Física 1 - Termodinâmica - Apost. 3 - Módulo 1.

Energia Interna

As partículas de um sistema têm vários tipos de energia, e a soma de todas elas é o que chamamos Energia interna de um sistema.

Para que este somatório seja calculado, são consideradas as energias cinéticas de agitação , potencial de agregação, de ligação e nuclear entre as partículas.

Nem todas estas energias consideradas são térmicas. Ao ser fornecida a um corpo energia térmica, provoca-se uma variação na energia interna deste corpo. Esta variação é no que se baseiam os princípios da termodinâmica.

Se o sistema em que a energia interna está sofrendo variação for um gás perfeito, a energia interna será resumida na energia de translação de suas partículas, sendo calculada através da Lei de Joule:

Onde:

U: energia interna do gás;

n: número de mol do gás;

R: constante universal dos gases perfeitos;

T: temperatura absoluta (kelvin).

Como, para determinada massa de gás, n e R são constantes, a variação da energia interna dependerá da variação da temperatura absoluta do gás, ou seja,

• Quando houver aumento da temperatura absoluta ocorrerá uma variação positiva da energia interna .
• Quando houver diminuição da temperatura absoluta, há uma variação negativa de energia interna.
• E quando não houver variação na temperatura do gás, a variação da energia interna será igual a zero.

Conhecendo a equação de Clapeyron, é possível compará-la a equação descrita na Lei de Joule, e assim obteremos:

Trabalho de um gás

Considere um gás de massa m contido em um cilindro com área de base A, provido de um êmbolo. Ao ser fornecida uma quantidade de calor Q ao sistema, este sofrerá uma expansão, sob pressão constante, como é garantido pela Lei de Gay-Lussac, e o êmbolo será deslocado.

Assim como para os sistemas mecânicos, o trabalho do sistema será dado pelo produto da força aplicada no êmbolo com o deslocamento do êmbolo no cilindro:

Assim, o trabalho realizado por um sistema, em uma tranformação com pressão constante, é dado pelo produto entre a pressão e a variação do volume do gás.

Quando:

• o volume aumenta no sistema, o trabalho é positivo, ou seja, é realizado sobre o meio em que se encontra (como por exemplo empurrando o êmbolo contra seu próprio peso);
• o volume diminui no sistema, o trabalho é negativo, ou seja, é necessário que o sistema receba um trabalho do meio externo;
• o volume não é alterado, não há realização de trabalho pelo sistema.
  
  
  Diagrama p x V
  
  
  É possível representar a tranformação isobárica de um gás através de um diagrama pressão por volume:
  
  Comparando o diagrama à expressão do cálculo do trabalho realizado por um gás , é possível verificar que o trabalho realizado é numericamente igual à area sob a curva do gráfico (em azul na figura).
  
  
  Com esta verificação é possível encontrar o trabalho realizado por um gás com pressão variável durante sua tranformação, que é calculado usando esta conclusão, através de um método de nível acadêmico de cálculo integral, que consiste em uma aproximação dividindo toda a área sob o gráfico em pequenos retângulos e trapézios.
  
  
  1ª Lei da Termodinâmica
  
  
  Chamamos de 1ª Lei da Termodinâmica, o princípio da conservação de energia aplicada à termodinâmica, o que torna possível prever o comportamento de um sistema gasoso ao sofrer uma transformação termodinâmica.
  Analisando o princípio da conservação de energia ao contexto da termodinâmica:
  Um sistema não pode criar ou consumir energia, mas apenas armazená-la ou transferi-la ao meio onde se encontra, como trabalho, ou ambas as situações simultaneamente, então, ao receber uma quantidade Q de calor, esta poderá realizar um trabalho e aumentar a energia interna do sistema ΔU, ou seja, expressando matematicamente:
  
  Sendo todas as unidades medidas em Joule (J).
  Conhecendo esta lei, podemos observar seu comportamento para cada uma das grandezas apresentadas:

  Calor	Trabalho	Energia Interna	Q//ΔU
  Recebe	Realiza	Aumenta	>0
  Cede	Recebe	Diminui	<0
  não troca	não realiza e nem recebe	não varia	=0

  
  
  Exemplo:
  (1) Ao receber uma quantidade de calor Q=50J, um gás realiza um trabalho igual a 12J, sabendo que a Energia interna do sistema antes de receber calor era U=100J, qual será esta energia após o recebimento?
  
  
• Fonte: sofisica.com.br