Quando você pensa na palavra “energia”, provavelmente pensa em algo como a energia cinética de um objeto em movimento, ou talvez a energia potencial que algo pode possuir devido à gravidade.
No entanto, na escala microscópica, oenergia internaum objeto possui é mais importante do que essas formas macroscópicas de energia. Em última análise, essa energia resulta do movimento das moléculas e geralmente é mais fácil de entender e calcular se você considerar um sistema fechado que é simplificado, como um gás ideal.
Qual é a energia interna de um sistema?
Energia interna é a energia total de um sistema fechado de moléculas, ou a soma da energia cinética molecular e a energia potencial de uma substância. A cinética macroscópica e as energias potenciais não importam para a energia interna - se você mover o todo sistema fechado ou mudar sua energia potencial gravitacional, a energia interna permanece a mesmo.
Como seria de esperar de um sistema microscópico, calcular a energia cinética de uma infinidade de moléculas e suas energias potenciais seria um desafio - senão praticamente impossível - tarefa. Portanto, na prática, os cálculos da energia interna envolvem médias, e não o processo meticuloso de calculá-la diretamente.
Uma simplificação particularmente útil é tratar um gás como um "gás ideal", que se supõe não ter forças intermoleculares e, portanto, essencialmente, nenhuma energia potencial. Isso torna o processo de cálculo da energia interna do sistema muito mais simples e não está longe de ser preciso para muitos gases.
A energia interna é às vezes chamada de energia térmica, porque a temperatura é essencialmente uma medida do energia interna de um sistema - é definida como a energia cinética média das moléculas no sistema.
Equação de energia interna
A equação de energia interna é uma função de estado, o que significa que seu valor em um determinado momento depende do estado do sistema, não de como ele chegou lá. Para energia interna, a equação depende do número de moles (ou moléculas) no sistema fechado e sua temperatura em Kelvins.
A energia interna de um gás ideal tem uma das equações mais simples:
U = \ frac {3} {2} nRT
Ondené o número de moles,Ré a constante universal de gás eTé a temperatura do sistema. A constante do gás tem o valorR= 8,3145 J mol−1 K−1, ou cerca de 8,3 joules por mole por Kelvin. Isso dá um valor paravocêem joules, como seria de esperar para um valor de energia, e faz sentido porque temperaturas mais altas e mais moles da substância levam a uma energia interna mais alta.
A Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica é uma das equações mais úteis ao lidar com a energia interna e afirma que a mudança na energia interna de um sistema é igual ao calor adicionado ao sistema menos o trabalho realizado pelo sistema (ou,maiso trabalho feitosobreo sistema). Em símbolos, é:
∆U = Q-W
Esta equação é realmente simples de trabalhar, desde que você saiba (ou possa calcular) a transferência de calor e o trabalho realizado. No entanto, muitas situações simplificam ainda mais as coisas. Em um processo isotérmico, a temperatura é constante e, como a energia interna é uma função de estado, você sabe que a mudança na energia interna é zero. Em um processo adiabático, não há transferência de calor entre o sistema e seus arredores, então o valor deQé 0, e a equação se torna:
∆U = -W
Um processo isobárico é aquele que ocorre a uma pressão constante, e isso significa que o trabalho realizado é igual à pressão multiplicada pela mudança de volume:C = P∆V. Os processos isocóricos ocorrem com um volume constante e, nesses casos,C= 0. Isso deixa a mudança na energia interna igual ao calor adicionado ao sistema:
∆U = Q
Mesmo se você não puder simplificar o problema de uma dessas maneiras, para muitos processos, não há trabalho feito ou pode ser facilmente calculado, portanto, encontrar a quantidade de calor ganha ou perdida é a principal coisa que você precisa Faz.