Usuário(a):Rpez/Energia Interna
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A energia de todo um sistema termodinâmico que consiste em partículas, moléculas ou átomos, pode ser decomposto em duas partes:
- A energia cinética que corresponde ao movimento de todo o sistema e o movimento das partículas que o constituem.
- A energia potencial do sistema devido às interações com o ambiente externo através de campos gravitacionais, elétricos ou magnéticos, mas também devido às interações entre as moléculas, íons, átomos, elétrons, núcleos, núcleons etc... que constituem este sistema.
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Existem, portanto, dois níveis de realidade para a energia total do sistema:
- Nível macroscópico sensível aos sentidos ou seja, a nossa escala humana, correspondente à energia cinética macroscópica do sistema em movimento dentro de um dado: macroscópico e da energia potencial do sistema colocados em campos gravitacionais, elétrico ou magnético: .
- Nível microscópico inacessível aos nossos sentidos, correspondendo a microscópicas energias cinéticas que pode ser comparadas ao movimento térmico das partículas e as energias potenciais de todas as interações microscópicas que podem assimilar a energia de ligações químicas e as energias de interação entre núcleons (energia nuclear) .
A energia interna de um sistema termodinâmico é a soma das suas energias microscópicas .
A 1º Lei da termodinâmica estabelece que a variação da energia interna () de um sistema corresponde à energia térmica (Q) recebida pelo sistema na forma de calor menos a energia cedida pelo sistema à sua vizinhança na forma de trabalho (W).
A unidade do Sistema Internacional de Unidades utilizada para a energia interna é o joule (J).
Definição
editarEm Termodinâmica a energia interna de um sistema corresponde à soma de todas as energias cinéticas - o que traduz-se assumido o referencial adequado à definição [1] por energia térmica - e das energias potenciais - com destaque para a energia potencial elétrica - associadas às partículas que compõem um dado sistema termodinâmico. Em caso de sistemas fora do âmbito da física clássica deve-se incluir também como integrante da energia interna, em acordo com o princípio da equivalência massa energia, uma parcela de energia associada à massa deste sistema (E=mC²). Para sistemas clássicos esta parcela pode, entretanto, ser perfeitamente suprimida uma vez que neste caso a lei da conservação de energia em seu sentido mais abrangente degenera-se em duas leis distintas, as leis clássicas da conservação da energia e a da conservação da massa.
Na maioria das reações químicas espontâneas exoenergéticas a energia inicialmente armazenada na forma de energia potencial elétrica na distribuição eletrônica dos elétrons na estrutura dos reagentes é convertida em energia térmica armazenada nas partículas dos produtos, o que mantém a energia interna do sistema formado pelos reagentes e/ou produtos constante em obediência à lei da conservação da energia mas leva a um considerável aumento da a temperatura do sistema como um todo. Este sistema aquecido é então utilizado como a fonte quente em uma máquina térmica que tenha por função transformar parte da energia térmica da fonte quente em trabalho. Durante o funcionamento da máquina térmica as energias térmica e interna da fonte quente diminuem de forma a suprirem o trabalho realizado e a energia térmica que acaba obrigatoriamente (em acordo com a segunda lei da termodinâmica) renegada à fonte fria. Como exemplo direto tem-se a combustão da gasolina nos automóveis.
Não é nada trivial medir-se a quantidade absoluta de energia interna de um sistema, e em verdade isto raramente é necessário. Para quase todos os fins práticos determinam-se não os valores absolutos da energia interna em si mas sim as variações que ocorrem nesta energia: quando o sistema toma parte em um processo termodinâmico pode-se quase sempre determinar, com razoável facilidade experimental, a quantidade de energia que o sistema cede ou recebe quer na forma de calor quer na forma de trabalho; uma simples aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica fornece por resultado a variação na energia interna desejada.
Experimentalmente verifica-se que é a variação de energia interna de um sistema e não os valores absolutos desta que retém real significado experimental e prático.
