Energia térmica

A energia térmica é a energia contida em sistemas termodinâmicos (energia interna) ou pode ser a troca de calor desses sistemas. O fluxo dessa energia é conhecido como calor (maior ou menor agitação das moléculas). A forma de medir esse fluxo de energia é o que chamamos de temperatura (quantidade de energia cinética das moléculas).

A energia térmica é formada pela movimentação das partículas de um corpo ou sistema. Seu uso em certos tipos de usinas de produção de energia pode trazer vantagens, como alta produtividade (usina de carvão e termonuclear), baixo custo (usina de carvão) e menor poluição (gás natural e termonuclear), mas também desvantagens, como alto custo (termonuclear), desmatamento (biomassa) e poluição (carvão).

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O que é energia térmica?

Definiremos aqui a energia térmica como a soma da energia cinética — energia dos corpos associada ao movimento — das partículas contidas em um sistema. As partículas de um corpo possuem movimentos aleatórios — agitação térmica.

Essa energia térmica pode ser transferida para outros corpos, e essa troca é o que chamamos de calor e ocorre de um corpo com maior agitação térmica para um corpo com menor agitação. A diferença de energia que os corpos apresentam é medida como temperatura.

Equações da energia térmica

Para os gases ideais monoatômicos, formados por apenas um único tipo de átomo, conseguimos encontrar sua energia cinética quando elas estão em movimento translacional, o que chamamos de agitação.

A energia encontrada nessa movimentação é dada por meio da teoria cinética dos gases, que estuda o comportamento e o movimento das partículas e átomos dos gases, com a seguinte equação, sendo a constante de Boltzmann a relação da temperatura com a energia de movimento das moléculas:

• E_c: energia cinética (J)

• K_B: constante de Boltzmann = 1,38.10^-23 J/k

• T: temperatura (K)

Como funciona a energia térmica?

Qualquer corpo que esteja a uma temperatura superior ao zero absoluto (-273,15 º celsius ou 0 kelvin) possui energia térmica.

Quando há uma diferença de temperatura entre dois corpos, a energia térmica flui do corpo com maior temperatura para o corpo com menor temperatura, até que se estabeleça o equilíbrio térmico, definido pela lei zero da termodinâmica.

A energia térmica é diretamente proporcional à temperatura: quanto maior a temperatura, maior a energia térmica. A somatória das energias de todas as moléculas do corpo é o que temos como a energia térmica de um corpo, não considerando a partículas de fora desse sistema.

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Utilização da energia térmica

A energia térmica pode ser utilizada como geradora de eletricidade, por meio de painéis solares e de usinas.

Em larga escala, é comum o seu uso em usinas termoelétricas (carvão, gás natural e biomassa) e termonucleares (fissão nuclear de elementos radioativos). Essas usinas utilizam combustíveis para aquecer a água. O vapor produzido e a alta energia cinética das partículas movem turbinas ligadas a um gerador elétrico, que, por meio de indução eletromagnética, quando surge corrente elétrica nos materiais imersos em campos magnéticos, gera como produto a energia elétrica.

Vantagens e desvantagens da utilização da energia térmica

As vantagens das termelétricas incluem uma fácil instalação e redução de custo em sua construção, além de não necessitarem de elementos naturais, como água e o vento, como ocorre com as usinas eólicas e hidrelétricas.

As desvantagens estão no impacto ambiental, como desmatamento, poluição e a emissão de gases.

Já as vantagens das termonucleares incluem a baixa emissão de gases do efeito estufa e uma alta produtividade. As desvantagens estão no seu alto custo de construção e manutenção, além da produção de lixo radioativo.

Diferença entre energia térmica, calor e temperatura

Vimos que esses três termos físicos são correspondentes, porém possuem significados diferentes.

• Energia térmica: está relacionada com a agitação das moléculas de um corpo.

• Calor: é o fluxo que essa energia toma, sempre seguindo do corpo com maior agitação para o corpo com menor agitação.

• Temperatura: grandeza que mede essa diferença de energia térmica que os corpos têm.

Exercícios resolvidos sobre energia térmica

Questão 1 - (UPE) Em relação à teoria cinética molecular dos gases, é CORRETO afirmar que:

A) a energia cinética média de um conjunto de moléculas de um gás depende, apenas e exclusivamente, das massas das moléculas desse gás.

B) quando quadruplicamos a temperatura absoluta de um conjunto de moléculas de um gás, suas moléculas terão velocidade média quadruplicada.

C) quanto maiores as interações entre as moléculas de um gás, mais rigorosamente ele se comportará como um gás ideal.

D) numa mesma temperatura, independentemente das massas molares de cada gás, as moléculas têm energias cinéticas médias iguais.

E) as colisões entre moléculas de um gás perfeito com as paredes do recipiente que as contém são inelásticas para qualquer tipo de gás ideal.

Resolução

Alternativa D.

A energia cinética de um conjunto de moléculas depende da temperatura (alternativa a), e a velocidade da agitação não cresce diretamente com a temperatura (alternativa b).

Além disso, as interações entre as moléculas de um gás ocorrem apenas nas colisões (alternativa c) e, quando essas colisões ocorrem com as paredes de um recipiente, são perfeitamente elásticas.

Como a equação da energia cinética só depende da temperatura, para dois gases na mesma temperatura, a energia cinética será a mesma.

Questão 2 - (UEM) - Sobre a teoria cinética dos gases, assinale a alternativa correta:

(Obs: considere um recipiente isolado, hermeticamente fechado e contendo um gás ideal.)

A) Ao se aumentar a temperatura de um recipiente contendo um gás, a energia cinética das moléculas é diminuída.

B) A pressão exercida por um gás é o resultado do choque inelástico das moléculas com as paredes do recipiente.

C) A agitação molecular não tem relação alguma com a temperatura de um gás.

D) As colisões intermoleculares são perfeitamente elásticas, ou seja, ocorrem sem perda de energia.

E) Quanto maior o número de colisões entre as moléculas do gás e as paredes do recipiente, menor será a pressão exercida por esse gás.

Resolução

Alternativa D.

Ao aumentar a temperatura de um gás, sua energia cinética também aumenta (alternativa a errada).

O choque que ocorre entre as moléculas é um choque elástico (alternativa b errada), não ocorre perda de energia (alternativa d correta) e, quanto maior o número de colisões, maior será a pressão exercida pelo gás (alternativa e errada).

Por meio da equação a seguir, percebemos que a agitação molecular (energia cinética das moléculas) tem relação com a temperatura (alternativa c errada).