Defina:
Energia interna
Energia interna
Passo 1
O que foi pedido: definir a expressão “Energia interna”.
O que temos: apenas a solicitação de uma definição clara e didática; não há números nem figura para usar.
O que temos: apenas a solicitação de uma definição clara e didática; não há números nem figura para usar.
Passo 2
Definição em palavras — ideia básica e intuitiva.
A energia interna é a energia associada ao estado microscópico das partículas que compõem um sistema. Em outras palavras, é a soma das energias das partículas dentro do sistema: principalmente as energias cinéticas (movimento translacional, rotacional e vibracional das moléculas) e as energias potenciais associadas às interações entre elas (forças intermoleculares, ligações químicas). É uma energia “dentro” do sistema, não inclui energia de movimento do sistema como um todo nem energia devido à posição do sistema no campo gravitacional.
A energia interna é a energia associada ao estado microscópico das partículas que compõem um sistema. Em outras palavras, é a soma das energias das partículas dentro do sistema: principalmente as energias cinéticas (movimento translacional, rotacional e vibracional das moléculas) e as energias potenciais associadas às interações entre elas (forças intermoleculares, ligações químicas). É uma energia “dentro” do sistema, não inclui energia de movimento do sistema como um todo nem energia devido à posição do sistema no campo gravitacional.
Passo 3
Notação e relação com energia total.
Denota-se tipicamente por a energia interna. A energia total de um corpo pode ser escrita como
Denota-se tipicamente por
onde
é a energia cinética do movimento do corpo como um todo e
é a energia potencial devido à sua posição (por exemplo, gravitacional). A energia interna
refere-se apenas ao conteúdo microscópico.
Passo 4
Propriedades importantes: função de estado e unidades.
- Energia interna é uma função de estado: isto é, o valor de
depende somente do estado atual do sistema (por exemplo, temperatura, pressão, composição), e não do caminho percorrido para chegar a esse estado. Portanto, variações dependem apenas dos estados inicial e final. - Unidade SI:
(joule). - Em muitos sistemas simples (gás ideal),
depende essencialmente da temperatura.
Passo 5
Como
aparece na Termodinâmica (Primeira lei).
A primeira lei da termodinâmica relaciona a variação da energia interna com calor e trabalho:
A primeira lei da termodinâmica relaciona a variação da energia interna com calor e trabalho:
onde
é o calor fornecido ao sistema e
é o trabalho realizado pelo sistema. Observações úteis:
-
é um diferencial exato (variação de função de estado); e são diferenciais inexactos (dependem do processo). - Casos práticos: se o processo for adiabático (
), então . Se for isovolumétrico ( para trabalho de pressão-volume), então .
Passo 6
Fórmulas úteis para gases ideais e interpretação via capacidades caloríficas.
Para um gás ideal que tem capacidade calorífica molar a volume constante aproximadamente constante, vale
Para um gás ideal que tem capacidade calorífica molar a volume constante
e, consequentemente,
onde
é o número de mols e
a temperatura absoluta (K). Explicando as variáveis:
-
: número de mols do gás; -
: capacidade calorífica molar a volume constante (unidade ); -
: temperatura em kelvin.
Para um gás monoatômico ideal, pela teoria cinética e pelo teorema da equipartição,
onde
é a constante universal dos gases (
). Mais genericamente, se a molécula tem
graus de liberdade quadráticos, então
Passo 7
Exemplo numérico simples (para fixar).
Um mol ( ) de gás monoatômico a
tem
Um mol (
Isso mostra como usar a fórmula na prática — nada de misterioso: é só multiplicar
,
e
.
Passo 8
Intuição prática para a prova — o que lembrar e quais passos aplicar num exercício.
- Pergunta típica: “Calcule
ao aquecer/refrigerar um gás” → verifique se é gás ideal; se sim, use . - Se o exercício der calor
e trabalho e pedir , aplique . - Se disser “isotérmico” e for gás ideal, lembre que
. - Se disser “adiabático” sem trocas de calor, use
.
Anote sempre as unidades e explique cada símbolo antes de usar.
Passo 9
Resumo final e encorajamento.
Energia interna é a energia ligada ao estado microscópico (movimento e interações das partículas) de um sistema, é função de estado, medida em joules, e na prática costuma-se calcular variações por meio da primeira lei ou, para gases ideais, por . Vai dar certo — foque em identificar se o sistema é ideal e quais dados o exercício fornece.
Energia interna é a energia ligada ao estado microscópico (movimento e interações das partículas) de um sistema, é função de estado, medida em joules, e na prática costuma-se calcular variações por meio da primeira lei ou, para gases ideais, por
Resposta
Energia interna é a energia total associada às partículas que compõem um sistema — soma das energias cinéticas microscópicas (translacional, rotacional, vibracional) e das energias potenciais de interação entre elas — denotada por
, sendo uma função de estado (unidade:
).