PHILOSOPHIAE NATURALIS

 

MATÉRIA E ENERGIA

O conceito de matéria

No estudo da Ciência, a composição do Universo é dividida em duas entidades – matéria e energia. De acordo com o método cientifico, devemos realmente admitir que pode haver no Universo algo mais além da matéria e da energia, mas até agora a Ciência não encontrou este componente. A matéria inclui os materiais que formam o Universo: as rochas, a água, o ar e a multiplicidade de coisas vivas. Tudo que é sólido liquido ou gasoso é uma forma de matéria.

         Classificar algo como matéria não significa, entretanto, que conheçamos a natureza real da matéria. Sabemos que os químicos  desdobram a matéria para determinar seus constituintes, e o físico deseja saber o que mantém tais constituintes unidos; mas as partículas fundamentais e as leis da matéria parecem ser sempre um desafio.

         A melhor maneira de adquirir um conceito de matéria é trabalhar com ela e descrever suas várias formas. Uma descrição não é uma definição no sentido real da palavra, mas reduz uma idéia abstrata a termos bem concretos.

Propriedades da matéria

As propriedades são usadas para descrever a matéria. Ao descrevermos uma pessoa, por exemplo, referimo-nos às suas propriedades: sua altura, aparência, disposição, habilidades; semelhantemente, todas as espécies de matéria apresentam propriedades, e do mesmo modo que alguém pode ser identificado pela relação de suas propriedades, determinada espécie de matéria o pode ser por intermédio de suas características. Na verdade, é mais fácil discutir a matéria em termos de suas propriedades do que explicar a sua natureza final,

         As propriedades da matéria podem ser divididas em duas categorias: as que podem ser determinadas sem alteração essencial da substância, e aquelas que só se evidenciam quando a substância sofre interação com outra forma de matéria.

         A última classe de propriedades, que exigem uma mudança na composição da matéria, inclui as chamadas propriedades químicas, enquanto que as primeiras, em que não há necessidade disto, são chamadas propriedades físicas. Por  exemplo, a capacidade de uma substância de queimar-se é uma propriedade química, enquanto que o seu ponto de fusão é uma propriedade física.

         O número de propriedades que pode ser enumerado para uma substância é virtualmente infinito. Os manuais especializados de Física e Química dedicam centenas de páginas ao relacionamento das propriedades de várias formas de matéria. Da mesma maneira que existem novas facetas do caráter de uma pessoa, para as quais ela não está alertada, os cientistas constantemente estão descobrindo novas propriedades da matéria.

         Em vez de catalogar aqui as propriedades físicas da matéria com que entraremos em contato, é melhor discuti-las à medida que forem surgindo. Mas, no estudo da Física, é importante reconhecer o fato de que, se uma propriedade não pode ser medida e comparada com alguma espécie de padrão, não tem utilidade para o cientista: Sem medida não pode existir Ciência, e quanto mais precisamente se possa medir determinada propriedade, mais completa será a descrição da matéria.

Massa e peso

Uma propriedade básica da matéria é sua massa: A massa de uma substância é a medida da quantidade de matéria nela contida. As medidas de massa são baseadas no quilograma/massa, que é conservado em um depósito especial no Bureau Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, próximo de Paris, na França. Em vários lugares de todo o mundo estão guardadas duplicatas deste padrão. No Brasil acham-se guardadas na Casa da Moeda, no Rio de Janeiro.

         A massa de uma substância não varia. com a temperatura; pressão ou localização no espaço. Um objeto com a massa de 1kg terá esta massa na Terra, na Lua, em Marte ou quando flutuando no espaço. Mas de que maneira determinamos a massa de uma substância? É suficiente uma comparação de tamanho com a massa padrão? Evidentemente, não, já que os objetos podem ter o mesmo volume, mas concentrações diferentes de matéria; um pode ser firmemente comprimido, como uma peça de metal, enquanto que outro pode ter estrutura esponjosa.

         Em lugar do volume, devemo-nos voltar para outra propriedade da matéria sua reação às forças. Por enquanto, podemos definir uma força como algo que tende a modificar a posição ou a direção do movimento de um objeto. Um empurrão ou um puxão é uma força, e a matéria oferece resistência a empurrões ou puxões; quando empurramos um carro parado, o empurrão é a força, e o automóvel resiste a ela. Se não apresentasse tal resistência, não seria necessário o empurrão para colocá-lo em movimento. O fato de resistir mostra que o carro é formado de matéria. A resistência da matéria a qualquer alteração de seu estado de repouso ou movimento é chamada inércia.

