Energia

Algumas reações químicas liberam energia e outras absorvem. Mas o que é energia?

Em química usamos uma definição prática de energia. Energia seria a capacidade de realizar trabalho e trabalho como o movimento contra uma força em oposição.

O trabalho é o processo de mover um corpo contra uma força oposta. Sua magnitude é determinada pelo produto da intensidade da força oposta pela distância percorrida pelo objeto:

Trabalho realizado = Força × Distância (1)

Considerando que a força é medida em newtons e a distância em metros, a unidade de trabalho no Sistema Internacional (SI) é o newton metro (N·m) ou o joule (J). Em outras palavras, 1 J é equivalente a 1 N·m ou 1 kg·m²/s². Um exemplo prático é que cada batimento cardíaco humano consome cerca de 1 J de trabalho.

A energia, por sua vez, é a capacidade de realizar trabalho. Portanto, energia é necessária para levantar um objeto a uma certa altura ou para impulsionar uma corrente elétrica em um circuito. Quanto maior for a energia de um objeto, maior será sua capacidade de realizar trabalho. Por exemplo, para levantar um livro com massa de aproximadamente 2,0 kg a uma altura de 0,97 m, são necessários 19 J de trabalho. Nas reações químicas, as trocas de energia costumam ser da ordem de milhares de joules para as quantidades normalmente estudadas, o que torna mais comum o uso da unidade prática quilojoule (kJ), em que 1 kJ é igual a 1000 J.

Existem três contribuições fundamentais para a energia na química: energia cinética, energia potencial e energia eletromagnética.

• Energia cinética

A energia cinética, representada por Ec, é a energia associada ao movimento de um corpo. Para um corpo com massa m se movendo com velocidade v, a energia cinética é calculada por:

Ec = 1/2mv² (2)

Um corpo pesado que se move rapidamente terá uma energia cinética elevada, enquanto um corpo em repouso (com velocidade v = 0) terá energia cinética igual a zero.

•  Energia Potencial

A energia potencial, representada por Ep, de um objeto é a energia associada à sua posição em um campo de forças. Não há uma fórmula única para calcular a energia potencial de um objeto, pois isso depende da natureza das forças atuantes sobre ele. No entanto, dois casos simples são importantes na química: a energia potencial gravitacional (para uma partícula em um campo gravitacional) e a energia potencial de Coulomb (para uma partícula com carga em um campo eletromagnético).

Energia potencial gravitacional

Para um corpo de massa m que está a uma altura h da superfície da Terra, a energia potencial gravitacional é dada por:

Ep = mgh (3)

Essa fórmula expressa a energia potencial em relação à superfície da Terra (Fig. 1), onde g representa a aceleração da gravidade. O valor de g varia de acordo com a localização do objeto, mas em locais habitados na superfície da Terra, o valor típico de g é próximo ao valor padrão de 9,81 m/s², que é utilizado em todos os cálculos neste contexto. A Equação 3 mostra que quanto maior a altura de um objeto em relação à superfície da Terra, maior será sua energia potencial. Por exemplo, um livro colocado sobre uma mesa terá uma energia potencial maior do que um livro colocado no chão.

Energia potencial de Coulomb

A energia potencial resultante da atração e repulsão entre cargas elétricas desempenha um papel fundamental na química, uma vez que envolve elétrons, núcleos atômicos e íons, todos eles possuindo carga elétrica.

A energia potencial de Coulomb entre duas partículas, uma com carga Q1 e outra com carga Q2, separadas por uma distância r, é diretamente proporcional às duas cargas e inversamente proporcional à distância entre elas. Essa relação é expressa pela seguinte equação:

Ep = (Q1 * Q2) / (4πε₀ * r) (4)

Nessa expressão, válida quando as duas cargas estão separadas em um meio com vácuo, ε₀ (épsilon zero) é uma constante fundamental chamada permissividade no vácuo, cujo valor é de 8,854 x 10⁻¹² J⁻¹·C²·m². A energia potencial de Coulomb é medida em joules quando as cargas são expressas em coulombs (C), que é a unidade SI de carga, e a distância é medida em metros (m).

A carga de um elétron é -e, onde e é igual a 1,602 x 10⁻¹⁹ C, conhecida como a “carga fundamental”.

• Energia eletromagnética

A “energia eletromagnética” mencionada anteriormente nesta seção refere-se à energia associada ao campo eletromagnético, que inclui a energia transportada por ondas de rádio, luz e raios X. Um campo eletromagnético é gerado pela aceleração de partículas carregadas e possui dois componentes: um campo elétrico e um campo magnético oscilante. A diferença crucial é que um campo elétrico afeta as partículas carregadas quando estão estacionárias ou em movimento, enquanto um campo magnético só afeta as partículas carregadas quando estão em movimento.

Fig: Um campo eletromagnético oscila no tempo e no espaço. O campo magnético é perpendicular ao campo elétrico. O comprimento de uma seta representa a intensidade do campo nesse ponto e sua orientação representa a direção. Os dois campos sõa perpendiculares á direção em que a radiação de propaga.

• Energia Total

A energia total, E, de uma partícula é a soma de suas energias cinética e potencial: Energia total = energia cinética + energia potencial, ou E = Ec + Ep (5)

Uma característica fundamental da energia total de um objeto é que, na ausência de influências externas, ela se mantém constante. Essa observação pode ser resumida na afirmação de que a energia é conservada. Embora as energias cinética e potencial possam se converter uma na outra, a soma total, para um objeto específico, seja ele grande como um planeta ou pequeno como um átomo, permanece constante.

Por exemplo, uma bola lançada para cima inicialmente possui alta energia cinética e energia potencial igual a zero. No ponto mais alto de sua trajetória, a bola possui energia cinética igual a zero e alta energia potencial. À medida que cai, sua energia cinética aumenta e sua energia potencial se aproxima novamente de zero. Em cada estágio, a energia total da bola é igual à energia inicial. Ao atingir o solo, a bola deixa de estar isolada e sua energia é dissipada na forma de movimento térmico, o movimento aleatório e caótico de átomos e moléculas.

Ao somarmos as energias cinética e potencial desses átomos e moléculas, podemos constatar que a quantidade de energia perdida pela bola é igual à quantidade de energia ganha pela Terra. A lei da conservação de energia, que afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, nunca foi exceção. Quando uma região do universo, como um átomo, perde energia, outra região deve ganhar exatamente a mesma quantidade de energia.

Energia química

Os químicos comumente utilizam dois termos relacionados à energia. A expressão “energia química” é empregada para descrever a alteração de energia que ocorre durante uma reação química, como na queima de combustíveis. Não se trata de um tipo especial de energia, mas sim uma maneira informal de se referir à soma das energias potencial e cinética das substâncias envolvidas na reação, incluindo as energias cinética e potencial de seus elétrons. Já o termo “energia térmica” é outro exemplo de linguagem cotidiana, sendo utilizado para representar a soma das energias potencial e cinética resultantes dos movimentos de átomos, íons e moléculas.

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