A energia de um sistema termodinâmico, composto por um grande número de partículas tais como íons, moléculas, átomos ou mesmo fótons, pode ser decomposta em três partes:
- As energias cinéticas atreladas ao movimento de todo o sistema e ao movimento das partículas que o constituem.
- As energias potenciais do sistema devidas às interações com o ambiente externo (expressas via campos gravitacionais, elétricos ou magnéticos), e devidas às interações internas entre as moléculas, íons, átomos, elétrons, núcleos, núcleons e demais elementos que constituem esse sistema.
- As energias de campos radiantes confinados pelas fronteiras do sistema, tipicamente as energias de fótons térmicos confinados.
Existem, portanto, dois níveis de escala para a energia total do sistema:
- Nível macroscópico, sensível aos sentidos, ou seja, definido em escala humana ou superior, abarcando a energia cinética macroscópica do sistema quando em movimento em relação a um referencial inercial à parte dele, e as energias potenciais do sistema quando imerso em campos gravitacional, elétrico ou magnético macroscopicamente estabelecidos por fontes externas.
- Nível microscópico, inacessível aos nossos sentidos, abarcando a soma das energias cinéticas das partículas constituintes - atrelada ao movimento térmico destas; as energias potenciais de todas as interações entre tais partículas microscópicas, com destaque para a elétrica no caso das energias nas ligações químicas (energia química) e para a nuclear no caso das energias de interação entre núcleons (energia nuclear); e a soma das energias das partículas de campo confinadas.
A energia interna de um sistema termodinâmico (semi)clássico - onde massa e energia são tratadas como grandezas não relacionadas - corresponde à soma das suas energias microscópicas.
Em sistemas didáticos ou modeláveis de forma simples - entendidos como compostos apenas por partículas com massa e absolutamente neutras - não há energia radiante confinada ou essa é em prática ignorável, e a energia interna escreve-se usualmente:
A energia interna tem por parcelas apenas as energias atreladas diretamente aos constituintes do sistema e por tal encerradas pela fronteira que define o sistema, nela não figurando as energias atreladas às interações entre o sistema e sua vizinhança, portanto.
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 durante o processo menos a correspondente 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).
Índice
[esconder]Definição[editar | editar código-fonte]
Em 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. A energia atrelada à radiação térmica confinada também integra a energia interna, e sua contribuição inclui-se usualmente na parcela de energia térmica. O tratamento rigoroso da radiação térmica usualmente requer, contudo, conhecimentos mínimos oriundos da física quântica. 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, e em vários casos também a anterior, podem entretanto ser perfeitamente suprimidas uma vez que, nestes casos, 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; e em sistemas constituídos por partículas fundamentais pressupostas perfeitamente neutras não espera-se a existência de radiação térmica (essa fazendo-se contudo presente, nos casos reais assim modelados, em escala desprezível).
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).
Termodinâmica[editar | editar código-fonte]
Embora definida conforme apresentado em termos de seus constituintes microscópicos, a definição de energia interna deu-se em primeira mão através de medidas e observações atreladas a grandezas macroscopicamente estabelecidas, e na confiança atrelada a princípios físicos fundamentais como o da conservação da energia. Dos rigores atrelados à termodinâmica, derivou-se também que, quando expressa em função das grandezas entropia S, número de elementos N, e do volume V - para o caso de sistemas termodinâmicos mais simples - a energia interna é, assim como o são as respectivas Transformadas de Legendre, a saber a Energia livre de Helmholtz , a Entalpia e a Energia livre de Gibbs , uma equação fundamental para os sistemas termodinâmicos, sendo então possível, a partir desta e do formalismo matemático inerente à termodinâmica, obter-se qualquer informação física relevante a qual esta encontre-se vinculada.[2]
As transformadas de Legendre da energia interna bem como ela própria são conhecidas como potenciais termodinâmicos.
Em termos matemáticos[editar | editar código-fonte]
É 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.
- é o somatório das energias dos campos radiantes, tipicamente as energias de fótons térmicos, confinados no 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.