         A inércia se manifesta não somente quando os objetos estão parados, mas também durante seu movimento. Uma bola de futebol em vôo continuará deslocando-se, a menos que alguma coisa o impeça; quando interpomos a cabeça o em sua trajetória, estamos novamente fornecendo a força necessária para levá-la ao repouso.

         Isto sugere a existência de duas espécies de inércia - uma forma estacionária e outra de movimento, mas se trata, na verdade, da mesma propriedade da matéria que se está mostrando em circunstâncias diversas.

         A inércia da matéria é a chave para a medida da massa. Se dois objetos materiais,, inteiramente livres para se moverem; oferecem a mesma resistência a fuma dada força, então possuem a mesma massa, isto é, contêm a mesma quantidade de matéria.

         Um instrumento criado para a medida de massas por esta relação é a balança de inércia; se uma substância ou objeto é colocado na barra horizontal desta balança, e o sistema posto em vibração, o objeto mover-se-á para um lado e para o outro periodicamente, e a freqüência deste movimento dependerá da massa do objeto e da rigidez das molas. Como estas fornecem a força e a massa oferece a resistência, a balança de inércia é independente de sua localização no espaço.

         Se for conhecido o tempo de vibração de uma massa padrão, outras massas podem ser medidas determinando-se o tempo das vibrações que ocasionam. Isto pode ser feito locando-se em um gráfico as freqüências de várias massas conhecidas, e fazendo o mesmo com a freqüência da massa desconhecida, ou por meio da seguinte fórmula:

na qual m1 é uma massa conhecida (inclusive a massa da plataforma da balança), m2 a massa desconhecida (mais plataforma), T1 o tempo para uma vibração completa (ida e volta) de m1, e T2 o tempo correspondente para m2. Um bom método de determinar T1 e T2 é deixar a balança oscilar 100 vezes, e dividir o tempo total por 100.

Desta experiência podemos concluir que a massa é a medida da inércia de um objeto.

         Um termo que é muito confundido com massa é peso. Peso é uma medida da força gravitacional que atua sobre uma substância. Como esta força varia com a distância entre dois objetos, o pêlo de um corpo não é constante, e na ausência desta força será nulo, mas sua massa permanece inalterada.

         Uma unidade de força usada em Física é o newton; esta unidade não será definida de forma completa aqui, as o importante a lembrar aqui é que o newton e o quilograma não são unidades equivalentes. Com isto queremos dizer que é possível transformar quilogramas em newtons, ou vice-versa, da mesma forma que transformamos metros em centímetros. Trata-se de quantidades físicas diferentes, mas é correto dizer-se, por exemplo, que a massa de 1,0 kg 9,8 N no nível do mar.

Nas mesmas condições, os pesos de dois objetos estão na mesma razão que suas massas. Os dispositivos mais comumente usados no laboratório de Física para medir, massas e pesos são a balança de pratos e a balança de mola.

         A balança de prato compara a força gravitacional que atua sobre dois corpos por meio de alavancas, enquanto que a balança de mola mede esta força sobre um corpo, pela distorção de uma mola. Desta maneira, os dois aparelhos comparam massas indiretamente, já que as razões das massas são as mesmas que as dos pesos.

         A leitura da balança de mola variará com a altitude, e nenhum dos dois dispositivos poderá ser usado para comparar massas em um ambiente de gravidade nula. São, na verdade, "pesadores", e não "medidores de massa", já que não medem diretamente a massa de um objeto.

         Uma propriedade da matéria Intimamente relacionada com a massa é a massa específica, que se refere à quantidade de matéria em dado volume, e é definida como a massa de uma substância por unidade de volume. Assim, se um corpo ocupa um volume de 15 m3 e tem a massa de 450 kg, sua massa específica é 30 kg/m3. A fórmula matemática é d=m/v.:

         Ao se enunciar a massa específica de uma substância, é importante incluir as unidades (quilogramas por metro cúbico, gramas por centímetro cúbico, ou qualquer outra unidade de massa por unidade de volume), para que se possa compará-la com outros valores de massa específica.

Condições da matéria

Muitas propriedades da matéria não são constantes, variando com as condições do ambiente. Assim, a água congela quando está suficientemente fria, e ferve quando é aquecida o necessário. Em cada caso, as propriedades físicas da água foram alteradas. Da mesma forma, a massa especifica de um gás aumenta quando o mesmo é colocado sob pressão, e diminui quando a pressão é reduzida.

