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Energia interna, Trabalho e Calor

Você sabe qual é a diferença entre energia interna, trabalho e calor?

Neste artigo, abordamos os conceitos fundamentais de energia interna e trabalho em um gás termodinâmico, apresentando exemplos de processos de expansão e compressão.

Por – Redação do Física Curiosa

A Física tem a energia como um conceito primitivo fundamental que se manifesta de várias maneiras, como energia mecânica, térmica, elétrica, luminosa, entre outras.

É importante ressaltar que a realização do trabalho pode envolver a conversão ou transmissão de energia, e que o calor é, na verdade, uma forma de energia em trânsito.

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Introdução a Termodinâmica

Para ilustrar isso, podemos considerar o exemplo de um projétil disparado contra um bloco de madeira. Antes do impacto, o projétil tem energia mecânica (cinética), que é convertida em outras formas de energia, principalmente em energia térmica, após o choque.

Isso se evidencia pelo aquecimento do projétil devido ao aumento da agitação das partículas internas, ou seja, houve a conversão de energia mecânica em energia térmica. Essa conversão é medida pelo trabalho realizado pelas forças que se opuseram à penetração do projétil.

A Termodinâmica é um ramo da Física que estuda as relações entre calor, temperatura, energia e trabalho.

Além disso, a termodinâmica tem como objetivo principal entender como a energia se comporta em sistemas físicos, desde os processos mais simples até os mais complexos.

Um exemplo mais complexo é o de uma usina hidrelétrica, onde a água armazenada em uma barragem é liberada e flui por um tubo em alta velocidade, encontrando as pás de uma turbina.

A água faz as pás da turbina girarem, convertendo sua energia cinética em energia mecânica. Essa energia mecânica é transferida para um gerador, que transforma a energia mecânica em energia elétrica. Nesse processo, a energia cinética da água é convertida em energia elétrica, realizando trabalho.

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Em todos os exemplos de conversão de energia, há um sistema físico intermediário que transforma um tipo de energia em outro. No exemplo da usina hidrelétrica, a água é o fluido operante que transforma energia cinética em energia mecânica. Para entender os princípios básicos da Física, utilizamos modelos teóricos, como é o caso da termodinâmica dos gases perfeitos. Nessa situação, o sistema intermediário na conversão de energia térmica em energia mecânica é o modelo teórico do gás perfeito.

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Trabalho e Calor Energia Interna

Na Termodinâmica dos Gases Perfeitos, as grandezas físicas fundamentais são a energia interna (U), o trabalho (\tau) e o calor (Q) associados a uma transformação sofrida pelo gás perfeito. Vamos examinar mais detalhadamente cada uma dessas três grandezas.

Energia interna

A energia interna de um sistema é a soma de todas as formas de energia presentes em suas partículas. Isso inclui a energia cinética de agitação (ou de translação), a energia potencial de agregação, de ligação, nuclear, entre outras. É importante destacar que apenas uma parte dessa energia (a cinética de agitação e a potencial de agregação) é considerada térmica.

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Quando fornecemos energia térmica para um corpo ou removemos energia dele, estamos causando uma mudança na sua energia interna. Esse processo pode levar a outras mudanças, como mudanças de fase, variações de pressão e volume, e assim por diante, dependendo das condições em que o sistema se encontra.

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A energia interna do gás expelido pelo foguete é suficiente para realizar grandes quantidades de trabalho

A Termodinâmica estuda a relação entre calor, trabalho e energia interna de um sistema. A energia interna de um sistema é a soma de todas as formas de energia das suas partículas, incluindo energia cinética e potencial. Quando fornecemos ou retiramos energia térmica de um corpo, provocamos uma variação na sua energia interna, que é um dos principais parâmetros estudados pela Termodinâmica.

No caso do gás perfeito, suas partículas são esferas com dimensões desprezíveis, o que significa que não existe energia de rotação, nem energia de ligação ou de agregação entre elas. Assim, a energia interna desse sistema é determinada principalmente pela energia cinética de translação das suas partículas, e é calculada pela expressão:

    \begin{equation*} U = \frac{3}{2} nRT \end{equation*}

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onde n é a quantidade de matéria, R é a constante universal dos gases e T é a temperatura absoluta. Como a energia interna é função da temperatura absoluta, um aumento de temperatura leva a um aumento na energia interna do gás perfeito. Consequentemente, a variação de energia interna (\Delta U) é sempre positiva (\Delta U > 0).

a temperatura aumenta.

aumento da energia interna
Aumento da energia interna (\Delta U > 0)

Se houver uma diminuição na temperatura, a energia interna do sistema também diminui, e a sua variação será negativa (\Delta U < 0).

