Qual a relação entre energia interna e calor?

A energia térmica é a quantidade de energia contida em algum sistema exclusivamente pelo efeito de sua temperatura. No entanto, não se deve confundir esse conceito com o de energia interna. A energia interna, por sua vez, é definida como a soma da energia cinética (translacional, rotacional e vibracional) com as diferentes formas de energia potencial (atrativa ou repulsiva) que podem existir entre as moléculas de um corpo.

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O que é energia térmica?

O conceito de energia térmica é, portanto, problemático, uma vez que frequentemente é confundido com o conceito de energia interna. Por isso, iremos definir esse último de forma objetiva: energia interna é a forma de energia contida em um sistema por virtude exclusiva de sua temperatura.

De maneira mais rigorosa, dizemos que a energia térmica corresponde à diferença de energia entre um objeto a certa temperatura e a energia que ele apresentaria quando na temperatura do zero absoluto. Em outras palavras, podemos dizer que, para os gases ideais, a energia térmica consiste na soma da energia cinética de suas partículas.

A energia térmica de um sistema pode ser transferida para outros corpos em decorrência de uma diferença de temperatura, nesse caso, chamamos a transferência de energia térmica de calor.

Os gases ideais não apresentam qualquer tipo de interação (energia potencial) entre suas partículas, é por isso que, exclusivamente para esse tipo de sistema, a energia interna corresponde à energia térmica. Sendo assim, neste artigo descreveremos as propriedades da energia térmica tratando-a como um sinônimo de energia interna.

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Fórmula de energia térmica

Nos gases ideais, a energia cinética translacional é muito mais expressiva do que as energias cinéticas de rotação e vibração. De acordo com a teoria cinética dos gases, a energia cinética translacional média das moléculas de um gás monoatômico ideal (que corresponde à sua energia térmica) pode ser calculada por meio da seguinte identidade:

ECIN - energia cinética média (J)

KB - constante de Boltzmann (1,38.10-23 J/k)

T - temperatura (K)

A equação anterior é resultado do teorema da equipartição da energia. Segundo esse teorema, cada grau de liberdade, ou seja, cada possível direção de movimento das moléculas equivale a um fator de ½ sobre a energia cinética média. No caso descrito, como consideramos somente o movimento de translação, há somente três possibilidades: as direções x,y e z. Por isso, o fator que multiplica o produto KBT é 3/2.

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Onde encontramos energia térmica

Qualquer corpo que esteja a uma temperatura superior ao zero absoluto (0 K ou -273,15 ºC) apresenta energia térmica. Os movimentos executados por seus elementos constituintes (átomos, nêutrons, prótons e elétrons) conferem-no essa energia.

Quando algum corpo encontra-se em temperaturas superiores às de suas vizinhanças, sua energia térmica fluirá de forma espontânea em direção aos corpos de menor temperatura, até que se estabeleça o equilíbrio térmico. A situação de equilíbrio térmico é devidamente definida pela lei zero da termodinâmica.

Como funciona a energia térmica

A energia térmica de um corpo é diretamente proporcional à sua temperatura e corresponde à soma das energias cinéticas do conjunto de moléculas que o constituem. Podemos escrever essa definição da energia interna no formato de um somatório das energias cinéticas de cada molécula:

ET - energia térmica (J)

KI - energia térmica da i-ésima molécula

É importante notar que a energia cinética que contribui para a energia térmica trata-se somente da energia térmica das partículas constituintes do sistema. Desse modo, a energia cinética macroscópica do sistema não contribui para o cálculo da sua energia térmica.

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Usos da energia térmica

A energia térmica pode ser extraída de corpos aquecidos e transformada em outras formas de energia, como acontece nas usinas termoelétricas. Nesse tipo de usina, a água é aquecida sob altas pressões, quando liberada, transforma-se em vapor de água e a grande energia cinética de suas partículas é usada para movimentar grandes turbinas. O movimento das turbinas é, em seguida, convertido em energia elétrica por meio do princípio da indução eletromagnética.

Quando queimados, os combustíveis como gasolina, álcool e carvão adquirem uma grande quantidade de energia térmica, essa energia, por sua vez, é transferida para as vizinhanças e pode ser usada para mover grandes máquinas, como os motores de combustão interna, usados em automóveis de todos os tipos.

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Energia térmica e calor

É necessário estabelecermos uma diferença entre os conceitos de energia térmica e calor. Dizemos que calor é a transferência de energia térmica, no entanto, não é verdade que um corpo dotado de muita energia térmica seja capaz de transferi-la em grandes taxas.

Um clássico exemplo disso é a chama de uma vela: na região inferior da queima, onde se vê uma cor azulada, a temperatura pode chegar a 1400 ºC, entretanto, a capacidade de transferência de energia da vela é muito pequena. Isso ocorre porque essa taxa de transferência depende diretamente da massa do corpo que a transfere em forma de calor.

A próxima equação, conhecida como a equação fundamental da calorimetria, mostra como é calculada a quantidade de calor trocada entre corpos de diferentes temperaturas:

Q - calor (J)

m - massa (kg)

c - calor específico (J/kg.K)

ΔT - variação de temperatura (K)

A equação mostra-nos que a transferência de energia térmica depende da massa do corpo, da variação de temperatura sofrida por ele e também de uma propriedade física microscópica chamada de calor específico.

O calor específico é uma propriedade de cada substância que define qual é a quantidade de energia térmica em trânsito necessária para variar a temperatura de 1 kg de substância em 1 K (ou 1 ºC). Uma unidade comumente usada para a medida de calor específico é a cal/g ºC, nesse caso, utiliza-se a água como uma referência: é necessário 1 cal para variar a temperatura de 1g de água em 1 ºC.

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