Energia, do grego ἐνέργεια, enérgeia, "atividade", é uma grandeza que pode ser transferida para um corpo ou sistema físico e se manifesta na capacidade de realizar trabalho e na forma de calor e luz. É uma grandeza conservada. A lei da conservação da energia estabelece que ela pode ser transformada, mas não pode ser criada nem destruída. Sua unidade de medida no Sistema Internacional de Unidades, SI, é o joule, de símbolo J.
Entre suas formas estão a energia cinética de um objeto em movimento, a energia potencial armazenada por um objeto, por exemplo, devido à sua posição em um campo, a energia elástica armazenada em um objeto sólido, a energia química envolvida em reações químicas, a energia radiante transportada pela radiação eletromagnética, a energia interna de um sistema termodinâmico e a energia de repouso correspondente à massa de repouso de um objeto. Essas formas não são mutuamente excludentes.
Todos os seres vivos absorvem e liberam energia continuamente. Os processos do clima e dos ecossistemas terrestres são movidos principalmente pela energia radiante do Sol.
Formas miniaturadaimagem|Em um raio típico, 500 megajoules de energia potencial elétrica se transformam na mesma quantidade de energia em outras formas, sobretudo energia luminosa, sonora e térmica. miniaturadaimagem|A energia térmica é a energia dos constituintes microscópicos da matéria e pode incluir energia cinética e potencial.
A energia total de um sistema pode ser dividida e classificada como energia potencial, energia cinética ou combinações das duas. A energia cinética depende do movimento de um objeto ou do movimento conjunto de seus componentes. A energia potencial corresponde à possibilidade de um objeto entrar em movimento e geralmente depende de sua posição em um campo ou da energia armazenada no próprio campo.
Embora essas duas categorias bastem para classificar todas as formas de energia, costuma ser conveniente dar um nome próprio a determinadas combinações de energia potencial e cinética. Por exemplo, a soma das energias cinéticas de translação e rotação com a energia potencial de um sistema é chamada de energia mecânica. Já a energia nuclear se refere aos potenciais combinados no núcleo atômico, decorrentes, entre outras interações, da força nuclear ou da força fraca.
+ Algumas formas de energia que um objeto ou sistema pode ter como propriedade mensurável Forma de energia Definição Química Energia potencial decorrente das ligações químicas. Cromodinâmica Energia potencial que mantém unidos os quarks que formam os hádrons. Elástica Energia potencial decorrente da deformação de um material ou de seu recipiente, que exerce uma força restauradora ao voltar à forma original. Elétrica Energia potencial devida a campos elétricos ou armazenada neles. Gravitacional Energia potencial devida a campos gravitacionais ou armazenada neles. De ionização Energia potencial que mantém um elétron ligado ao átomo ou à molécula. Magnética Energia potencial devida a campos magnéticos ou armazenada neles. Mecânica Soma das energias cinéticas macroscópicas de translação e rotação com as energias potenciais. De onda mecânica Energia cinética e potencial em um material elástico, decorrente de uma oscilação da matéria que se propaga. Nuclear Energia potencial que mantém unidos os núcleons que formam o núcleo atômico, envolvida nas reações nucleares. Radiante Energia potencial armazenada nos campos das ondas que se propagam como radiação eletromagnética, incluindo a luz. De repouso Energia potencial correspondente à massa de repouso de um objeto. De rotação Energia cinética decorrente da rotação de um objeto. De onda sonora Energia cinética e potencial em um material, decorrente da propagação de uma onda sonora, um tipo de onda mecânica. Térmica Energia cinética do movimento microscópico das partículas, uma espécie de equivalente desordenado da energia mecânica.
Energia potencial
A energia potencial depende da configuração de um sistema e das interações entre suas partes. Ao erguer um objeto, aumenta-se a energia potencial do sistema formado por ele e pela Terra. O nível ao qual se atribui energia potencial nula pode ser escolhido por conveniência. Mudar essa escolha altera os valores de energia, mas não as diferenças entre eles.
Gravitacional miniaturadaimagem|upright|Salto São Francisco, no Paraná. Durante a queda, a energia potencial gravitacional da água diminui. Na gravitação newtoniana, a energia potencial de duas massas pontuais e , separadas por uma distância , é
Nessa expressão, é a constante gravitacional, e o zero de energia corresponde à separação infinita. A energia é negativa e diminui quando as massas se aproximam. A mesma expressão vale para dois corpos esféricos com distribuição de massa esfericamente simétrica que não se sobreponham, tomando-se como a distância entre seus centros.
Perto da superfície terrestre, onde a aceleração da gravidade pode ser aproximada por uma constante, a expressão se simplifica para
em que é a altura acima do nível escolhido como zero de energia potencial.
Em uma órbita newtoniana sob a atração de uma massa central, o sinal da energia mecânica distingue as trajetórias ligadas das trajetórias de escape. Para movimento com momento angular diferente de zero, energia negativa corresponde a uma elipse, com a circunferência como caso particular. Energia nula corresponde a uma parábola, e energia positiva, a uma hipérbole. Essa classificação toma a energia potencial como nula no infinito.
Elétrica miniaturadaimagem|Raios em Campinas, no estado de São Paulo. Para duas cargas pontuais e no vácuo, a energia potencial eletrostática é
em que é a constante de Coulomb e é a distância entre as cargas. Com o zero no infinito, cargas de mesmo sinal têm energia potencial positiva, e cargas de sinais opostos têm energia potencial negativa.
O potencial elétrico é a energia potencial por unidade de carga, de modo que . A energia potencial é medida em joules, e o potencial, em volts, com .
