Em termodinâmica, a energia interna (U) de um sistema se refere à energia total que ele possui devido ao movimento e às interações de suas partículas no nível microscópico. Não é uma quantidade de energia que pode ser observada diretamente, mas se manifesta por meio de mudanças no estado do sistema, como variações de temperatura ou mudanças de fase.
Toda substância contém energia interna, mesmo que aparentemente não esteja fazendo nada. Um bloco de metal, um copo de água ou o ar em uma sala têm energia interna porque seus átomos e moléculas estão em movimento contínuo e interagem entre si.
Fórmula de energia interna
A energia interna de um sistema pode mudar de duas maneiras:
- Fornecendo ou extraindo calor (Q) , ou seja, transferindo energia térmica devido a uma diferença de temperatura com o ambiente.
- Realizando trabalho (W) no sistema ou permitindo que ele realize trabalho no ambiente , por exemplo, comprimindo um gás em um cilindro ou permitindo que ele se expanda.
A primeira lei da termodinâmica, que é uma formulação do princípio de conservação de energia, expressa essa relação da seguinte forma:
\[ \Delta U = Q - W \]
Isso significa que qualquer mudança na energia interna (\( \Delta U \)) de um sistema é o resultado da energia que ele recebe na forma de calor menos o trabalho que ele realiza no ambiente.
Se o sistema estiver isolado, ou seja, não trocar calor nem trabalho com o exterior, sua energia interna permanece constante. Isso ocorre, por exemplo, em uma garrafa térmica perfeitamente selada que evita a perda de calor.
Propriedades da energia interna
A energia interna tem algumas características principais:
- É uma função de estado , o que significa que seu valor depende apenas do estado atual do sistema (sua temperatura, pressão, volume e composição química) e não de como ele chegou a esse estado.
- É uma propriedade extensiva , ou seja, sua magnitude depende da quantidade de matéria no sistema. Um sistema com o dobro de massa terá o dobro de energia interna.
- Em muitos sistemas, a energia interna é difícil de medir diretamente, mas suas variações podem ser calculadas medindo fluxos de calor e trabalho.
Unidades de medida
No Sistema Internacional (SI), a energia interna é medida em joules (J).
Para descrever a energia interna como uma função da quantidade de matéria, as propriedades intensivas podem ser definidas:
- Energia interna específica (\(u\)): É a energia interna por unidade de massa (J/kg).
- Energia interna molar (\(U_m\)): É a energia interna por mol de substância (J/mol).
Explicação microscópica da energia interna
Se analisarmos a energia interna em nível microscópico, veremos que ela tem duas contribuições fundamentais:
Energia cinética interna
Energia cinética interna se refere ao movimento das partículas que compõem um sistema.
Nos gases, as moléculas estão em constante movimento aleatório, movendo-se, girando e vibrando em altas velocidades. Esse movimento gera uma grande quantidade de energia cinética, que depende diretamente da temperatura do sistema: quanto maior a temperatura, maior a energia cinética das moléculas.
Em líquidos e sólidos, embora as moléculas não se movam tão livremente quanto nos gases, elas ainda vibram em torno de posições fixas devido a forças intermoleculares.
A temperatura desses sistemas também está relacionada à energia cinética interna, mas neste caso ela se deve principalmente ao movimento vibracional das moléculas.
Energia potencial interna
A energia potencial interna está associada às interações entre as partículas de um sistema.
Em sólidos e líquidos, as moléculas exercem forças atrativas e repulsivas umas sobre as outras. Essas interações contribuem para a energia potencial interna do sistema.
Durante mudanças de fase, como a evaporação de um líquido ou a fusão de um sólido, a energia potencial interna desempenha um papel crucial. Embora a temperatura do sistema possa ser mantida constante durante esses processos, a energia é usada para quebrar ligações intermoleculares ou superar as forças que mantêm as moléculas unidas em sua fase anterior.
Esse fenômeno ocorre sem qualquer aumento ou diminuição de temperatura, já que toda a energia é usada para alterar a estrutura do material em vez de aumentar o movimento das moléculas.
Energia interna em gases ideais
Para simplificar o estudo de sistemas termodinâmicos, é utilizado o modelo de gás ideal, que é uma aproximação útil em muitas situações.
Um gás ideal é definido como um gás cujas partículas:
- Eles não possuem volume próprio, ou seja, são considerados pontos sem tamanho.
- Eles não exercem forças intermoleculares, exceto quando colidem entre si (colisões perfeitamente elásticas).
Em um gás ideal, a energia interna depende apenas da temperatura e não da pressão ou do volume. Isso ocorre porque a única forma de energia interna em um gás ideal é a energia cinética de translação de suas moléculas.
Neste caso, a energia interna total é dada pela expressão:
\[ U = n C_v T \]
onde:
- \( n \) é o número de mols do gás.
- \( C_v \) é a capacidade calorífica a volume constante.
- \( T \) é a temperatura em kelvin.
Para um gás ideal monoatômico , onde as únicas formas de energia são translacionais, o seguinte é verdadeiro:
\[ U = \frac{3}{2} n RT \]
onde R é a constante dos gases.
Se o gás for diatômico ou poliatômico, há contribuições adicionais da rotação e vibração molecular, o que torna sua energia interna maior.
Como a energia interna é medida
A energia interna total de um sistema não pode ser medida diretamente, pois inclui toda a energia das partículas no nível microscópico. Entretanto, podemos medir sua variação ( \( \Delta U \)), que é o que é realmente relevante nos processos termodinâmicos.
Para determinar uma mudança na energia interna, pode-se medir:
- O calor transferido (Q) e o trabalho realizado (W) em um processo.
- Mudanças de temperatura , utilizando calorímetros que permitem determinar o calor absorvido ou liberado.
- Reações químicas e mudanças de estado , pois durante esses processos a energia interna varia.
Por exemplo, em uma reação química exotérmica, a energia interna diminui porque parte dela é liberada como calor. Em uma reação endotérmica, ocorre o oposto: o sistema absorve energia do ambiente e sua energia interna aumenta.
Energia interna e mudanças de fase
Mudanças no estado físico (fusão, evaporação, sublimação, etc.) implicam variações na energia interna. Durante esses processos:
- A temperatura permanece constante , mas a energia interna muda devido à alteração nas forças intermoleculares.
- Na evaporação , as moléculas absorvem calor para superar as forças de coesão do líquido e passar para o estado gasoso.
- Na condensação , ocorre o oposto: as moléculas liberam energia quando passam do estado gasoso para o líquido.