Submódulo 3: Primeira lei da termodinâmica e energia interna

🎯 Energia interna, variação de temperatura e calor

A energia interna U de um sistema é a soma das energias microscópicas ligadas às moléculas e aos seus estados. Em muitos materiais, especialmente gases ideais, a variação de energia interna depende basicamente da mudança de temperatura. Para um gás ideal, a mudança de energia interna é dada por ΔU = n Cv ΔT, onde n é o número de moles e Cv é a capacidade calorífica molar a volume constante. Isso significa que, se a temperatura aumenta, a energia interna aumenta, independentemente de detalhes do processo, desde que a mudança de temperatura ocorra (1). (1)

Quando aplicamos a primeira lei, ΔU = Q − W, o papel do calor e do trabalho fica claro: se aquecemos o gás sob volume fixo (W≈0), todo o calor fornecido aumenta U; se houver expansão (W>0), parte da energia é gasta para realizar esse trabalho, e o aumento de U é menor para a mesma quantidade de calor fornecido. Em termos práticos, para um pistão que se move: o calor entra para aquecer a substância e, ao mesmo tempo, o sistema pode fazer trabalho deslocando o pistão contra a resistência externa. Essas relações são centrais para problemas de ENEM que pedem balanços entre calor, trabalho e energia interna em processos com alterações de temperatura, volume ou ambos (2)(3).

Observamos também que, para substâncias diferentes, Cv pode variar com a temperatura; no caso de gases ideais, a dependência é especialmente simples e permite aplicar ΔU = n Cv ΔT com facilidade. O estudo de mudanças de energia interna é diretamente relacionado a questões de prova que exigem interpretar cenários como aquecer um recipiente vedado, comprimir um gás em um motor ou analisar o efeito de um aquecedor em um sistema aberto. (2)(3)