O que é energia?

Energia é uma quantidade abstrata que os físicos identificaram como útil para descrever muitos processos que ocorrem na natureza, na verdade praticamente todos. Infelizmente, energia é um conceito bem difícil de se explicar e definir, e de se imaginar também, mas vou tentar dar algumas ilustrações.

Por ser uma noção que foi abstraída a partir de diversos fenômenos bem distintos, é difícil formar uma noção unificada do que é energia, mas acho que uma imagem útil é pensar em energia ora como movimento em si, ora como um tipo de movimento concentrado. E com a importante observação de que este movimento, concentrado ou não, se transfere para outras coisas à medida que interagem.

Além disso, uma coisa importantíssima que foi constatada é que ao que sabemos a energia, esta coisa-movimento, se conserva, não podendo ser criada nem destruída, ela sempre vem de algum lugar e vai para algum lugar. É também conhecido que além da energia, duas outras grandezas fundamentais associadas ao movimento e sua direção também se conservam: o momento linear e o angular.



Três formas fundamentais de energia

Acho que a forma mais intuitiva de energia é a energia cinética, associada propriamente ao movimento dos corpos. Qualquer corpo em movimento tem energia cinética, que é dada por E_c = mv²/2, ou seja, é proporcional a sua massa e a sua velocidade ao quadrado. A proporcionalidade a massa é bem intuitiva, quanto mais coisas se movimentando, mais movimento. A proporcionalidade ao quadrado da velocidade, dá um tom não-linear, se a velocidade dobrar, a energia cinética dela irá quadruplicar. Talvez ser proporcional ao quadrado possa parecer contraintuitivo, mas até onde sabemos, energia é uma quantidade tão fundamental na dinâmica do universo quanto a velocidade (mais precisamente o momento linear). Digamos simplesmente que cada vez que se deseja aumentar um pouco o movimento se precisa de um pouco a mais de energia; ele vai se tornando mais caro conforme o aumentamos.
Em síntese, movimento é uma forma importante de energia.

Outra forma de energia menos intuitiva é a energia potencial. Imagine um campo de forças, como o campo gravitacional; os corpos num campo sofrem uma força que aponta numa certa direção e sentido. Percebeu-se que pode-se associar uma energia a um corpo pelo simples fato de ele estar imerso num campo, e quanto mais adiante no sentido do campo menos energia; por exemplo, se o campo gravitacional aponta para baixo, os corpos mais altos terão mais energia do que os que estão embaixo, porque os debaixo estão mais adiantados espacialmente no sentido do campo. Isto ocorre independentemente de eles estarem em movimento. Acho que a imagem da gravitação é interessante; sabemos que corpos mais altos tem mais energia porque eles podem ganhar movimento caindo, enquanto os que estão embaixo podem cair menos (também podem trocar seu movimento para cima por altura). Outra imagem é a de um elástico esticado vindo da direção da força, quanto mais você puxa, mais atrás vc está no sentido da força, e mais energia vc tem para expressar na forma de movimento. Estes dois exemplos correspondem respectivamente à energia potencial gravitacional e à energia potencial elástica (pode-se trocar o elástico por uma mola se for mais apropriado ao caso).


Uma terceira forma, que pode ser mais ou menos intuitiva, é a de energia na forma de luz. A luz não é feita de matéria, ela é feita de campos de força que se propagam sozinhos pelo espaço, mas que pode ser trocada por energia cinética quando é absorvida (ou emitida) por um corpo. Podemos pensar na luz como pequenos pacotes de energia (feitos de campos oscilantes) que em certas situações se despreendem de corpos em movimento (tirando um pouco de sua energia) e que podem ser reincorporados a algum corpo dando a ele mais movimento.



Talvez seja interessante mencionar que embora a energia possa ser vista como se fosse uma substância, isto é, uma quantidade que se conserva se distribuindo de maneira espacialmente contínua, geralmente o que interessa é mais a diferença de nível de energia entre as partes do sistema e a forma em que ela se encontra, do que propriamente a sua quantidade.

Outras formas de energia

Há diversas outras formas de energia que são derivadas destas, a energia térmica por exemplo, que é trocada como calor, corresponde à energia cinética das moléculas, ou seja, é o próprio movimento das partículas. Quando se aquece vapor num compartimento com paredes móveis, ele se expande, pois as moléculas estando mais agitadas exercem pressão maior sobre as paredes do compartimento. Ou seja, o movimento das moléculas é transferido às paredes, voltando a forma macroscópica de energia cinética que mencionei.

