Dê uma definição para os seguintes termos: Trabalho, Calor, Energia e Entalpia. Quais deles são funções de estado?
Passo 1
O enunciado pede definições de quatro conceitos básicos de termodinâmica – trabalho, calor, energia interna e entalpia – e quer saber quais desses são funções de estado. Para resolver, vamos lembrar a ideia de “função de estado” (que só depende do estado atual do sistema) e de “função de caminho” (que depende de como o processo foi realizado).
Passo 2
Trabalho é a energia transferida entre sistema e vizinhança por meio de forças que atuam através de deslocamentos de uma fronteira. Em termodinâmica de engenharia, o trabalho mais comum é o trabalho de pressão–volume, definido infinitesimalmente por
onde
é a pressão externa que age na fronteira e
é a variação de volume. Como
depende do caminho (ou seja, de como o volume varia), trabalho não é função de estado.
Passo 3
Calor é a energia transferida entre sistema e vizinhança devido a uma diferença de temperatura. Denotamos um pequeno aporte de calor por
. Assim como trabalho, calor também depende do caminho percorrido pelo processo (por exemplo, se a transferência é lenta ou rápida, por condução ou convecção). Portanto, calor não é função de estado.
Passo 4
Energia interna, normalmente representada por
, é a soma de todas as energias microscópicas presentes no sistema: energia cinética de translação, rotação e vibração das moléculas, mais energia potencial de interação entre elas. A energia interna depende apenas do estado termodinâmico (por exemplo, temperatura, pressão, composição) e não de como se chegou a esse estado. Logo,
é função de estado.
Passo 5
Entalpia, representada por
, é definida como
onde
é a pressão do sistema e
seu volume. A entalpia também depende somente do estado atual (
,
,
são variáveis de estado), sendo muito útil em processos a pressão constante. Por isso,
é função de estado.
Passo 6
Resumindo o caráter de cada quantia em termos de função de estado: trabalho e calor são funções de caminho (não funções de estado), enquanto energia interna
e entalpia
são funções de estado.
Resposta
Trabalho: energia transferida por forças agindo sobre a fronteira do sistema; não é função de estado.
Calor: energia transferida devido a diferença de temperatura; não é função de estado.
Energia interna
: soma das energias microscópicas do sistema; é função de estado.
Entalpia
: definida por
; é função de estado.
Funções de estado: energia interna e entalpia.