6.5: Quantificação do Trabalho

À medida que um sistema sofre uma alteração, a sua energia interna pode mudar, e a energia pode ser transferida do sistema para as imediações ou das imediações para o sistema. 

A transferência de energia ocorre através do calor e do trabalho. A relação entre energia interna, calor, e trabalho é representada pela equação:

Enquanto que o calor é uma função de uma alteração de temperatura observada, o trabalho é uma função de uma alteração de volume observada chamada trabalho de pressão-volume. O trabalho (w) pode ser definido como uma força (F) que age ao longo de uma distância (D).

O trabalho de pressão-volume (ou trabalho de expansão) ocorre quando um sistema empurra as imediações para trás contra uma pressão de retenção, ou quando as imediações comprimem o sistema. Um exemplo disto ocorre durante o funcionamento de um motor de combustão interna. A reação de combustão da gasolina e do oxigénio é exotérmica. Alguma desta energia é obtida como calor, e alguma é executada como trabalho expandindo os gases no cilindro, empurrando assim o pistão para fora. As substâncias envolvidas na reação são o sistema, e o motor e o resto do universo são as imediações. O sistema perde energia tanto pelo aquecimento como pelo trabalho para as imediações, e a sua energia interna diminui.

Quando o volume de um cilindro aumenta (ou seja, o gás expande), ele empurra contra uma força externa, que é a pressão definida como força por área da unidade.

A partir das equações 2 e 3:

O produto da área e da distância (A × D) é igual à alteração do volume (ΔV) do gás no cilindro.

Portanto,

Como o volume aumenta durante a expansão, V_final > V_inicial, e ΔV são positivos. No entanto, para uma expansão positiva (ou seja, quando o sistema realiza trabalho sobre as imediações), w deve ser negativo e, portanto, um sinal negativo é adicionado à equação. 

De acordo com esta equação, o trabalho de pressão-volume é o negativo da pressão externa (ou pressão oposta) multiplicado pela alteração de volume. 

A unidade de trabalho baseada nesta equação é L·atm. Alguns outros factores de conversão úteis são: 

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

Lembremo-nos que a energia interna de um sistema é definida como a soma do calor e do trabalho. O calor é medido utilizando a calorimetria, mas como é quantificado o trabalho, o trabalho é o resultado de uma força, que um objeto experimenta, tais como ser puxado, empurrado ou levantado numa distância. Assim, o trabalho é igual à força vezes a distância.

Se um taco de golfe acerta numa bola a 100 pés, então já fez o seu trabalho. A energia é transferida do taco para a bola. Neste caso, a bola é o sistema em que o trabalho é realizado pelo meio envolvente.

Nas reações químicas, o trabalho pode ser associado a múltiplas alterações físicas ou químicas num sistema. Um tipo de trabalho normalmente encontrado é o trabalho de pressão-volume. Consideremos a combustão no cilindro de um motor.

A combustão não só gera calor, como também produz gás, que realiza trabalho. Quando o volume de gás no cilindro se expande, a pressão empurra o pistão para baixo atuando contra as forças externas no meio envolvente. A pressão é definida como uma força que atua numa área.

Aqui, a força dos gases em expansão está distribuída pela área da base do pistão. Por outras palavras, a força é a pressão vezes a área. Assim, o trabalho, que é a força vezes a distância, pode ser reescrita à medida que se multiplica a pressão pela área e distância sobre a qual atua.

Para o cilindro do motor, esta é a diferença de altura em que o pistão se move. Considerando que a área vezes a altura é o volume de um cilindro, a equação para o trabalho pode ser definida pela pressão vezes a alteração do volume do sistema. No entanto, porque o volume aumenta e o pistão é empurrado para baixo, na verdade, o sistema executa trabalho no meio envolvente que, por convenção, é um valor negativo.

Por conseguinte, o trabalho é definido como o negativo da pressão P vezes delta V ou a alteração no volume final e inicial, que ocorreu durante a expansão. A unidade de trabalho pressão-volume é geralmente definida como litro-atmosfera. Esta unidade pode ser convertida na unidade convencional de energia, Joules, utilizando o fator de conversão de que um litro-atmosfera é igual a 101, 3 Joules.

• Pressure-Volume Work - An energy transaction where a system impacts the surroundings by resisting pressure or being compressed by it.
• Internal Energy - The energy change that takes place during a system's transformation.
• External Pressure - The opposing force a system works against while changing volume.
• Expansion Work - The process where energy is utilised to amplify the gases in a cylinder, for example in an internal combustion engine.
• Work Calculation in Chemistry - The action where pressure and volume changes are quantified to determine energy transfer.

• Define Pressure-Volume Work – Explaining the energy transfer when a system resists pressure or compresses (e.g., pressure volume work equation).
• Contrast Internal and External Energy – Enumerate the differences between internal and external energy (e.g., the role of the surroundings).
• Explore Expansion Work – Discuss how energy fuels the magnifying of gases in a cylinder (e.g., combustion in internal combustion engines).
• Explain Pressure Changes – Understanding the impacts of pressure changes on work, volume and energy.
• Apply Work Calculation in Chemistry – Learning to calculate work from changes in pressure and volume in chemistry.

• What is pressure-volume work and how does it impact the surroundings?
• How does expansion work contribute to the operation of internal combustion engines?
• How are changes in pressure and volume calculated for work in chemistry?

• Engineering Students – Understand how pressure volume work plays a fundamental role in different engineering fields.
• Chemistry Teachers – Provides a clear explanation of work calculation in thermodynamics, useful for teaching the subject.
• Science Researchers – Useful in exploring new ways to optimize energy use in systems with changing pressure.
• Automobile Enthusiasts – Offers insights on the operation of internal combustion engines, fostering deeper understanding.