Parcelas da energia interna[editar | editar código-fonte]
Tipo | Contexto |
---|---|
Energia térmica | A energia cinética associada com mudanças de temperatura. |
Energia química | A energia potencial, com destaque para a elétrica, associada com eletrosferas e reações químicas. |
Energia nuclear | A energia potencial associada com os nucleôns e com reações nucleares. |
Massa | Quando pertinente, massa é tratada como se energia o fosse (). |
Energia radiante | A energia dos fótons confinados em um sistema termodinâmico integra sua energia térmica, e interna. |
- A energia térmica é parte energia interna devido à translação, rotação, vibração das partículas; quer sejam elas íons, átomos ou moléculas, quer sejam elas partículas de outra natureza, como elétrons ou nucleôns.
- A energia química é a parte da energia interna devido às forças que afetam a eletrosfera, com destaque para as de natureza elétrica.
- A energia nuclear e a massa: a energia nuclear é a parte da energia interna devido a forças intra-nucleares. Dada a sua ordem de grandeza, a energia potencial nuclear associada à coesão dos nucleôns figura como elemento determinante da massa do átomo, e aparece por tal inclusa na parcela de energia associada à massa de repouso do átomo, . Se necessário dada a precisão, a massa dos elétrons também inclui-se.
- Em sistemas não convencionais onde haja radiação confinada, a energia atrelada a essa radiação, ou seja, a energia dos fótons que integrem o sistema - a exemplo em cavidades de corpos negros - também constitui parcela da energia interna desse. Tal energia geralmente é tratada como energia térmica.
Exemplos[editar | editar código-fonte]
- Um gás adiabaticamente comprimido possui maior energia interna do que possuía 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.
Energia interna do gás ideal[editar | editar código-fonte]
A termodinâmica usa muitas vezes o conceito de gás ideal para fins de ensino dada a sua simplicidade, sendo esse modelo uma boa aproximação para os sistemas gasosos reais em uma ampla faixa entre os estados possíveis. O gás ideal é o gás das partículas 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. Os gases ideiais podem ser monoatômicos, diatômicos, triatômicos, etc., contudo a unidade pelos átomos formadas é tratada como indivisível, embora possa vibrar. Tal unidade mostra-se também eletricamente neutra e apolar, de forma que uma unidade não interage eletricamente com outras em sua vizinhança. Por tal, nos gases ideais a energia interna clássica atrela-se apenas à energia cinética de translação, vibração e rotação das partículas individuais, ou seja, atrela-se apenas à energia térmica e por tal à temperatura do sistema.
Os gases reais, quando em altas temperaturas, baixas pressões e baixas densidades, portam-se como gases ideais. Nas condições ambientes os gases da atmosfera são com muito boa aproximação tratados como gases ideais.
Equipartição de energia[editar | editar código-fonte]
De acordo com o princípio de equipartição de energia, temos a energia cinética de translação em um eixo relacionada apenas a sua temperatura T, sendo esta igual à:
Onde:
é a massa;
é a velocidade média;
é a constante de Boltzmann;
a temperatura absoluta.
Considerando que as moléculas possuem movimentos em 3 dimensões, admite-se que a energia cinética média do gás, em relação à todas as direções, é a soma da energia cinética média equivalente a cada eixo, sendo:
Onde:
é o número de moléculas;
é o número de mols do gás e;
a constante dos gases ideais.
Gás ideal monoatômico[editar | editar código-fonte]
Partículas monoatômicas não giram ou vibram, e não são eletronicamente animadas para energias cinéticas típicas, ou seja, nem em temperaturas extremamente baixas, onde há interações de natureza elétrica entre elas, e nem em temperaturas extremamente altas, onde o gás degenera-se então em plasma. Um gás ideal monoatômico - formado por átomos isolados e não por moléculas - tal como o hélio, o neônio ou outro gás nobre, por exemplo, possui uma energia interna proveniente da soma das energias cinéticas de translação dos átomos. [3].