         0 ambiente da matéria é conhecido como suas condições. As condições incluem, entre outras coisas, a temperatura, pressão, concentração (no caso de soluções) e carga elétrica. Muitas das relações de causa e efeito que serão estudadas em Física, tanto na sala de aula como no laboratório, dirão respeito às variações de uma propriedade de uma substância com a mudança nas condições.

ENERGIA

O conceito de energia

A energia é ainda mais difícil de definir que a matéria. Ela não tem peso e só pode ser medida quando está sendo transformada, ou ao ser liberada ou absorvida. Por isso, a energia não possui unidades físicas próprias, sendo expressa em termos das unidades do trabalho que realiza. Em outras palavras, energia é a capacidade de realizar trabalho.

         Apesar de não ser definida com facilidade, a energia, em geral, é bastante perceptível, pelo fato de estar o homem dotado de sentidos apropriados para registrarem a presença de várias formas de energia. Nossos olhos reagem à energia luminosa, nossos ouvidos detectam a energia sonora; nervos especiais são sensíveis à energia térmica e outros nervos nos informam quando entramos em contato com energia elétrica.

Além das formas de energia que podem ser percebidas por meios fisiológicos, os cientistas descobriram outras variedades, o que significou a necessidade do desenvolvimento de instrumentos especiais de detecção e medida, para registrarem seus efeitos. Ainda mais, os cientistas ampliaram o campo e a sensibilidade dos sentidos humanos, por meio de dispositivos registradores especiais. Dentre as formas de energia que se enquadram nesta categoria "extra-sensorial" estão a energia química, a energia nuclear e a energia eletromagnética, acima e abaixo da faixa de freqüências que os seres humanos podem perceber.

         O estudo da energia é o conceito unificador da Física. Mais especificamente, o trabalho da Física é acompanhar e medir o curso da energia ao passar de uma forma para outra, pois as diversas formas de energia são intercambiáveis. E como a energia, da mesma maneira que a matéria, em geral não é criada nem destruída, segue um ciclo sem principio nem fim.

         Tomemos, por exemplo, a energia que gastamos em um passeio a pé. Nós a recebemos dos alimentos que comemos,

Um exemplo de energia potencial gravitacional

A quantidade de energia no livro depende do ponto zero escolhido para a experiência, os quais, por sua vez, a obtiveram dos nutrientes do solo e das radiações do sol; este desenvolveu-a nas reações nucleares em seu interior, etc. Acompanhando a continuação da marcha desta energia, a pressão de nossos pés sobre o solo aquece-o ligeiramente, e este calor é irradiado para o espaço, ajudando a evaporar a água da terra; o. que torna possível a chuva, etc.

         Como podemos concluir, um único ciclo de energia pode cobrir um curso inteiro de Física, e até mesmo ramificar-se em várias outras ciências.

         É importante ressaltar novamente que o estudo da natureza pode ser realizado como ciência pura e como tecnologia. A física pura trata das leis que descrevem as transformações da energia, e a Tecnologia toma essas leis e aplica-as à vida diária. Os princípios fundamentais da conversão da energia nuclear em elétrica fazem parte da física pura, mas a utilização de tais princípios na produção de energia elétrica, para uso industrial ou doméstico, enquadra-se nos domínios do engenheiro.

         As diversas formas de energia classificam-se logicamente em duas categorias: energia de movimento e energia de posição ou configuração. A primeira é chamada energia cinética, enquanto que a segunda recebe o nome de energia potencial.

Energia potencial

Se um livro for empurrado de cima de uma mesa, cairá ao chão, e enquanto está caindo, poderá chocar-se com algum outro objeto, e exercer uma força sobre ele. Neste processo, estará havendo transferência de energia do livro para o objeto, e se pesquisarmos a origem desta energia, verificaremos que estava contida no livro, quando o mesmo repousava sobre a mesa. O livro adquiriu tal energia quando alguém o levantou até o nível do tampo da mesa. A energia armazenada em um corpo é chamada energia potencial.

         Como a energia potencial pode sei convertida em trabalho, empregam-se as unidades de trabalho para medir e descrever esta forma de energia.

