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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 postulam que em todo processo isolado produz-se indefectivelmente um aumento de entropia, isto é, de desordem e de energia não reconversível. Em conseqüência, apontam, a longo prazo, para um esgotamento térmico do universo, em decorrência da contínua degradação de sua energia.

Propagação da energia. São dois os processos de comunicação de energia entre corpos ou sistemas distintos. A colisão entre objetos se faz de acordo com o princípio da conservação da energia e do momento cinético (isto é, do produto da massa pela velocidade). Assim, o saldo energético de uma colisão é nulo, motivo pelo qual a troca de energia ocorrida no processo é facilmente detectável, se não considerarmos as possíveis perdas, por atrito, em forma de calor.
A troca de energia a distância se produz em conseqüência das ondas eletromagnéticas, que viajam no espaço à velocidade da luz. Tais ondas, constituídas por fótons, atuam sobre as partículas do meio e dos corpos e se enfraquecem ao longo de sua trajetória. De acordo com as considerações microscópicas da mecânica quântica, pode-se dizer que esse é o único método de transmissão de energia entre os corpos, mesmo quando, no caso de colisões, o mecanismo pareça ser diferente.  A física microscópica argumenta que na realidade tais colisões não chegam a ocorrer no átomo, razão pela qual não deixam de ser também interações eletromagnéticas.


Equivalência massa-energia. As audaciosas hipóteses aventadas na primeira metade do século XX por Einstein -- que defendia a idéia de uma relatividade total dos fenômenos físicos, até então considerados imutáveis -- e corroboradas em parte por experimentos posteriores, incluíam um ponto de vista revolucionário sobre o conceito de energia.
Segundo Einstein, existe uma clara correspondência entre as massas e as energias envolvidas nos processos físicos. Einstein expressou essa relação em uma fórmula matemática, que se tornaria um ícone da física contemporânea: E = mc2.
De acordo com essa equação, a massa consumida em um processo e a energia nele disponível, para velocidades máximas dos corpos e das partículas concernentes, são proporcionais entre si, e a constante dessa proporcionalidade é dada pelo quadrado da velocidade da luz.
As reações nucleares, nas quais se alcançam velocidades próximas à da luz, mesmo que não sejam superiores a ela (por axioma, a velocidade da luz é insuperável), comprovaram as previsões de Einstein no tocante à transformação de massa em energia. O processo contrário, ou seja, a transformação de energia em matéria, prevista pelos cálculos relativísticos, constitui um dos grandes desafios da física contemporânea.


Fontes de energia
Existe uma grande variedade de processos capazes de gerar energia em alguma de suas formas. No entanto, as fontes clássicas de energia utilizadas pela indústria têm sido de origem térmica, química ou elétrica, que são intercambiáveis e podem ser transformadas em energia mecânica.
A energia térmica ou calorífica origina-se da combustão de diversos materiais, e pode converter-se em mecânica por meio de uma série de conhecidos mecanismos: as máquinas a vapor e os motores de combustão interna tiram partido do choque de moléculas gasosas, submetidas a altas temperaturas, para impulsionar êmbolos, pistões e cilindros; as turbinas a gás utilizam uma mistura de ar comprimido e combustível para mover suas pás; e os motores a reação se baseiam na emissão violenta de gases. O primeiro combustível, a madeira, foi substituído ao longo das sucessivas inovações industriais pelo carvão, pelos derivados de petróleo e pelo gás natural.
Pode-se aproveitar a energia gerada por certas reações químicas, em conseqüência de interações moleculares. À parte as reações de combustão, classificáveis entre as fontes térmicas, e nas quais substâncias se queimam ao entrar em contato com o oxigênio, a energia presente em certos processos de soluções ácidas e básicas ou de sais pode ser captada em forma de corrente elétrica -- fundamento das pilhas e acumuladores. Dá-se também o processo inverso.
A energia elétrica é produzida principalmente pela transformação de outras formas de energia, como a hidráulica, a térmica e a nuclear. O movimento da água ou a pressão do vapor acionam turbinas que fazem girar o rotor de dínamos ou alternadores para produzir corrente elétrica. Esse tipo de energia apresenta como principais vantagens seu fácil transporte e o baixo custo, e talvez seja a forma mais difundida no uso cotidiano. Os motores elétricos são os principais dispositivos de conversão dessa energia em sua manifestação mecânica.
As crises de energia ocorridas na segunda metade do século XX suscitaram a busca de novas fontes.  Registraram-se duas tendências, aparentemente opostas: os projetos e invenções destinados a dominar os processos de reação nuclear e os sistemas de aproveitamento de energias naturais não poluentes, como a hidráulica, a solar, a eólica e a geotérmica. Como resultado dessas pesquisas obteve-se um maior índice de aproveitamento dos recursos terrestres e marítimos em determinadas regiões do globo.
A energia hidráulica, utilizada desde a antiguidade, oferece amplas possibilidades em rios e mares. As quedas d"água e a enorme força das marés constituem exemplos claros do potencial dessas fontes. No entanto, embora as represas e reservatórios representem meios para armazenar água e energia, facilmente transformável em corrente elétrica, ainda não foram encontrados meios eficazes para o aproveitamento das marés, devido à complexidade de seu mecanismo.
Ao longo da história, os moinhos e os barcos a vela tiraram amplo proveito de um dos tipos primários de energia, a eólica, ou produzida pelo vento. Essa manifestação energética, diretamente cinética por ser provocada pelo movimento do ar, apresenta baixo nível de rendimento e sua utilização é insegura e pouco uniforme, ainda que de baixo custo.
A energia solar representa o modelo mais característico de fonte renovável. Apesar de ser praticamente inesgotável, por provir diretamente da radiação solar, seu aproveitamento ainda não alcança rendimentos equiparáveis a outras fontes. A captação dessa energia tem como principal finalidade a produção de energia calorífica, sobretudo para calefação doméstica. Alguns dispositivos, como as células fotoelétricas, permitem transformar a energia solar em elétrica.
As fontes térmicas naturais e as forças terrestres, como terremotos e vulcões, constituem formas de energia de difícil aproveitamento, e a pesquisa científica para utilização de tais fenômenos na indústria ainda está em fase inicial.
A pesquisa sobre energia nuclear, cercada por intensa polêmica, devido ao perigo de sua utilização militar e ao risco de poluição e radiação, atingiu substancial progresso na segunda metade do século XX.  Fenômeno natural na formação do universo, a reação nuclear, devido à magnitude das energias liberadas no curso do processo, pode ser altamente nociva para o organismo humano, exigindo rigorosos sistemas de segurança. Existem dois métodos de obtenção de energia nuclear: a fissão ou ruptura de átomos pesados e a fusão de elementos leves, que se transformam em átomos mais complexos. A enorme quantidade de energia resultante desse processo deve-se à transformação de massa em energia, como previu Einstein em sua teoria da relatividade.
Nas usinas nucleares, a energia é produzida por um dispositivo denominado reator ou pilha atômica, assim chamado porque os recipientes de urânio e, às vezes, de tório, são empilhados dentro de um receptáculo de outro material, geralmente o carbono. A fissão atômica produz calor, que pode mover uma turbina e gerar eletricidade. A grande vantagem da energia elétrica assim produzida reside na pequena quantidade de matéria físsil necessária à produção de uma considerável quantidade de calor: com meio quilograma de urânio, por exemplo, uma pilha atômica pode produzir tanto calor quanto a queima de dez toneladas de carvão.






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