Diminuição da energia interna
Diminuição da energia interna (\Delta U < 0)

Relacionando a Lei de Joule com a Equação de Clapeyron, podemos escrever:

    \begin{equation*} PV = nRT \quad \text{(Equação dos Gases Ideais)} \Rightarrow \end{equation*}

    \begin{equation*} U = \frac{3}{2} nRT = \frac{3}{2}PV \end{equation*}

Para gases raros e com apenas um átomo, como o hélio e o neônio, a expressão U = 3/2 nRT é uma boa aproximação da energia interna. No entanto, para gases com moléculas maiores, como o gás carbônico (CO2) e o vapor d’água (H2O), o cálculo da energia interna é mais complexo, pois é necessário levar em conta outras formas de energia, como a energia rotacional e vibracional das moléculas.

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Trabalho

Na termodinâmica, trabalho é uma forma de transferência de energia entre um sistema e seu entorno, associado a uma força que age através de uma distância. Em outras palavras, é a energia transferida quando uma força é aplicada a um objeto e o objeto se move como resultado dessa força.

Em um sistema termodinâmico, o trabalho é realizado quando há uma mudança de volume do sistema em resposta a uma pressão externa. Por exemplo, quando um gás é comprimido em um cilindro por um pistão, o trabalho é realizado pelo gás para empurrar o pistão e comprimir o gás. Da mesma forma, quando um gás se expande e realiza trabalho, ele empurra o pistão para fora e, assim, transfere energia para o meio externo.

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O trabalho realizado em um sistema termodinâmico é uma forma de transferência de energia que pode afetar as propriedades termodinâmicas do sistema, como a temperatura e a pressão. O trabalho também é uma das formas pelas quais a energia pode ser transferida entre um sistema e seu entorno, juntamente com o calor. Ambos são importantes conceitos na termodinâmica para entender a transferência de energia e a dinâmica dos sistemas termodinâmicos.

Trabalho de um gás positivo
Trabalho de um gás positivo (\tau > 0). O esquema de expansão de um gás perfeito é caracterizado pelo aumento de volume do gás, sendo que o volume final é maior do que o volume inicial

A força \vec{F} exercida pelo gás no êmbolo tem a mesma direção do deslocamento \vec{d} sofrido pelo êmbolo. Portanto, o trabalho (\tau) realizado por essa força é positivo \tau > 0

Quando o ângulo entre a força e o deslocamento é zero, o trabalho realizado é máximo e igual ao produto da magnitude da força pela magnitude do deslocamento. Vejamos agora, a compressão de um gás perfeito.

Trabalho de um gás negativo
Trabalho de um gás negativo (\tau < 0). O esquema de compressão de um gás perfeito é caracterizado pela redução do volume do gás, sendo que o volume final é menor do que o volume inicial.

A força \vec{F} exercida pelo gás no êmbolo tem direção oposta ao deslocamento \vec{d} sofrido pelo êmbolo. Portanto, o trabalho (\tau) realizado por essa força é negativo \tau > 0

Quando o gás não se expande nem é comprimido, ele fica parado e evidentemente não realiza trabalho. Isso significa que a energia interna do gás permanece a mesma e sua temperatura também não muda. Nesse caso, \tau = 0 pois o embolo não se desloca.

Na expansão, \tau > 0 e o gás fornece energia na forma de trabalho: nesse caso gás realiza trabalho.

Na compressão, \tau < 0 e o gás recebe energia na forma de trabalho: nesse caso gás recebe trabalho.

Calor

O calor é definido como a energia térmica que flui de um sistema para outro. Quando ocorre transferência de calor, um dos sistemas cede energia térmica e o outro a recebe. Para convencionar essa transferência, é comum adotar que o calor recebido seja considerado positivo e o calor cedido, negativo.

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Os sinais atribuídos ao calor recebido e ao calor cedido são essenciais para a correta equação da 1ª Lei da Termodinâmica. É importante destacar que a transferência de energia entre um sistema gasoso e o meio externo pode ocorrer por meio de trabalho realizado ou por trocas de calor.

Referências

Tópicos de Física – Volume 2

Curso de Física Básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (Volume 2)

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