A energia interna é um dos conceitos da termodinâmica e representa a soma de todas as formas de energia microscópica contidas em um sistema. Ela inclui a energia cinética das partículas (relacionada ao movimento) e a energia potencial das interações entre elas, como ligações químicas e forças intermoleculares.
Em outras palavras, a energia interna é o conteúdo energético total de um sistema, responsável por determinar sua temperatura, pressão e estado físico. Quando o sistema troca calor (Q) ou trabalho (W) com o ambiente, sua energia interna varia conforme a primeira lei da termodinâmica, expressa por ΔU = Q – W.
Sou Daiane de Souza, jornalista e técnica em Química pelo Instituto Federal Catarinense (IFC), e vou ensinar mais sobre conceitos de física e química.
Hoje, vamos aprender sobre o que é energia interna na termodinâmica. Vem comigo!
O que é energia interna?
A energia interna (U) é uma das grandezas da termodinâmica e representa a soma de todas as formas de energia microscópica armazenadas em um sistema. Ela está associada ao movimento e às interações das partículas que o compõem — como átomos, íons e moléculas.
Em termos simples, a energia interna é a energia total contida em um sistema devido à agitação de suas partículas e às forças entre elas. Essa energia pode variar quando o sistema recebe ou perde calor (Q) ou quando realiza trabalho (W), conforme expressa a primeira lei da termodinâmica:
ΔU = Q – W
Ou seja, a variação da energia interna depende das trocas de energia entre o sistema e o ambiente.
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Quais são os tipos de energia que formam a energia interna?
A energia interna é composta por diferentes formas de energia microscópica, que podem ser classificadas em duas categorias principais:
- Energia cinética microscópica: relacionada ao movimento das partículas que compõem o sistema. Inclui:
- Energia de translação: movimento das partículas em linha reta.
- Energia de rotação: movimento de rotação das moléculas.
- Energia de vibração: oscilações dos átomos dentro das moléculas.
- Energia potencial microscópica: associada às interações entre partículas, como forças elétricas, ligações químicas e forças intermoleculares.
Esses componentes somados resultam na energia interna total do sistema.
Em gases ideais, a energia interna depende apenas da energia cinética das partículas, enquanto em líquidos e sólidos também há contribuição das energias potenciais de ligação e interação. Veja tudo sobre entropia.
Qual é a unidade de medida da energia interna?
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a energia interna é medida em joules (J), a mesma unidade usada para qualquer forma de energia.
Em contextos específicos, especialmente em química e termodinâmica, é comum expressar a energia interna em quilojoules (kJ) ou quilojoules por mol (kJ/mol), quando se trata de reações químicas envolvendo quantidades de substâncias.
Por exemplo, quando aquecemos 1 mol de gás, a energia interna absorvida pode ser expressa em kJ/mol, facilitando a comparação entre substâncias diferentes. Essa padronização permite relacionar a energia interna a outras grandezas termodinâmicas, como entalpia (H), trabalho (W) e calor (Q).
Termologia: A energia interna depende da temperatura?
Sim. A energia interna depende diretamente da temperatura de um sistema, pois ela está relacionada à agitação das partículas.
Quando a temperatura aumenta, as partículas se movem com mais intensidade, elevando a energia cinética média e, consequentemente, a energia interna. Por outro lado, quando a temperatura diminui, o movimento das partículas desacelera, e a energia interna diminui.
Em um gás ideal, por exemplo, a energia interna depende somente da temperatura, já que não há forças de interação entre as partículas. Em substâncias reais, como líquidos e sólidos, também há contribuição da energia potencial, devido às forças intermoleculares.
Qual a diferença entre energia interna e energia total?
A energia interna é apenas uma parte da energia total de um sistema.
Enquanto a energia interna refere-se à energia microscópica — ou seja, à soma das energias cinéticas e potenciais das partículas —, a energia total inclui também outras formas de energia macroscópica, como:
- Energia cinética macroscópica: associada ao movimento do corpo como um todo (por exemplo, um pistão em movimento).
- Energia potencial gravitacional: relacionada à posição do corpo em um campo gravitacional.
Assim, podemos expressar a energia total de um sistema como:
Energia total = Energia interna + Energia cinética + Energia potencial
Como calcular a variação da energia interna (ΔU)?
A variação da energia interna (ΔU) representa a diferença entre a energia final e a energia inicial de um sistema após uma transformação.
Dessa forma, ela é calculada pela expressão:
ΔU = Q – W
Onde:
- ΔU é a variação da energia interna (em joules, J);
- Q é o calor trocado entre o sistema e o ambiente (positivo se o sistema recebe calor e negativo se perde);
- W é o trabalho realizado (positivo se o sistema realiza trabalho sobre o ambiente e negativo se o ambiente realiza trabalho sobre o sistema).
Essa relação mostra que a energia interna aumenta quando o sistema absorve calor ou sofre compressão, e diminui quando ele perde calor ou se expande.
O cálculo de ΔU é muito importante em estudos termodinâmicos, pois permite compreender como a energia se transforma dentro de motores, reatores e outros sistemas energéticos.
Qual é a relação entre energia interna, calor e trabalho?
A energia interna, o calor (Q) e o trabalho (W) estão diretamente relacionados pela primeira lei da termodinâmica, que expressa a conservação da energia em sistemas físicos.
O calor é a forma de energia transferida devido à diferença de temperatura, enquanto o trabalho é a energia transferida por meio de forças mecânicas. Ambas as formas de energia alteram o conteúdo energético interno do sistema.
