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   Biofísica


ENERGIA


A energia constitui o substrato básico do universo e de todos os processos de transformação, propagação e interação que nele ocorrem.
Energia é a capacidade que possuem os corpos e sistemas de realizar trabalho. Essa propriedade se evidencia de diversas formas que se podem transformar e se inter-relacionar.
Um trabalho realizado em um corpo ou sistema de corpos gera um aumento de sua energia. Assim, quando se curva um arco ou se comprime uma mola, armazena-se nesses objetos energia em forma elástica, que se manifesta quando a flecha é disparada ou a mola se  distende. Nesse processo se produz apenas cessão de energia entre os componentes do sistema, de modo que o saldo geral é nulo. Esse fenômeno, conhecido como princípio da conservação da energia, se traduz na máxima de que a energia não se cria nem se perde, mas simplesmente sofre transformações, passando de um estado para outro. Tal princípio constituiu um dos axiomas da física, até ser superado pelas teorias relativistas de Albert Einstein.


Transformação da energia. No fim do século XVII, Isaac Newton lançou as bases de um novo conceito da física e propôs a noção de força como um agente capaz de alterar o equilíbrio dinâmico ou estático dos corpos. Entretanto, seus sucessores substituíram as forças pelas energias a elas associadas como as causas fundamentais dos fenômenos físicos. Segundo tais princípios, as trocas de energia entre os diferentes sistemas são responsáveis por esses fenômenos e se manifestam em diversas formas conversíveis entre si.
Um sistema ideal que não sofresse perdas constituiria um moto contínuo, ideal perseguido durante séculos, já que sua energia geraria um trabalho permanente. Na realidade, tais sistemas não existem, e as perdas de energia se traduzem em emissão de calor. Por isso considera-se que o calor é a forma mais degradada de energia, a qual, por não ser recuperável para o sistema, não é também transformável.
O século XX assistiu ao nascimento de uma nova teoria, que determinou a modificação substancial do conceito de energia e de suas relações de troca com os corpos. A relatividade física, defendida por Einstein, considera a energia e a massa como diferentes manifestações de uma única propriedade, o que altera o tradicional princípio da conservação. Segundo a teoria, a energia pode passar a outros estados e até mesmo converter-se em massa e vice-versa. Experimentos científicos comprovaram, nas  altíssimas temperaturas alcançadas durante as reações nucleares, o fenômeno de transformação de massa em energia pura, embora tenha sido impossível provocar a conversão em sentido inverso. Quando o problema analisado não inclui processos nucleares pode-se aceitar o princípio da conservação, que considera o calor o único meio de perda energética em um sistema isolado.


Formas de energia. Energia cinética é a derivada do movimento das partículas materiais, enquanto energia potencial é aquela que os corpos possuem em virtude de suas posições ou configurações. Um martelo, por exemplo, utiliza a energia cinética para vencer as forças de atrito que se opõem à penetração do prego. Por sua vez, as quedas d"água transformam em energia elétrica a diferença de energia potencial, decorrente das diferentes alturas ou distâncias em relação ao centro da Terra.
Tradicionalmente, distingue-se a energia cinética de translação, provocada pela velocidade linear dos corpos, da energia de rotação dos sólidos em torno de um eixo. Do mesmo modo, a energia potencial pode ser de natureza gravitacional, elástica, magnética, elétrica, química etc.
A comparação entre todos esses tipos de energia baseia-se no trabalho mecânico consumido na produção de cada uma delas. A física experimental demonstrou que a uma dada variação na quantidade de energia corresponde sempre o mesmo trabalho, definido como seu equivalente mecânico.
Interpretações da energia. No passado, a energia foi considerada, do ponto de vista físico, como um fluido intrinsecamente presente nos diferentes corpos. A interpretação dada aos fenômenos físicos pelos cientistas dos séculos XVII e XVIII, que os atribuíam a forças que agiam a distância, reduziu o papel das manifestações energéticas a meras conseqüências de tais forças, observadas em forma de trabalho mecânico ou de calor.
O progresso no estudo do eletromagnetismo, ocorrido principalmente no século XIX, provocou uma primeira mudança a respeito dos conceitos de energia. A noção de campo, proposta por Michael Faraday, segundo a qual os movimentos de correntes elétricas, ou cargas, eram produzidos não por forças, e sim por perturbações e curvaturas energéticas do espaço, fez renascer a idéia de fluido de energia. Mais uma vez, as trocas energéticas se convertiam, aos olhos da ciência, em responsáveis pelos fenômenos físicos, muito embora localizadas no espaço, independentemente dos corpos que o povoassem.
A crescente abstração dos postulados científicos atingiu um ponto crítico com a aparição das teorias quânticas, no início do século XX. Segundo elas, do ponto de vista atômico as trocas de energia são produzidas pelos movimentos dos elétrons ou cargas elétricas elementares entre os distintos níveis da estrutura do átomo, de modo que tais movimentos provocam uma absorção ou emissão de energia, quantificada e múltipla da chamada constante  de Planck. Os quanta associados a esses saltos eletrônicos recebem o nome de fótons e constituem a unidade elementar da energia. A emissão de fótons produz uma onda eletromagnética que, de acordo com a energia associada, constitui a radiação luminosa, os raios X, gama, infravermelhos etc.
Não obstante, a adoção desses conceitos quânticos não exclui o emprego de interpretações e unidades macroscópicas de energia. Assim, para a solução de problemas físicos tradicionais utilizam-se indistintamente duas unidades, o joule e a caloria.
A unidade internacional de energia é o joule (J), equivalente ao trabalho realizado por uma força de um newton que desloca seu ponto de aplicação em um metro. (O newton é a unidade de força que imprimiria à massa de um quilograma a aceleração de um metro por segundo ao quadrado) Por outro lado a caloria se definiu, inicialmente, como unidade de calor e representa a quantidade necessária de energia desse tipo necessária para elevar a temperatura de um grama de água de 14,5o C a 15,5o C em pressão atmosférica normal. O equivalente matemático de uma caloria é 4,18 joules. Outras unidades energéticas, como o cavalo-vapor e o kilowatt/hora, são múltiplos dessas unidades.


Equilíbrio dos sistemas físicos. Os problemas físicos macroscópicos podem ser sempre analisados segundo um princípio geral e simples: um corpo ou um conjunto de partículas evolui, sempre que não esteja submetido a perturbações externas, para seu estado de energia mínima, que, uma vez alcançado, tende a se conservar. Esse princípio, de certa forma aparentado com a lei da inércia de Galileu e Newton, resume com relativa exatidão o comportamento dos sistemas físicos.
A termodinâmica, por meio da disciplina associada conhecida como física estatística, estabeleceu uma importante relação entre energia e ordem. As sucessivas transformações de certas formas de energia em outras são retardadas quando a distribuição dos átomos e moléculas dentro dos materiais em questão não é uniforme. Dessa forma, a desordem origina perdas energéticas, traduzidas em calor ou em maior desordem, que são medidas por uma interessante grandeza física conhecida por entropia. Os princípios da termodinâmica






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