6.3: Energia Interna

O total de todos os tipos possíveis de energia presentes em uma substância é chamado de energia interna (U), às vezes simbolizada como E. Suponha que um sistema com energia interna inicial, U_inicial, sofre uma mudança de energia (transferência de trabalho ou calor), e a energia interna final do sistema é U_final. A alteração na energia interna é igual à diferença entre U_final e U_inicial. 

Embora os valores de U_final e U_inicial não possam ser determinados para um sistema, a primeira lei da termodinâmica requer apenas o valor de ΔU, que pode ser determinado mesmo sem conhecer os valores de U_final e U_inicial. Um valor positivo de ΔU resulta quando U_final > U_inicial, e indica que o sistema ganhou energia das imediações. Um valor negativo de ΔU é obtido quando U_final < U_inicial e indica que o sistema perdeu energia para as imediações.

O calor (energia térmica) e o trabalho (energia mecânica) são as duas maneiras diferentes que um sistema pode trocar energia com as suas imediações. A energia é transferida para um sistema quando absorve calor (q) das imediações ou quando as imediações realizam trabalho (W) sobre o sistema. 

Por exemplo, a energia é transferida para um fio metálico à temperatura ambiente se estiver imerso em água quente (o fio absorve calor da água) ou quando o fio é rapidamente dobrado para a frente e para trás (o fio fica mais quente devido ao trabalho realizado). Ambos os processos aumentam a energia interna do fio, o que se reflecte em um aumento da temperatura do fio. Por outro lado, a energia é transferida para fora de um sistema quando o calor é perdido do sistema ou quando o sistema realiza trabalho sobre as imediações. Por exemplo, a queima de combustível de um foguete liberta uma quantidade tremenda de calor e também realiza trabalho sobre as imediações ao aplicar uma força ao longo de uma distância (fazendo com que um vaivém espacial se levante do solo). Ambos os processos diminuem a energia interna do sistema.

A relação entre energia interna, calor, e trabalho pode ser representada pela equação:

Esta é uma versão da primeira lei da termodinâmica, e mostra que a energia interna de um sistema muda através do fluxo de calor para dentro ou para fora do sistema ou quando é realizado trabalho sobre ou pelo sistema. Os sinais para calor e trabalho dependem de se o sistema ganha ou perde energia. q positivo é o fluxo de calor para o sistema a partir das imediações, enquanto que q negativo é o fluxo de calor para fora do sistema. O trabalho, w, é positivo se for feito sobre o sistema e negativo se for feito pelo sistema.

Quando q e w são ambos positivos (>0), ΔU é sempre positivo (>0), e a energia interna do sistema aumenta. Quando q e w são ambos negativos (<0), ΔU é sempre negativo (<0), e a energia interna do sistema diminui. Se q e w tiverem convenções diferentes de sinais, o sinal de ΔU depende das magnitudes relativas de q e w.    

A unidade SI de energia, calor, e trabalho é o joule (J).

Este texto é adaptado de OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Num processo químico, a diferença entre as energias internas dos reagentes e produtos, representada por ΔU, é utilizada para determinar se o sistema ganhou ou perdeu energia durante a reação. Se ΔU for maior do que zero, a energia interna final era superior à energia interna inicial e o sistema ganhou energia durante a reação. Se ΔU for inferior a zero, a energia interna final é menor do que a energia interna inicial, o que significa o sistema perdeu energia.

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, qualquer alteração na energia de um sistema deve ser equilibrado por uma alteração igual e oposta nas suas áreas circundantes. Assim, a alteração na energia interna de um sistema é igual à energia transferida como calor, simbolizada por q"mais a energia transferida como trabalho, simbolizada por w"durante o processo. Na química, os sinais de calor e trabalho dependem do fato de o sistema ganhar ou perder energia.

Consideremos a transformação do dióxido de carbono em carbono e oxigênio elementares. O reagente tem menos energia interna do que os produtos, o que significa que ΔU é positivo. A energia é transferida do meio envolvente para o sistema, aumentando a sua energia interna.

Em alternativa, durante a reação entre o enxofre e o gás de oxigênio para produzir dióxido de enxofre, a energia é transferida para o meio envolvente. Aqui, os produtos têm uma energia interna mais baixa do que os reagentes, e ΔU é negativo. Assim, ΔU depende apenas dos estados energéticos internos iniciais e finais do sistema e da magnitude de calor e trabalho trocadas com o meio envolvente.