Assim, quando o sistema recebe calor (Q positivo), sua energia interna tende a aumentar; quando ele realiza trabalho (W positivo) sobre o ambiente, sua energia interna diminui.
Por exemplo, em um gás comprimido dentro de um pistão, o aumento de pressão realiza trabalho sobre o gás, modificando sua energia interna.
O que diz a primeira lei da termodinâmica sobre energia interna?
A primeira lei da termodinâmica é o princípio da conservação da energia aplicado aos sistemas termodinâmicos.
Ela afirma que:
“A variação da energia interna de um sistema é igual à quantidade de calor recebida menos o trabalho realizado.”
Matematicamente: ΔU = Q – W
Consequentemente, significa que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada entre suas diferentes formas. A energia total de um sistema isolado permanece constante, mesmo que ocorra troca entre calor e trabalho.
Por exemplo, em um motor térmico, o calor proveniente da combustão é parcialmente convertido em trabalho mecânico, enquanto o restante é dissipado como calor residual, mas a soma total de energia permanece inalterada.
É possível medir a energia interna diretamente?
Não. A energia interna absoluta de um sistema não pode ser medida diretamente, pois envolve a soma de todas as energias microscópicas das partículas.
No entanto, é possível medir a variação da energia interna (ΔU), que é o que realmente importa na prática. Essa variação é determinada por meio das trocas de calor e trabalho com o ambiente, conforme a equação ΔU = Q – W.
Em experimentos laboratoriais, como os realizados com calorímetros, essa relação permite calcular o quanto a energia interna de um sistema aumenta ou diminui em função das condições impostas (aquecimento, compressão, expansão etc.).
O que acontece com a energia interna em um processo isotérmico?
Em um processo isotérmico, a temperatura do sistema permanece constante durante toda a transformação. Como a energia interna depende da temperatura (principalmente nos gases ideais), temos:
ΔU = 0
Dessa forma, significa que, embora o sistema possa trocar calor (Q) com o ambiente, toda essa energia é convertida em trabalho (W), sem alterar a energia interna total.
Por exemplo, durante a expansão isotérmica de um gás ideal, ele realiza trabalho sobre o ambiente ao se expandir, mas, para manter a temperatura constante, recebe do ambiente uma quantidade equivalente de calor.
Esse tipo de processo é comum em motores térmicos e ciclos reversíveis, como o ciclo de Carnot, onde a energia interna se mantém constante, mas o calor e o trabalho se equilibram de forma perfeitamente controlada.
Como a energia interna muda em uma expansão ou compressão gasosa?
Durante uma expansão ou compressão gasosa, a energia interna (U) do sistema varia em função do trabalho (W) realizado e do calor (Q) trocado com o ambiente.
Quando o gás é comprimido, o volume diminui e o trabalho é feito sobre o gás, aumentando a energia interna e, consequentemente, sua temperatura. Em uma expansão, o gás realiza trabalho sobre o ambiente, perdendo energia interna, o que resulta em redução da temperatura.
Em processos isotérmicos (temperatura constante), a energia interna não varia, pois todo o calor recebido é convertido em trabalho.
Porém, em processos adiabáticos, onde não há troca de calor, toda a variação de energia interna se deve ao trabalho mecânico.
A energia interna varia durante mudanças de estado físico?
Sim. A energia interna varia durante as mudanças de estado físico porque há transformação na estrutura e nas interações entre as partículas.
Durante a fusão (sólido → líquido) ou vaporização (líquido → gás), a energia interna aumenta, pois é necessário fornecer calor para romper as forças de coesão entre as partículas. Durante a solidificação e condensação, a energia interna diminui, pois o sistema libera calor ao ambiente.
Mesmo que a temperatura permaneça durante essas transições, a energia potencial das partículas muda. Esse calor absorvido ou liberado é chamado de calor latente, e está diretamente ligado à variação da energia interna, sem alterar a temperatura.
Como a energia interna se relaciona com a capacidade térmica?
A capacidade térmica de uma substância é a quantidade de calor necessária para aumentar sua temperatura em uma certa quantidade.
Ela está diretamente relacionada à variação da energia interna, pois o calor fornecido é armazenado sob forma de energia interna.
Matematicamente, temos: Q = C · ΔT, onde C é a capacidade térmica e ΔT a variação de temperatura.
Portanto, quanto maior a capacidade térmica, maior será a quantidade de calor necessária para alterar a energia interna de um corpo. Portanto, materiais com alta capacidade térmica, como a água, demoram mais para aquecer ou esfriar porque acumulam mais energia interna.
Quais são exemplos práticos de variação da energia interna no dia a dia?
A variação da energia interna está presente em diversas situações cotidianas.
Quando aquecemos água em uma panela, fornecemos calor, aumentando sua energia interna até atingir o ponto de ebulição. Da mesma forma, ao inflar um pneu, o ar dentro é comprimido, aumentando sua energia interna e, consequentemente, a temperatura.
Nos motores de carros, a queima do combustível eleva a energia interna dos gases, gerando o movimento dos pistões. Ao respirar ar frio, o corpo o aquece, transferindo energia interna para equilibrar a temperatura.
Esses exemplos mostram que a energia interna está presente em todos os processos de troca de calor, compressão, expansão e mudança de estado.
E então, mais alguma dúvida sobre energia interna na termodinâmica e como funciona?
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