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Energia interna ed entalpia di un gas perfetto

1845
  • James Prescott Joule
Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione dell'energia interna e dell'entalpia di un gas perfetto in termodinamica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Per un gas perfetto, l'energia interna ([latex]U[/latex]) e l'entalpia ([latex]H[/latex]) sono funzioni solo della temperatura. Le loro variazioni sono date da [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], dove [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] sono i calori specifici a volume costante e pressione, rispettivamente, e si presume siano costanti.

Un principio cardine del modello del gas perfetto è che la sua energia interna dipende esclusivamente dalla sua temperatura. Questo fu dimostrato sperimentalmente da James Prescott Joule nei suoi esperimenti di espansione. Per un gas ideale, l'energia interna è la somma delle energie cinetiche delle sue molecole costituenti. Poiché la temperatura è una misura dell'energia cinetica media, l'energia interna è una funzione della temperatura. Il modello del gas perfetto semplifica ulteriormente questo concetto assumendo una relazione lineare attraverso un calore specifico costante a volume costante, [latex]c_v[/latex]. Pertanto, la variazione dell'energia interna specifica è [latex]Delta u = c_v Delta T[/latex].

L'entalpia ([latex]H[/latex]) è un termodinamico potenziale definito come [latex]H = U + PV[/latex]. Per un gas perfetto, utilizzando il legge dei gas ideali ([latex]PV = nRT[/latex]), l'entalpia diventa [latex]H = U(T) + nRT[/latex], che è anch'essa una funzione della sola temperatura. La variazione di entalpia specifica è analogamente data da [latex]Delta h = c_p Delta T[/latex], dove [latex]c_p[/latex] è il calore specifico costante a pressione costante. Questa semplificazione è estremamente potente in ingegneria, poiché consente il calcolo diretto delle variazioni di energia in processi come compressione, espansione e riscaldamento senza bisogno di tabelle complesse o equazioni di stato, costituendo la base per l'analisi di motori, frigoriferi e centrali elettriche.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Termodinamica

Tipo

Modello teorico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • prima legge della termodinamica
  • esperimento di espansione di Joule
  • concetto di energia interna
  • ideale legge sui gas
  • definizione di entalpia

Applicazioni

  • analisi dei cicli termodinamici (ad esempio, Brayton, Otto)
  • calcolo del trasferimento di calore nei sistemi a gas
  • progettazione di scambiatori di calore
  • modellazione di turbine a gas e motori a reazione
  • processo chimico ingegneria per i calcoli del bilancio energetico

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • software di audit energetico in tempo reale per forni a gas industriali
  • control systems for cryogenic gas liquefaction that optimize energy consumption
  • algoritmi di manutenzione predittiva per compressori di gas basati sulle prestazioni termiche
  • strumenti di simulazione per la progettazione di sistemi di raffreddamento dei motori a combustione interna più efficienti
  • sistemi di gestione termica on-chip per sensori di gas su microscala
  • modelli dinamici per l'ottimizzazione delle centrali elettriche a ciclo combinato
  • software for calculating the impronta di carbonio of industrial heating processes
  • modellazione termodinamica avanzata per la schermatura termica dei veicoli ipersonici
  • sviluppo di nuovi cicli di refrigerazione utilizzando miscele di gas non standard
  • progettazione automatizzata di generatori di vapore a recupero di calore
Related to: internal energy, enthalpy, gas perfetto, Joule’s first law, specific heat, temperature, thermodynamics, energy balance, heat transfer, thermodynamic cycles.

Contesto storico

Energia interna ed entalpia di un gas perfetto

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1841
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1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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