Em um gás monoatômico sua energia interna está relacionada à energia cinética de translação, então, ela é dita como:
A partir dessa equação pode-se calcular a capacidade térmica molar à volume constante de um gás ideal monoatômico. Derivando a equação acima:
Rearranjando:
Sabe-se que capacidade térmica em um processo isocórico é dada por:
Combinando as equações anteriores:
Sendo , a capacidade térmica molar de um gás ideal à volume constante.
Gás ideal poliatômico[editar | editar código-fonte]
Quando nos referimos a gases poliatômicos, com dois ou mais graus de liberdade, a energia interna total do gás pode se referir não apenas à energia cinética média, mas também ser referente à sua rotação e à sua vibração. De acordo com o teorema de equipartição de energia, tem-se que cada grau de liberdade acrescentado ao sistema equivale a garantindo então que a energia interna, depende apenas da temperatura absoluta do gás.
Seguindo o princípio da equipartição da energia e o modelo atômico molecular da matéria, a energia interna de um gás ideal é dada por:
Onde L representa o número de graus de liberdade atrelado à natureza das partículas: 3 para gases monoatômicos, 5 para diatômicos rígidos (modelado por haltere), 6 para diatômicos incluso vibração, etc.
Experimentos de Joule para a energia interna[editar | editar código-fonte]
Conforme Joule estudava a energia interna de um gás ideal, promoveu alguns outros experimentos, como os da expansão livre, e o de trabalho necessário para alterar a temperatura de um sistema. Com a ajuda de William Thomson, o Lorde Kelvin, aprimorou a experiência inicial da expansão livre, com o objetivo de se detectar pequenas variações de temperaturas. Os experimentos citados estão descritos a seguir.
Experimento de Joule para equivalência mecânica do calor
Em um sistema, a temperatura pode ser mudada ao se fornecer ou retirar calor, ou fornecendo algum trabalho.
Joule usando um sistema conforme a figura ao lado, em seu experimento, conseguiu determinar a quantidade de trabalho realizado para aumentar a temperatura de uma libra de água em um grau de Fahrenheit.
O aparato usado por Joule, era de um sistema fechado que converte a energia potencial em calor. O experimento baseava-se em dois pesos caindo de forma alternada, que convertia a energia potencial em trabalho realizado sobre a água, por intermédio da pá. Os pesos ao cair de forma alternada, gerava uma força no eixo central do aparato e consequentemente fazia a pá girar dentro do sistema com água, convertendo esse trabalho mecânico da pá em calor no interior.
Através do experimento, Joule descobriu que ao fornecer um determinado trabalho para o sistema, podia aumentar a temperatura de 1,00 libras de água em 1,00 °F, deixando o peso (bloco) de 772 libras ( 347,4 Kg) cair de uma altura de um pé ( equivalente a 30,5 cm). Em sistema atual, Joule provou que precisa de 4,184 J de trabalho, para que consiga aumentar 1 grama de água em 1°C.
A conclusão chegada foi de que 4,184J de energia mecânica são exatamente equivalente a 1 Cal. Onde Cal é considerado como o equivalente mecânico do calor.
Querendo comprovar essa descoberta, Joule utilizou outras formas de fornecimento de trabalho para o sistema, tais como:
O trabalho realizado pela gravidade ao soltar o bloco até atingir o chão, permitindo que sofresse uma colisão inelástica com o chão.
Em outra ocasião, Joule utilizou uma energia mecânica transformada em energia elétrica, no qual foi utilizada para aquecer a água.
Usando outras fontes de trabalho, Joule percebeu que independente do trabalho fornecido, sempre seria fornecido a mesma quantidade de calor para produzir a mesma variação de temperatura. Pela conservação de energia, o trabalho realizado é proporcional ao aumento da energia interna do sistema.
Experimento de Joule da expansão livre[editar | editar código-fonte]
Para se conseguir determinar a equivalência mecânica da caloria, Joule realizou um experimento que consistia em aquecer um calorímetro pela compressão de um gás contido num recipiente imerso na água do calorímetro. Desse modo, o trabalho realizado sobre o gás poderia ser determinado facilmente resultando no calor fornecido ao calorímetro, desde que se este trabalho fosse convertido inteiramente em calor, sem gerar alteração da energia interna do gás.
