Energia Solar
Energia interna (U) é uma quantidade fundamental da termodinâmica que representa a energia total armazenada em um sistema devido ao movimento e às interações de suas partículas no nível microscópico. Embora não possa ser observado diretamente, seus efeitos se manifestam por mudanças nas propriedades macroscópicas, como temperatura, pressão ou o estado físico da matéria.
Toda substância possui energia interna, mesmo quando aparentemente está em repouso. Um bloco de metal, um copo de água ou o ar contido em um cômodo armazenam energia interna porque seus átomos e moléculas estão em constante movimento e interagem entre si.
Variação na energia interna
A energia interna de um sistema pode aumentar ou diminuir por dois mecanismos principais:
- Transferência de calor (Q): quando há diferença de temperatura entre o sistema e seu ambiente.
- Conclusão do Trabalho (W): Quando o sistema realiza trabalho no ambiente ou o ambiente realiza trabalho no sistema.
A relação entre essas magnitudes é dada pela primeira lei da termodinâmica:
Essa equação expressa que a variação na energia interna de um sistema é igual ao calor que ele recebe menos o trabalho realizado em seu ambiente.
Por exemplo, quando a água em um tanque é aquecida por um sistema de energia solar térmica, a radiação solar é transformada em energia térmica que aumenta a energia interna da água, elevando sua temperatura.
Se um sistema está completamente isolado e não troca calor nem trabalha com o exterior, sua energia interna permanece constante.
Propriedades da energia interna
A energia interna possui várias características importantes:
- É uma função do estado: seu valor depende apenas do estado atual do sistema e não do processo seguido para alcançá-lo.
- É uma propriedade extensiva: aumenta proporcionalmente à quantidade de matéria presente.
- Não pode ser medida diretamente: na prática, suas variações são determinadas pela troca de calor e trabalho.
- Depende da composição do sistema: diferentes substâncias podem ter energias internas diferentes mesmo na mesma temperatura.
Unidades de medida
No Sistema Internacional (SI), a energia interna é medida em joules (J).
Quantidades derivadas também são usadas para expressar energia interna em relação à quantidade de matéria:
- Energia interna específica (u): energia interna por unidade de massa (J/kg).
- Energia interna molar (Um): energia interna por mol da substância (J/mol).
Interpretação microscópica da energia interna
Do ponto de vista microscópico, a energia interna é composta por duas contribuições principais: energia cinética interna e energia potencial interna.
Energia cinética interna
A energia cinética interna está associada ao movimento das partículas que compõem o sistema.
Nos gases, moléculas se movem continuamente aleatoriamente, além de girar e vibrar. Quanto maior a temperatura, maior a energia cinética média dessas partículas.
Em líquidos e sólidos, as partículas têm menos liberdade de movimento, mas continuam a vibrar em posições de equilíbrio. Nesses estados, a temperatura também está relacionada à energia cinética das partículas.
Energia Potencial Interna
A energia potencial interna está relacionada às forças de interação entre partículas.
Em sólidos e líquidos, moléculas se atraem e repelem umas às outras por forças intermoleculares. A energia associada a essas interações faz parte da energia interna do sistema.
Durante as mudanças de fase, a energia potencial interna torna-se especialmente importante. Quando um sólido derrete ou um líquido evapora, parte da energia absorvida é usada para superar forças intermoleculares, sem produzir aumento de temperatura.
Por essa razão, durante uma mudança de estado a temperatura pode permanecer constante enquanto a energia interna continua variando.
Energia interna em gases ideais
Para simplificar o estudo de sistemas termodinâmicos, o modelo do gás ideal é frequentemente utilizado.
Um gás ideal é caracterizado pelas seguintes hipóteses:
- Suas partículas têm volume desprezível.
- Não há forças intermoleculares entre eles, exceto durante colisões.
- Colisões são perfeitamente elásticas.
Nessas condições, a energia interna depende exclusivamente da temperatura.
A expressão geral para a energia interna de um gás ideal é:
onde:
- n é o número de mols.
- Cv é a capacidade calorífica molar em volume constante.
- T é a temperatura absoluta.
Para um gás monoatômico ideal, o seguinte também é verdadeiro:
onde R é a constante universal dos gases.
Em gases diaatômicos e poliatômicos, as contribuições de energia associadas à rotação e vibração molecular aumentam a energia interna total.
Como a energia interna é medida?
A energia interna absoluta não pode ser determinada experimentalmente diretamente. No entanto, é possível medir suas variações, que são as magnitudes de interesse na termodinâmica.
Para isso, são analisados os seguintes:
- O calor trocado durante um processo.
- O trabalho realizado por ou sobre o sistema.
- Mudanças de temperatura.
- As transformações físicas e químicas que a importância sofrem.
Calímetros são instrumentos especialmente projetados para medir trocas de energia térmica e calcular variações internas de energia.
Por exemplo, em uma reação química exotérmica, o sistema libera energia no ambiente, então sua energia interna diminui. Em uma reação endotérmica, acontece o oposto: o sistema absorve energia e sua energia interna aumenta.
Energia interna e mudanças de fase
Mudanças no estado físico envolvem modificações significativas da energia interna.
Durante processos como fusão, evaporação ou sublimação:
- A temperatura permanece constante durante toda a mudança de fase.
- A energia absorvida ou liberada é usada para modificar as forças intermoleculares.
- A energia interna aumenta ou diminui mesmo sem variação de temperatura.
Na evaporação, as moléculas absorvem energia para superar as forças coesivas do líquido e avançam para o estado gasoso. Na condensação, ocorre o processo inverso: moléculas liberam energia ao mudarem de gás para líquido.