A energia interna é uma função de estado de forma que sua variação depende apenas dos estados inicial e final, mostrando-se por tal independente dos processos que eventualmente levam o sistema do referido estado inicial ao referido estado final.
Há duas formas de se fazer a energia interna de um sistema fechado variar: via calor, e via trabalho. A 1º Lei da termodinâmica estabelece que a variação da energia interna ( ) de um sistema corresponde à energia térmica (Q) recebida pelo sistema na forma de calor menos a energia cedida pelo sistema à sua vizinhança na forma de trabalho (W).
A unidade do Sistema Internacional de Unidades utilizada para a energia interna é o joule (J).
Relações
editarEnergia interna do gás ideal
editarA termodinâmica usa muitas vezes o conceito de gás ideal para fins de ensino e como uma aproximação dos sistemas de trabalho. O gás ideal é o gás das partículas consideradas como objetos pontuais que interagem apenas por colisões elásticas e enchem um volume tal que o seu caminho livre médio entre colisões é muito maior que o seu diâmetro. Aqui, a energia cinética consiste apenas na [translação [(física) | translacional]] da energia dos átomos individuais. Partículas monoatômicos não giram ou vibrar, e não são eletronicamente animadas para energias mais altas, exceto em temperaturas muito altas.
Gás ideal monoatômico
editarUm gás ideal monoatômico (formado por átomos isolados e não por moléculas) como o Hélio e o Neônio, por exemplo, possui uma energia interna proveniente da soma das energias cinéticas de translação dos átomos (de acordo com a teoria quântica, átomos isolados não possuem energias cinéticas de rotação)[2].
Onde:
- é o número de mols do gás;
- é a constante dos gases ideais e;
- a temperatura do gás.
A partir dessa equação pode-se calcular o calor específico molar de um gás.
Quantidade de energia interna
editarÉ possível definir a quantidade de energia interna de um sistema através da função:
onde:
- corresponde ao equivalente em energia da massa de repouso e independe do estado termodinâmico;
- é o somatório das energias cinéticas das partículas que constituem o sistema;
- é o somatório das energias potenciais das partículas que constituem o sistema.
O referencial para medida da energia interna é sempre assumido como estático em relação ao centro de massa do sistema em questão. Energias oriundas de interações entre alguma parte do sistema e quaisquer partes pertencentes à vizinhança do sistema não são incluídas no cômputo da energia interna do sistema.
Tipos de energia interna
editarTipo | Quando é formado |
---|---|
Energia latente | A energia potencial associada com a mudança de fase |
Energia térmica | A energia potencial associada com mudanças de temperatura |
Energia química | A energia potencial associada com reações químicas |
Energia nuclear | A energia potencial associada com reações nucleares |
- Energia latente é parte da energia interna devido à fusão , vaporização ou sublimação de substâncias.
- A energia térmica é parte energia interna devido a energia cinética de translação, rotação, vibração das moléculas, translação dos elétrons e de spin dos elétrons e dos núcleos . Incluem a energia de calor latente.
- A energia química é a parte da energia interna devido às forças intramoleculares.
- A energia nuclear é a parte da energia interna devido a forças intra-atômicas.
Exemplos
editar- Um gás adiabaticamente comprimido possui maior energia interna do que possuia antes em sua forma expandida;
- Uma mola adiabaticamente comprimida tem uma energia interna maior do que se a mesma quando esticada;
- Uma dada massa de vapor de água tem energia interna maior do que a mesma massa quando em forma de água fria;
- Uma bateria carregada tem energia interna maior do que se a mesma estivesse descarregada.
História
editarJames Joule estudou a relação entre calor, temperatura e trabalho. Observou que se aplicar trabalho mecânico em um fluido, tal como a água, agitando o fluido, a sua temperatura aumenta. Ele propôs que o trabalho mecânico que estava fazendo no sistema foi convertido em energia térmica. Especificamente, ele descobriu que 4185,5 joules de energia são necessários para elevar a temperatura de um quilograma de água em um grau Celsius.
Referências
- PILLA, Luiz Come. FISICO-QUÍMICA 1V. 1979