A energia da corrente elétrica nada mais é do que a energia cinética de todos aqueles elétrons que estão se movimentando. E a convertemos em outras formas fazendo com que ela passe por diversos circuitos nos quais transferem esta energia a outros objetos. Devido ao modo como os campos elétricos funcionam, quando um elétron tem sua velocidade alterada em direção ou intensidade ele emite luz, perdendo parte da sua energia. Quando se movimenta um campo magnético, gera-se também aceleração (mudança de movimento) nos elétrons presentes nele, como se estivesse alterando a posição dos elásticos tornando-os mais frouxos ou esticados, ou se subindo o chão fazendo com que os objetos possam cair menos. Corpos com carga elétrica próximos também tem uma energia potencial associada, devido às forças que exercem um sobre os outros.

A energia química até onde sei é uma mistura de energia cinética e potencial, está em parte no movimento dos elétrons e dos núcleos atômicos, e em parte nas forças que exercem uns sobre os outros (campos), dependendo da sua configuração espacial. Quando os átomos se associam nas ligações químicas, geralmente absorvem ou emitem um pouco de energia no processo, fazendo com que possam ser consideradas como armazenando energia (ou faltando), que pode ser liberada ou absorvida quando ela for quebrada, geralmente na forma de luz e calor.


Finalmente, existe a massa, que também foi descoberta ser uma forma de energia; sinceramente não entendo muito bem como isto funciona, mas sabe-se que em certas circunstâncias, luz de alta energia na presença de campos se transforma em partículas com massa, por exemplo um par elétron-positron formado por um raio gama passando próximo a um núcleo atômico, ou um raio gama sendo produzido pela aniquilação de um par partícula-antipartícula, ou em alguma outra reação de partículas. Massa parece ser uma espécie de estado confinado da energia, que ocorre de forma estável sob certas circunstâncias favoráveis de campos por exemplo, no qual ela pode adquirir propriedades especiais, como inércia e carga. Dependendo da energia dos campos numa região do espaço, diferentes formas de matéria se tornam mais ou menos estáveis.

Há outras formas de energia derivada destas, mas acho que todas as mais comuns se baseiam nas 3 formas fundamentais que citei.


Entropia

Considere a situação onde se tem um monte de partículas que se movimentam sem nenhuma preferência para qualquer direção que esteja disponível a elas, se elas estiverem concentradas numa região do espaço mais do que em outras, é esperado que elas se distribuam mais homogeneamente conforme o tempo passa, simplesmente porque é mais provável que o lugar que tem mais mande mais partículas para o lugar que onde há menos do que o contrário. E a energia parece ter este tipo de comportamento, a luz tende a se espalhar pelo espaço, as partículas de matéria também (por inércia, descontando forças atrativas como a gravitacional), e até a energia dos campos tende a ser distribuída com alguma homogeneidade (dependendo um tanto das circunstâncias). Isto faz com que naturalmente a energia se transmita com mais frequência de regiões mais concentradas para menos concentradas, é por isto que os objetos esfriam quando estão num meio menos quente que eles (e esquentam na condição contrária), é por isso que a maioria dos objetos sólidos tendem a se fragmentar mas não a se rejuntar, e porque é fácil dissipar energia na forma de calor, ruído e atrito e é difícil evitar que isto ocorra.


Aparentemente nosso universo começou num estado de muita energia muito concentrada, que foi se dissipando, e nesta dissipação surgiu a matéria estável, que tornou a dissipação menos linear e mais interessante suficientemente para fazer com que nós ocorrêssemos no meio do processo. Mas a energia continua a se dissipar a todo momento, e ao que tudo indica nosso universo provavelmente caminha para uma morte térmica com a sua energia extremamente distribuída e rarefeita. Felizmente isto vai demorar bastante.


