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Energia interna e entalpia de um gás perfeito

1845

James Prescott Joule

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume constante e pressão, respectivamente, e assume-se que sejam constantes.

Um dos pilares do modelo de gás perfeito é o princípio de que sua energia interna depende exclusivamente de sua temperatura. Isso foi demonstrado experimentalmente por James Prescott Joule em seus experimentos de expansão. Para um gás ideal, a energia interna é a soma das energias cinéticas de suas moléculas constituintes. Como a temperatura é uma medida da energia cinética média, a energia interna é uma função da temperatura. O modelo de gás perfeito simplifica ainda mais isso, assumindo uma relação linear por meio de um calor específico constante a volume constante, [latex]c_v[/latex]. Assim, a variação da energia interna específica é [latex]Delta u = c_v Delta T[/latex].

Enthalpy ([latex]H[/latex]) is a thermodynamic potential defined as [latex]H = U + PV[/latex]. For a perfect gas, using the ideal gas law ([latex]PV = nRT[/latex]), enthalpy becomes [latex]H = U(T) + nRT[/latex], which is also a function of temperature only. The change in specific enthalpy is similarly given by [latex]\Delta h = c_p \Delta T[/latex], where [latex]c_p[/latex] is the constant specific heat at constant pressure. This simplification is immensely powerful in engineering, as it allows for straightforward calculation of energy changes in processes like compression, expansion, and heating without needing complex tables or equations of state, forming the basis for analyzing engines, refrigerators, and power plants.

Análise de Variância (ANOVA), Planejamento de Experimentos (DOE), Energia, Entalpia, Otimização de Processos, Calor específico, Termodinâmica

UNESCO Nomenclature: 2212

Termodinâmica

Tipo

Modelo Teórico

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

primeira lei da termodinâmica
experimento de expansão de joule
conceito de energia interna
lei dos gases ideais
definição de entalpia

Aplicações

análise de ciclos termodinâmicos (ex.: Brayton, Otto)
Cálculo da transferência de calor em sistemas gasosos
projeto de trocadores de calor
Modelagem de turbinas a gás e motores a jato
chemical process engineering for energy balance calculations

Patentes:

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: energia interna, entalpia, gás perfeito, primeira lei de Joule, calor específico, temperatura, termodinâmica, balanço energético, transferência de calor, ciclos termodinâmicos.

Contexto histórico

Catálise

A catálise é o processo de aumentar a velocidade de uma reação química pela adição de uma substância conhecida como catalisador. Os catalisadores não são consumidos na reação e permanecem inalterados. Eles atuam fornecendo um caminho de reação alternativo com uma energia de ativação menor (Ea), acelerando assim as reações direta e inversa sem alterar a termodinâmica global (ΔH).

Célula de combustível

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte diretamente a energia química de um combustível, tipicamente hidrogênio, e de um agente oxidante, geralmente oxigênio, em eletricidade. Ao contrário de uma bateria, ela requer um suprimento externo contínuo de combustível e oxidante para funcionar. Os componentes principais são um ânodo, um cátodo e um eletrólito que os separa, facilitando o transporte de íons.

Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e se deformam linearmente com o tempo quando submetidos a uma tensão. Materiais elásticos, como um elástico, se deformam quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Os materiais viscoelásticos possuem elementos de ambos os tipos de propriedades.

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Entalpia de sublimação

A entalpia de sublimação, ΔH_sub, é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressão. De acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa variação de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap).

Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica introduz o conceito de entropia e define a direção dos processos espontâneos. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, mas uma consequência fundamental é que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Essa lei explica a "flecha do tempo" e por que os processos são irreversíveis, como o fluxo espontâneo de calor de um corpo quente para um corpo frio.

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1850

Efeito Peltier

O efeito Peltier é a presença de aquecimento ou resfriamento em uma junção eletrificada de dois condutores diferentes. Quando uma corrente contínua flui através de uma junção entre dois materiais diferentes, o calor é emitido ou absorvido na junção, dependendo da direção da corrente. A taxa de transferência de calor é proporcional à corrente ([latex]Q = Pi cdot I[/latex]).

Célula de Daniell com eletrodos de cobre e zinco em uma configuração de laboratório de eletroquímica.

Operação da Célula Daniell

Uma evolução da pilha voltaica, a célula de Daniell consiste em um eletrodo de cobre em uma solução de sulfato de cobre (II) e um eletrodo de zinco em uma solução de sulfato de zinco, separados por uma barreira porosa. Esse design de dois fluidos impede o acúmulo de gás hidrogênio (polarização) no eletrodo de cobre, resultando em uma fonte de tensão muito mais estável e confiável por um período mais longo.

O efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a geração de tensão e corrente elétrica em um material quando exposto à luz. É um fenômeno físico e químico. Uma aplicação comum é a célula solar, que utiliza esse efeito para converter a luz solar diretamente em eletricidade. O efeito se baseia em fótons de luz que excitam elétrons para um estado de energia mais elevado.

Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (R_s). A relação é c_p - c_v = R_s. Para calores específicos molares (C_p e C_v), a relação é C_p - C_v = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que c_p é sempre maior que c_v.

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservação de Energia

Um princípio fundamental afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, como de energia potencial para energia cinética. Na mecânica clássica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Para um fluido newtoniano, a viscosidade é função da temperatura e da pressão, mas não da taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque a maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças intermoleculares coesivas com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.