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Energia interna de um gás ideal

A energia interna é o total de toda a energia associada ao movimento dos átomos ou moléculas no sistema. As formas microscópicas de energia incluem aquelas devidas à rotação , vibração , tradução e interações entre as moléculas de uma substância.

Gás Monatômico – Energia Interna

Para um gás ideal monatômico (como hélio, néon ou argônio), a única contribuição para a energia vem da energia cinética translacional . A energia cinética translacional média de um único átomo depende apenas da temperatura do gás e é dada pela equação:

K _méd = 3/2 kT.

A energia interna de n moles de um gás monatômico ideal (um átomo por molécula) é igual à energia cinética média por molécula vezes o número total de moléculas, N:

E _int = 3/2 NkT = 3/2 nRT

onde n é o número de moles. Cada direção (x, ye z) contribui (1/2) nRT para a energia interna . É aqui que entra a idéia da equipartição de energia – qualquer outra contribuição para a energia também deve contribuir (1/2) nRT . Como pode ser visto, a energia interna de um gás ideal depende apenas da temperatura e do número de mols de gás.

Molécula Diatômica – Energia Interna

Se as moléculas de gás contêm mais de um átomo, existem três direções de translação e a energia cinética rotacional também contribui, mas apenas para rotações em torno de dois dos três eixos perpendiculares. As cinco contribuições para a energia (cinco graus de liberdade) fornecem:

Validade da lei do gás ideal

Como o gás ideal é definido como aquele em que todas as colisões entre átomos ou moléculas são perfeitamente elásticas e nas quais não há forças de atração intermoleculares, não existe na natureza algo como um gás verdadeiramente ideal. Por outro lado, todos os gases reais se aproximam do estado ideal a baixas pressões (densidades) . A baixas pressões, as moléculas estão suficientemente afastadas para não interagirem umas com as outras.

Em outras palavras, a Lei do Gás Ideal é precisa apenas em pressões relativamente baixas (em relação à pressão crítica p _cr ) e em altas temperaturas (em relação à temperatura crítica T _cr ). Nesses parâmetros, o fator de compressibilidade, Z = pv / RT , é de aproximadamente 1 . O fator de compressibilidade é usado para explicar o desvio da situação ideal. Esse fator de correção depende da pressão e temperatura para cada gás considerado.

Exemplo: Lei do gás ideal – Compressão de gás dentro de um pressurizador

A pressão no circuito primário das PWRs é mantida por um pressurizador , um vaso separado que é conectado ao circuito primário (perna quente) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por energia elétrica submersa. aquecedores . Durante o aquecimento da planta, o pressurizador pode ser preenchido com nitrogênio, em vez de vapor saturado .

Suponha que um pressurizador contenha 12 m ³ de nitrogênio a 20 ° C e 15 bar . A temperatura é aumentada para 35 ° C e o volume é reduzido para 8,5 m ³ . Qual é a pressão final do gás dentro do pressurizador? Suponha que o gás seja ideal.

Solução:

Como o gás é ideal, podemos usar a lei do gás ideal para relacionar seus parâmetros, tanto no estado inicial ie no estado final f . Portanto:

p _init V _init = nRT _init

e

p _final V _final = nRT _final

Dividindo a segunda equação pela primeira e resolvendo para p _f , obtemos:

p _definitiva = p _Init T _definitiva V _Init / T _{o init} V _definitiva

Observe que não podemos converter unidades de volume e pressão em unidades básicas de SI, porque elas se cancelam. Por outro lado, temos que usar Kelvins em vez de graus Celsius. Portanto, T _init = 293 K e T _final = 308 K.

A seguir, a pressão resultante no estado final será:

p _final = (15 bar) x (308 K) x (12 m ³ ) / (293 K) x (8,5 m ³ ) = 22 bar

Constante universal de gás

Qualquer equação que relacione a pressão, a temperatura e o volume específico de uma substância é chamada de equação de estado . A equação de estado mais simples e mais conhecida para substâncias na fase gasosa é a equação de estado do gás ideal . Foi declarado pela primeira vez por Émile Clapeyron em 1834 como uma combinação da lei empírica de Boyle, da lei de Charles e da lei de Avogadro. Esta equação prevê o comportamento pvT de um gás com bastante precisão para gases diluídos ou de baixa pressão. Num gás ideal, as moléculas não têm volume e não interagem. De acordo com a lei ideal dos gases, a pressão varia linearmente com a temperatura e a quantidade e inversamente com o volume .

pV = nRT

Onde:

• p é a pressão absoluta do gás
• n é a quantidade de substância
• T é a temperatura absoluta
• V é o volume
• R  é a constante de gás ideal, ou universal,igual ao produto da constante de Boltzmann e da constante de Avogadro,

Nesta equação, o símbolo R é uma constante chamada constante universal de gás que tem o mesmo valor para todos os gases – ou seja, R = 8,31 J / mol K.

O poder da lei do gás ideal está em sua simplicidade . Quando quaisquer duas das variáveis ​​termodinâmicas, p, ve T são dadas , a terceira pode ser facilmente encontrada . Muitas condições físicas dos gases calculadas pelos engenheiros se enquadram na descrição acima. Talvez o uso mais comum do comportamento do gás estudado pelos engenheiros seja o processo de compressão e expansão usando aproximações ideais de gás.