Foi identificada pelos físicos uma outra quantidade que permite comparar o quanto a energia de um sistema está distribuída, e ela foi chamada de entropia. Quanto mais distribuída está a energia num sistema, maior sua entropia, e como a energia tende naturalmente a se distribuir, a entropia dos sistemas tende a aumentar, exceto quando se faz algo para diminui-la, redistribuindo a energia nele. E como a energia não faz isso naturalmente, para diminuir a entropia de um sistema temos de distribuir mais energia do que nós concentramos, ou seja, para diminuir a entropia num lugar é necessário aumentá-la, pelo menos na mesma quantidade em algum outro. Esta tendência dos sistemas fechados a aumentar sua entropia é chamada de segunda lei da termodinâmica.

Já que a energia na verdade segue seu próprio sentido, queiramos ou não, tudo o que podemos fazer é controlar seu caminho enquanto segue este sentido, é assim que usamos a energia para realizar trabalho. Nós a redirecionamos de forma que seu fluxo produza os efeitos que desejamos. É assim que aproveitamos a queda de cachoeiras para fazer girar turbinas e assim produzir corrente elétrica, e assim que criamos a máquina a vapor ligando a expansão do gás ao movimento de pistões e rodas, assim que fazemos os elétrons girarem nos filamentos das lâmpadas para gerarem luz e é assim que os seres vivos aproveitam a energia dos alimentos e do sol para fazerem todas as reações bioquímicas que precisam para se manterem funcionando e eventualmente propagarem seus genes se reproduzindo. Os seres vivos e outros sistemas complexos estáveis se mantêm estáveis porque sua organização consegue direcionar o fluxo de energia para realizar trabalho para manter sua própria organização.



A energia dos seres vivos

Seres vivos são como máquinas, são sistemas organizados de matéria capazes de, num ambiente favorável, adquirir os recursos de matéria e energia para sustentar a manutenção e o desenvolvimento da sua organização e exercer o comportamento que levará a propagação dos seus genes por meio do desenvolvimento de novos organismos semelhantes. Esta organização é mantida ao custo de trabalho e de aumento de entropia (exportação de entropia, já que o aumento é exteriorizado). Com a exceção dos seres fotoautótrofos, que mantêm sua organização primariamente a partir da energia da luz, os demais organismos mantêm sua organização consumindo nutrientes energéticos, como carboidratos, proteínas e gorduras, e quebram estas moléculas aproveitando sua energia química para sintetizar moléculas cuja energia é mais facilmente utilizável pelas reações metabólicas da célula, das quais a principal é o ATP (que armazena energia das ligações dos fosfatos). As moléculas produzidas da quebra dos nutrientes são incorporadas ou excretadas, e a energia armazenada é direcionada às regiões onde será utilizada em reações metabólicas e permitirão ao organismo exercer o seu comportamento. Eventualmente a organização do organismo não consegue mais fazer isto com a eficiência necessária para sustentá-lo, ele vai acumulando danos a esta organização até que deixa de exercer seu metabolismo e comportamento por completo (morte).

De especial importância no metabolismo são as reações de oxiredução; como vivemos num ambiente rico em oxigênio, que é um elemento que tende a atrair fortemente elétrons para si (pela sua distribuição de campos elétricos) os organismos aproveitam esta tendência criando um ambiente interno onde o processo de oxidação (perda de elétrons, possivelmente para o oxigênio) de moléculas pode ser feito de maneira controlada, e a energia liberada direcionada a processos úteis ao metabolismo celular. Por isso, na Terra os organismos geralmente consomem compostos reduzidos (que podem doar elétrons várias vezes), e os oxidam na respiração, para produzir sua energia de subsistência.

Parte da maquinaria das mitocôndrias para gerar ATP a partir de reações de oxiredução.

A geração e o uso de energia na sociedade

A humanidade tem acumulado tecnologias cada vez mais eficientes da geração e uso de energia. A sua extração da natureza, começando na força física humana, depois com o uso de animais, queima de combustíveis, chegando à máquina a vapor, ao uso do petróleo e do carvão, e mais recentemente a energia solar e nuclear permitiu o desenvolvimento de grandes cidades e a produção de alimentos e bens de consumo em alta escala. O seu uso intensivo, em máquinas, meios de transporte, e atualmente também eletrônicos, computadores e robôs permitiu todo o desenvolvimento urbano, industrial e tecnológico que experenciamos. Atualmente o maior problema que enfrentamos é providenciar meios baratos e eficientes de geração de energia que sejam sustentáveis e pouco nocivos ao ambiente.