Topo
pesquisar

Energia Interna

Física

Energia interna é uma propriedade dos sistemas termodinâmicos dada pela soma das energias cinética e potencial dos seus átomos ou moléculas.
PUBLICIDADE

Energia interna é a soma das energias cinética e potencial relacionadas ao movimento dos átomos e moléculas constituintes de um corpo. A energia interna também é diretamente proporcional à temperatura do corpo. Trata-se de uma grandeza escalar medida em Joules (SI) e determinada em função de variáveis como pressão (P), volume (V) e temperatura termodinâmica (T) de um sistema, em Kelvin (K).

Quanto maior for a temperatura de um corpo, maior será a sua energia interna, portanto, maior será a sua capacidade de realizar algum trabalho. Além disso, a energia interna de gases monoatômicos, por exemplo, é dada exclusivamente pela soma da energia cinética de cada átomo do gás. Quando lidamos com gases moleculares, como os gases diatômicos, deve-se levar em conta as interações moleculares e, por isso, a energia interna é determinada pela soma da energia cinética das moléculas com a energia potencial existente entre elas.

Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;)

Energia interna de gases monoatômicos ideais

Como não existe interação entre os átomos de um gás monoatômico ideal, sua energia interna depende exclusivamente de duas variáveis: o número de mols (n) e a temperatura do gás (T). Observe:

Energia interna do gás monoatômico ideal

U – energia interna
n – número de mols
R – constante universal dos gases perfeitos
T – temperatura

Na equação acima, R tem módulo de 0,082 atm.L/mol.K ou 8,31 J/mol.K (SI). Além disso, podemos escrever a equação acima em termos de outras grandezas, como a pressão e o volume. Para tanto, precisamos recordar a Equação de Clapeyron, usada para os gases ideais.

Equação de Clapeyron

Substituindo a equação acima na anterior, teremos a seguinte expressão para o cálculo da energia interna:

Energia interna em termos de pressão e volume

Veja também: O que é um gás perfeito?

Levando-se em conta as equações acima, é possível determinar uma relação entre a energia cinética dos átomos de um gás monoatômico ideal e a sua temperatura. Para isso, afirmaremos que a energia cinética desse tipo de gás é puramente cinética. Observe:

 Cálculo da temperatura

m – massa
n – número de mol
M – massa molar

Em diversas situações, é interessante saber calcular a variação da energia interna (ΔU) de um gás, pois essa grandeza indica se o gás recebeu ou cedeu energia. Caso a variação da energia interna do gás tenha sido positiva (ΔU > 0), o gás terá recebido energia; caso contrário (ΔU< 0), o gás terá cedido parte de sua energia.

Variação da energia interna

Variação da energia interna em termos da variação de volume do gás.

Energia interna para gases diatômicos

Para os gases diatômicos ideais, a energia interna é dada por uma equação um pouco diferente.

Energia interna para gases diatômicos ideais

Energia interna em transformações e ciclos termodinâmicos

De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica, a energia interna de um gás ideal pode sofrer variações em determinadas transformações termodinâmicas, dependendo da quantidade de calor trocada entre as vizinhanças e o sistema, bem como do trabalho realizado por ou sobre o sistema.

Primeira Lei da Termodinâmica

Q – calor
τ - trabalho

Em seguida, vamos conferir a forma que essa lei assume para algumas transformações termodinâmicas particulares.

Veja também: História das máquinas térmicas

→ Energia interna: transformação isotérmica

Na transformação isotérmica, não há mudança de temperatura e, por isso, a energia interna permanece constante.

Energia interna na transformação isotérmica.

Nesse caso, toda a quantidade de calor que é trocada com o sistema é transformada em trabalho e vice-versa.

→ Energia interna: transformação isovolumétrica

Na transformação isovolumétrica, não é possível haver realização de trabalho, uma vez que o sistema encontra-se confinado em um recipiente rígido e inexpansível. Nesse caso, toda a quantidade de calor que é trocada com o sistema varia diretamente sua energia interna.

Energia interna na transformação isovolumétrica

→ Energia interna: transformação isobárica

Nesse tipo de transformação, o sistema está submetido a uma pressão constante, logo, o trabalho por ele ou sobre ele realizado pode ser calculado analiticamente.

Energia interna no processo isobárico

→ Energia interna: transformação adiabática

Nas transformações adiabáticas, não ocorrem trocas de calor entre o sistema e a sua vizinhança, portanto, a variação da energia interna depende exclusivamente do trabalho realizado por ou sobre o sistema.

Energia interna no processo adiabático

Energia interna em processos cíclicos

Em todo processo cíclico, o estado termodinâmico de um sistema, representado por suas variáveis pressão, volume e temperatura (P, V, T), é transformado, mas acaba retornando ao estado original (P,V,T), portanto, a variação de energia interna nesse tipo de processo é sempre nula (ΔU = 0).

Veja também: Transformações cíclicas

Observe o gráfico a seguir, no qual aparecem três transformações termodinâmicas distintas entre os estados A e B.

Gráfico do ciclo termodinâmico

Como as três transformações (I, II e III) saem do estado A e vão para o estado B, a variação de energia interna deve ser igual para todas elas, portanto:

Variação de energia interna

Exercícios sobre energia interna

1) Dois mols de um gás diatômico ideal, de massa molar igual a 24 g/mol, encontram-se em uma temperatura de 500 K dentro de um recipiente fechado e rígido de volume igual a 10-3 m³. Determine:

a) O módulo da energia interna desse gás em joules.

b) A pressão que o gás exerce sobre as paredes do recipiente.

Resolução:

a) Em se tratando de um gás diatômico e ideal, utilizaremos a fórmula abaixo para calcular sua energia interna:

Energia interna para gases diatômicos ideais

Tomando os dados que foram informados no enunciado do exercício, teremos o seguinte cálculo a ser resolvido:

Cálculo da energia interna

b) Podemos determinar a pressão que o gás exerce, uma vez que conhecemos o volume do seu recipiente: 10-3 m³. Para tanto, usaremos a fórmula a seguir:

Cálculo da pressão



Por Me.Rafael Helerbrock

A grande energia interna do gás expelido pelo foguete é capaz de realizar enormes quantidades de trabalho.
A grande energia interna do gás expelido pelo foguete é capaz de realizar enormes quantidades de trabalho.

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Energia Interna"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-interna.htm. Acesso em 14 de novembro de 2019.

Lista de Exercícios
Questão 1

A energia interna de um gás é a medida da energia cinética média de todas suas partículas. A energia interna contida em 2 mols de um gás monoatômico ideal, a uma temperatura de 300 K, é de aproximadamente:

Dados: R = 8,37 J/mol.K.

a) 7,5.10³ J

b) 600,0 J

c) 2,5.10³ J

d) 5,0.10³ J

e) 500,0 J

Questão 2

Um gás monoatômico e ideal com volume de 3 m³ é colocado sobre uma pressão de 106 pascal. A energia interna desse gás, em joules, é igual a:

a) 3,0.106 J

b) 1,5.106 J

c) 15,0.106 J

d) 10,0.105 J

e) 30.105 J

Mais Questões
  • SIGA O BRASIL ESCOLA
Brasil Escola