         Uma das unidades de trabalho é o newton-metro, que combina as grandezas força e distância; quando o livro cai para o chão, os newton-metro de energia que possui são transformados em trabalho, que se converte principalmente em energia térmica, no choque com o piso.

         De certo modo, o chão é um ponto zero arbitrário para o nosso exemplo. Se for cortado um buraco no mesmo, embaixo do livro, ele continuará a cair e a realizar mais trabalho; assim, para cada problema sobre energia potencial gravitacional, deve-se escolher um nível zero lógico.

         Um objeto pode ter, também, energia potencial não relacionada com a gravidade. Por exemplo, uma mola comprimida adquire sua energia da força que foi exercida sobre ela para colocá-la em tal situação; é o que se chama energia potencial interna. A energia química, de uma bateria de acumuladores é outro exemplo.

         A energia potencial interna não é tão fácil de calcular como a gravitacional, pois exige a familiarização com as transformações de várias formas de energia, e algumas, em especial as relacionadas com o interior do átomo, podem levar o problema até às fronteiras da física moderna.

         Uma experiência interessante, no campo da energia potencial, é determinarmos o destino da energia existente em uma mola comprimida, quando a dissolvemos em um ácido. Para onde vai sua energia interna? Que espécie de controle podemos estabelecer para verificarmos as hipóteses feitas? Discuta o. problema com seus colegas e veja o que pode ser proposto, e depois planeje uma experiência para verificar as idéias formuladas.

Energia cinética

Qualquer objeto em movimento possui energia cinética. Isto é o mesmo que dizer que tudo tem energia cinética, pois os cientistas estão convencidos de que tudo que existe no universo está-se movendo de algum modo.

         Desta forma, deparamo-nos outra vez com o problema de escolher um ponto zero arbitrário, ou um ponto estacionário, no presente caso. Em geral, na Física terrestre, a superfície da Terra é considerada como estacionária, e um objeto nela em repouso é tomado como tendo energia cinética nula.

         A energia cinética de um objeto depende de sua massa e de sua velocidade, e as unidades usadas são o quilograma e o metro por segundo. Não veremos aqui, mas a combinação de unidades pode ser convertida na mesma unidade de trabalho usada para a energia potencial, o newton-metro. Em outras palavras, a energia cinética de um objeto é a medida de sua capacidade de realizam trabalho sobre outros objetos; quando é levado até o repouso.

         Existe uma interação constante entre energia potencial e energia cinética. Consideremos novamente o pêndulo; quando está no ponto mais alto de sua oscilação, fica momentaneamente estacionário, e neste ponto toda sua energia é potencial, exceto a energia cinética interna. À medida que começa a descer, parte da energia potencial se transforma em energia cinética, e no ponto mais baixo da trajetória, que consideraremos como nível zero para a energia potencial, a energia cinética do pêndulo é máxima, pois tem a máxima velocidade. À medida que sobe no outro lado do arco, o intercâmbio de energia se inverte. Durante todas estas transformações, a quantidade total de energia é a mesma - trata-se somente da passagem de um tipo para outro. Esta constância da energia total de um sistema é chamada conservação da energia.

         A conservação da energia foi demonstrada de forma indiscutível pelas clássicas experiências realizadas pelo Conde de Rumford e por James Prescott Joule, na primeira parte do século XIX.

         Naquela época, a maior parte dos cientistas considerava o calor como um fluido, chamado calórico, que podia entrar ou sair dos objetos, sem afetar seu pêso. 0 Conde Rumford interessou-se pela teoria calórica quando supervisionava a perfuração de barras de bronze, para a fabricação de tubos de canhões; as aparas de bronze resultantes do trabalho de perfuração ficavam tão quentes que podiam ferver a água, quando jogadas dentro dela. De onde provinha todo esse "calórico”?

         De acordo com a teoria calórica, este fluido era "espremido" do bronze durante a perfuração, mas Rumford verificou que outras peças de bronze quente podiam aquecer a água com a mesma eficiência que as aparas dos tubos dos canhões. Isto mostrou que, afinal, não existia o calórico, e que o calor não era uma substância, e sim provavelmente Algo muito relacionado com o movimento do processo de perfuração. Rumford raciocinou ainda que a quantidade de calor que poderia ser assim obtida era ilimitada.

         Joule continuou as investigações a respeito do calor, estabelecendo a relação exata entre ele e a energia mecânica. Verificou que a quantidade de calor produzida é determinada pelo trabalho mecânico consumido; tal relação é discutida em textos de Física Térmica.