Elástica Uma mola ideal que obedece à lei de Hooke armazena energia potencial ao ser comprimida ou esticada. Tomando como zero a mola sem deformação,
em que é a constante elástica e é a deformação. Compressões e alongamentos de mesmo módulo armazenam a mesma energia.
Nuclear A energia de ligação nuclear é a energia necessária para separar um núcleo em seus prótons e nêutrons. Ela corresponde à diferença entre a massa dos nucleons separados e a massa do núcleo, multiplicada por . As energias de ligação por nucleon costumam ser expressas em MeV, enquanto a energia de ionização de um elétron em um átomo costuma ser expressa em eV. Essa diferença de escala explica por que reações nucleares podem liberar muito mais energia por partícula do que reações químicas.
Energia cinética e mecânica
Na mecânica clássica, uma partícula de massa e velocidade de módulo tem energia cinética
Pelo teorema do trabalho-energia, o trabalho total das forças que atuam sobre a partícula é igual à variação de sua energia cinética.
O valor de depende do referencial em que a velocidade é medida.
Um corpo rígido em rotação em torno de um eixo fixo tem energia cinética
em que é o momento de inércia em relação a esse eixo e é o módulo da velocidade angular. O momento de inércia depende de como a massa se distribui em torno do eixo.
Para um corpo rígido que rola, a energia cinética é a soma das parcelas de translação do centro de massa e de rotação em torno dele,
Nessa expressão, é a massa total, é a velocidade do centro de massa e é o momento de inércia em relação ao eixo de rotação que passa por ele.
A energia mecânica é a soma da energia cinética com a energia potencial, . Ela se conserva quando o trabalho das forças não conservativas é nulo. O atrito pode transformar energia mecânica em energia interna, sem alterar a energia total do conjunto de corpos envolvidos.
Energia dos campos e da radiação
Os campos elétrico e magnético armazenam energia. No vácuo, a energia por unidade de volume é
em que e são os módulos dos campos, e e são a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética do vácuo. Ondas eletromagnéticas transportam essa energia pelo espaço e podem transferi-la à matéria. O fluxo de energia é dado pelo vetor de Poynting,
Sua direção é a do transporte de energia. Seu módulo fornece a potência que atravessa uma unidade de área perpendicular ao fluxo, medida em watts por metro quadrado.
História miniaturadaimagem|upright|Thomas Young, que empregou o termo "energia" em substituição a "vis viva" em 1807. A história da energia começa com o termo grego ἐνέργεια (energeia, "atividade, operação"), possivelmente cunhado no ambiente da Academia por seus membros, ou no contexto da teoria médica hipocrática ou por Aristóteles, com a ocorrência mais antiga preservada hoje aparecendo nas obras deste último, em seus conceitos de potência e ato. O termo tinha um sentido filosófico qualitativo e abrangia ideias como felicidade e prazer. A palavra foi utilizada por Kepler em 1619, mas aparece em sentido moderno provavelmente pela primeira vez no uso por Johann Bernoulli, que a emprega para indicar equilíbrio de forças virtuais.Jammer, Max. «Energie». In Ritter, Johann; Gründer, Karlfried; Gabriel, Gottfried. Historisches Wörterbuch der Philosophie online. Schwabe Online.Newton, David E. (2006). «Energy». In: Borchert, Donald M. Encyclopedia of Philosophy (em inglês). [S.l.]: Macmillan Reference USA É com o desenvolvimento da termodinâmica, em meados do século XIX, que ela adquire sentido fundamental na ciência, naquele contexto vinculado à quantidade de trabalho economizado e força. Na década de 1850, William Thomson e William Rankine substituirão a antiga linguagem da mecânica com novos termos como "energia atual", "energia cinética" e "energia potencial".Smith, Crosbie (1998). The Science of Energy - a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. The University of Chicago Press. ISBN 0-226-76421-4.
Leibniz empregaria a definição de energia cinética sob a denominação "vis viva", em controvérsia contra os cartesianos. Essa expressão latina significava "força viva", definida como o produto da massa de um objeto pelo quadrado de sua velocidade. Ele acreditava que a vis viva total se conservava. Para explicar a desaceleração causada pelo atrito, propôs que a energia térmica consistia no movimento das partes constituintes da matéria, mas essa ideia só teria ampla aceitação mais de um século depois. A energia cinética, equivalente moderno dessa propriedade, difere da vis viva apenas por um fator de dois. No início do século XVIII, Émilie du Châtelet propôs o conceito de conservação da energia em anotações à margem de sua tradução francesa dos Principia Mathematica, de Newton. Foi a primeira formulação de uma grandeza mensurável que se conservava e era distinta do momento linear, e que receberia o nome de "energia".
Em uma carta a Pierre Varignon, de 1717, Johann Bernoulli usou o termo "energia" ao discutir o equilíbrio de forças e as velocidades virtuais. Esse emprego antecedeu o conceito físico desenvolvido no século XIX.
Em 1807, Thomas Young empregou o termo "energia" em substituição a vis viva. Gustave-Gaspard Coriolis formulou o conceito moderno de "energia cinética" em 1829. Em 1853, William Rankine criou o termo "energia potencial". Na década de 1850, Rankine e Thomson empregaram os termos "energia potencial" e "energia atual". Thomson adotou depois "energia cinética" para a energia de movimento. A lei da conservação da energia também foi proposta pela primeira vez no início do século XIX e se aplica a qualquer sistema isolado. Por alguns anos, discutiu-se se o calor era uma substância física, chamada de calórico, ou apenas uma grandeza física, como o momento linear. Em 1845, James Prescott Joule descobriu a relação entre o trabalho mecânico e a produção de calor.