Segunda Lei de Joule

Para qualquer gás cuja equação de estado seja dada exatamente por pV = nRT (ou pv = RT ), a energia interna específica depende apenas da temperatura. Esta regra foi originalmente encontrada em 1843 pelo físico inglês James Prescott Joule experimentalmente para gases reais e é conhecida como a segunda lei de Joule :

A energia interna de uma massa fixa de um gás ideal depende apenas de sua temperatura (não pressão ou volume).

A entalpia específica de um gás descrita por pV = nRT também depende apenas da temperatura. Observe que a entalpia é a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema. É igual à energia interna do sistema mais o produto de pressão e volume. Em variáveis ​​intensivas, a segunda lei de Joule é dada por h = h (T) = u (T) + pv = u (T) + RT.

Essas três equações constituem o modelo de gás ideal, resumido da seguinte forma:

pv = RT

u = u (T)

h = h (T) = u (T) + RT

Modelo de gás ideal

O modelo de gás ideal é usado para prever o comportamento dos gases e é um dos modelos de substâncias mais úteis e mais usados ​​já desenvolvidos. Descobri que, se confinarmos amostras de 1 mol de vários gases em volume idêntico e mantivermos os gases na mesma temperatura , suas pressões medidas serão quase as mesmas . Além disso, quando confinamos gases em densidades mais baixas, as diferenças tendem a desaparecer. Verificou-se que esses gases tendem a obedecer à seguinte relação, conhecida como lei dos gases ideais :

pV = nRT

Onde:

p é a pressão absoluta do gás

n é a quantidade de substância

T é a temperatura absoluta

Vé o volume

R é a constante de gás ideal, ou universal,igual ao produto da constante de Boltzmann e da constante de Avogadro. O poder da lei do gás ideal está em sua simplicidade. Quando quaisquer duas das variáveis ​​termodinâmicas , p, ve T são dadas, a terceira pode ser facilmente encontrada.

O que é energia

O termo energia é muito, muito amplo e possui muitas definições. Tecnicamente, energia é uma quantidade física escalar que está associada ao estado de um ou mais objetos. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor . Às vezes, é como a “moeda” para realizar o trabalho. Você deve ter energia para realizar o trabalho. Para executar 1 quilojoule de trabalho, você deve gastar 1 kilojoule de energia. É preciso acrescentar que essa interpretação pode ser enganosa porque a energia não está necessariamente disponível para o trabalho.

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro. Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica .

Formas de energia

A energia existe de várias formas. As formas comuns de energia incluem energia mecânica classicamente dividida em energia cinética e energia potencial . A energia cinética está relacionada à velocidade de um objeto em movimento . A energia potencial está relacionada à posição de um objeto em um campo de força (gravitacional, elétrico ou magnético). A tensão em uma mola ou tensão na superfície do filme são outras formas de energia mecânica potencial (energia elástica). Existem muitas outras formas de energia, incluindo energia elétrica, magnética, química e nuclear .

Na termodinâmica, o conceito de energia é ampliado para dar conta de outras mudanças observadas. A termodinâmica lida com outro tipo de energia chamado ” energia térmica ” ou ” energia interna “. As únicas maneiras pelas quais a energia de um sistema fechado pode ser alterada são através da transferência de energia pelo trabalho ou pelo calor . Além disso, com base nos experimentos de Joule e outros, um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Este princípio é conhecido como a primeira lei da termodinâmica . Em geral, energia é um conceito fundamental da termodinâmica e um dos aspectos mais significativos da análise de engenharia.

Fontes de energia secundárias – Transportadoras de energia

Fontes de energia secundárias , também chamadas de portadoras de energia , são derivadas da transformação de fontes de energia primária. Eles são chamados portadores de energia, porque movem energia de uma forma utilizável de um lugar para outro. Os portadores de energia conhecidos são:

• Eletricidade
• Gasolina
• Hidrogênio

Eletricidade e hidrogênio produzidos a partir de fontes de energia primária, como carvão, gás natural, energia nuclear, petróleo e fontes de energia renováveis. A eletricidade é particularmente útil, pois possui baixa entropia (é altamente solicitada) e pode ser convertida em outras formas de energia com muita eficiência. Simplesmente, não podemos dizer que o hidrogênio tenha potencial para compensar os combustíveis fósseis.

Fontes de energia secundárias são usadas, porque seu uso é mais fácil do que usar uma fonte de energia primária. Por exemplo, usar eletricidade para iluminação é mais seguro do que usar petróleo em velas ou lâmpadas de querosene.

Por outro lado, qualquer conversão de energia primária em transportadora de energia está associada a alguma ineficiência. Portanto, ao lidar com fonte de energia secundária, devemos sempre considerar o caminho, como a transportadora foi fabricada.

Fontes de energia primária

A energia primária (PE) é um recurso energético encontrado na natureza que não foi submetido a nenhum processo de conversão ou transformação. É a energia contida nos combustíveis brutos e outras formas de energia recebidas como insumo para um sistema. As fontes de energia primária assumem várias formas, incluindo energia nuclear, energia fóssil – como petróleo, carvão e gás natural – e fontes renováveis ​​como eólica, solar, geotérmica e hidrelétrica. Essas fontes primárias podem ser convertidas em fonte de energia secundária, os chamados portadores de energia . As fontes de energia primária podem ser divididas em:

• Fontes não renováveis
  • Combustíveis fósseis
    • Óleo
    • Carvão
    • Gás natural
  • Combustíveis minerais
    • Urânio natural
    • Tório natural
• Fontes renováveis
  • Energia solar
  • Energia eólica
  • Energia hídrica e das marés
  • Energia geotérmica
  • Energia de biomassa (se explorada de forma sustentável)