         A equivalência entre calor e energia mecânica forneceu evidências fortes de que o calor deve ser uma forma de energia, apoiando também a teoria de que a quantidade total de energia permanece constante quando ela é transformada de uma espécie em outra.

Relação entre matéria e energia

Até aqui estivemos discutindo matéria e energia como se fossem duas espécies inteiramente diversas de realidade. Contudo, as duas estão, em geral, inseparavelmente _ relacionadas. Cada objeto contém algum tipo de energia, e a idéia de energia quase sempre não apresenta significado, se não puder ser descrita em termos da substância com que está associada. Por exemplo, a energia térmica não existe no vácuo perfeito, e a energia elétrica, na grande maioria dos casos, reside em partículas ou objetos.

         Em 1905, Einstein exprimiu a relação entre matéria e energia por meio da célebre fórmula:

na qual E representa unidades de energia (unidades de trabalho), m é a massa e c a velocidade da luz. Einstein desenvolveu esta fórmula a partir de considerações totalmente teóricas, e na época não havia meios de verifica-la em laboratório. Experiências recentes, todavia, mostraram que a fórmula é correta.

         A fórmula de Einstein estabelece que há uma proporcionalidade entre massa e energia, isto é, quando uma cresce a outra também aumenta, e quando uma diminui a outra decresce. A fórmula pode ser interpretada como significando que determinada quantidade de massa é equivalente a certa energia. Assim, usando 3 X 108 m/s como velocidade da luz, a massa de um quilograma é equivalente a , ou

A massa de um objeto varia com a velocidade. Quando um objeto está em repouso em relação ao observador e seus instrumentos de medida, dizemos que tem sua massa de repouso. Estando o objeto em movimento, sua massa cresce, aumentando rapidamente à medida que o objeto se aproxima da velocidade da luz; é a massa relativística, assim chamada por estar de acordo com a teoria da relatividade de Einstein. Na fórmula massa-energia, acima, m é a massa relativística. A tabela a seguir mostra a relação entre a velocidade de um objeto e sua massa relativística

         Um exemplo simples servirá para ilustrar a idéia de massa relativística e sua relação com a energia. Quando lançamos uma bola, estamos-lhe fornecendo energia, isto é, há transferência de energia entre nós e a bola. A fórmula massa-energia nos mostra que, enquanto a bola está em movimento, sua massa será maior que no repouso. Tanto a energia como a massa da bola aumentaram, e a massa e a energia suplementares foram por nós fornecidas. Todavia, não se trata de um bom método para emagrecer, a menos que pudéssemos lançar a bola com uma velocidade próxima da luz. Quando a bola pára, sua massa retorna ao valor de repouso, e sua energia cinética é quase toda transformada em calor.

         Durante todos esses acontecimentos, tanto a massa como a energia foram conservadas, não havendo criação ou destruição de nenhuma delas. Tal fato é expresso pela lei da conservação da matéria e da energia: a quantidade total de matéria e energia no Universo permanece constante. Trata-se de uma das leis mais importantes da Física, mas não se deve supor que a fórmula de Einstein é uma prova da mesma, pois esta fórmula seria válida mesmo que a energia e a massa totais do Universo variassem.

         As leis da conservação apóiam-se em repetidas medidas de laboratório, que mostram que a massa e energia não se perdem nas reações químicas e físicas. Alguns cientistas acreditam que estas leis não são válidas para as grandes energias e massas do espaço exterior; mas isto ainda não foi verificado; os desvios previstos por estes cientistas são muitos pequenos para que possam ser medidos diretamente com os instrumentos atuais.

         A relação entre matéria e energia tornar-se-á evidente no estudo da Física, ainda de outro modo. Geralmente cona energia luminosa em termos e a matéria em termos de partículas. Na realidade, existem ocasiões em que a luz age como se tivesse propriedades materiais. Em outras palavras, existem fenômenos luminosos que só podem ser explicados considerando a luz como formada de partículas discretas. Por outro lado, as partículas de matéria apresentam propriedades ondulatórias.

         Esta dualidade de onda e partícula é uma chave, e ao mesmo tempo um quebra-cabeça, na Física, e os cientistas admitem francamente que estão longe de compreendê-lo completamente. Talvez o leitor venha um dia a desempenhar papel importante na resolução deste segredo fundamental  da natureza.

Adaptado de “Mecânica”  do Prof. L. P. Maia