemente, um ganho em sua energia cinética. Então a explicação é que a medida que a bola caia a sua energia potencial era convertida em energia cinética e quando não há mais energia potencial é porquê toda a energia agora é puramente cinética. Você deve está se perguntando: Calma, mas como a energia agora é cinética se quando a bola está no chão a terra para o corpo e a velocidade é nula? É aí onde a brincadeira fica interessante!

Quando estávamos analisando o sistema em queda ele não estava interagindo (em contato) com nada, então a sua energia é puramente cinética imediatamente antes do contato com a terra. Quando a bola colide com a terra sua velocidade é nula (considerando que ele não sobe novamente e gruda na terra) e sua altura também, então toda a energia mecânica do corpo foi a zero, mas não quer dizer que a energia sumiu. Com a colisão essa energia é dissipada para a terra, ou seja, quando consideramos a interação do nosso sistema com o meio externo (nesse caso o meio externo é a terra) pode haver perda de energia do nosso sistema (que no caso é a bola que estava caindo). Como essa energia dissipada para a terra vai se transformar foge do escopo desse texto, mas podemos garantir com certeza que ela não é destruída, apenas convertida em outras formas de energia.

Texto enviado pelo professor de física Alan Costa dos Santos.