A fim de verificar a hipótese, Joule começou a investigar se a energia interna de um gás variava conforme seu volume, assim, Joule realizou a experiência da expansão livre. Tal experiência baseia-se em mergulhar em dois recipientes, um evacuado e outro contendo ar a 20 atm, em um calorímetro pequeno com o mínimo possível de água e termicamente isolado. A utilização de um calorímetro pequeno foi feita para reduzir a capacidade térmica, tornando-o mais sensível a pequenas variações de temperatura [4].
Em seguida Joule mediu a temperatura inicial da água e em seguida abriu a válvula, gerando a expansão livre. Joule tornou a medir a temperatura final da água e concluiu que a temperatura não variava, ou seja:
A partir da conclusão do experimento de Joule e da 1º Lei da termodinâmica, a energia interna U pode ser considerada como uma função de pares variáveis independentes:
Para calcular a variação ΔU em uma função de duas variáveis independentes, considere a função:
A variação de Z, é dada por:
Em particular, para esse caso do experimento, associando a equação acima à U=U(V,T):
No experimento realizado por Joule para a expansão livre, a temperatura e a energia interna não variam, ou seja, ΔT=0 e ΔU=0. Então, a equação anterior fica:
Sendo assim, a energia interna do gás não depende do volume e sim da temperatura, conforme Joule provou em seu experimento.
Experimento de Joule-Thomson para a expansão livre
Joule e William Thomson (Lord Kelvin) fizeram uso da experiência do tampão poroso a fim de se detectar a variação de temperatura, algo que não era possível no experimento inicial de expansão livre. A modificação reduz a pressão do gás, que se expande em um recipiente de paredes adiabáticas. Empiricamente, mantendo-se um fluxo estacionário de gás através do tampão, a pressão cai de Pi para Pf. Como o sistema é adiabático, a distribuição de temperatura permanece constante, sendo possível detectar a mínima variação de temperatura que seja causada pela expansão do gás[4].
Com a finalidade de se aplicar a 1ª Lei da Termodinâmica, supõe-se que uma certa massa de gás está localizada entre o tampão e um pistão adiabático, que sofre uma pressão Pi e possui um volume inicial Vi. No lado direito, há outro pistão adiabático, sobre o qual é exercido uma pressão Pf. Sendo Pi maior que Pf, os pistões deslocam-se para a direita e o gás atravessa o tampão. Quando toda a massa tiver passado pela parede porosa, o gás ocupará um volume final Vf. [4] É possível observar a representação do aparato ao lado.
Ao passar isobaricamente da esquerda - à pressão Pi - para a direita, o volume varia do volume Vi ao volume 0. O trabalho desta compressão isobárica é W = Pi(0- Vi) = -PiVi. Por consequência, o gás à direita sofre uma expansão isobárica - à pressão Pf - do volume 0 ao volume Vf, realizando um trabalho W = Pf( Vf – 0) = PfVf.[4] O trabalho total realizado é portanto:
Como as paredes são adiabáticas, temos que:
Substituindo as duas equações anteriores na primeira lei da termodinâmica, obtemos:
Para um gás ideal, conclui-se que:
Como Ti =Tf, para um gás ideal:
Assim com = Vf-Vi diferente de 0, observa-se que:
Portanto, a energia interna de um gás ideal depende exclusivamente de sua temperatura.
Ver também[editar | editar código-fonte]
Referências
- ↑ O referencial para medida da energia interna é geralmente assumido como um referencial estático em relação ao centro de massa do sistema em questão.
- ↑ Em acordo com Callen, Herbert B. - Thermodynamics and An Introduction to Thermostatics - John Wiley & Sons - ISBN 0-471-86256-8
- ↑ HALLIDAY,D. & RESNICK, R - Fundamentos de Física 8 ed. [S.l.: s.n.] p. 229
- ↑ ab c d Nussenzveig, Herch Moysés (2002). Fluidos, Oscilações e Ondas e Calor. São Paulo: Blucher
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