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Energia interna e entalpia de um gás perfeito

1845
  • James Prescott Joule
Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume constante e pressão, respectivamente, e assume-se que sejam constantes.

Um dos pilares do modelo de gás perfeito é o princípio de que sua energia interna depende exclusivamente de sua temperatura. Isso foi demonstrado experimentalmente por James Prescott Joule em seus experimentos de expansão. Para um gás ideal, a energia interna é a soma das energias cinéticas de suas moléculas constituintes. Como a temperatura é uma medida da energia cinética média, a energia interna é uma função da temperatura. O modelo de gás perfeito simplifica ainda mais isso, assumindo uma relação linear por meio de um calor específico constante a volume constante, [latex]c_v[/latex]. Assim, a variação da energia interna específica é [latex]Delta u = c_v Delta T[/latex].

Entalpia ([latex]H[/latex]) é uma termodinâmica potencial definido como [latex]H = U + PV[/latex]. Para um gás perfeito, usando o lei dos gases ideais ([latex]PV = nRT[/latex]), a entalpia torna-se [latex]H = U(T) + nRT[/latex], que também é uma função apenas da temperatura. A variação da entalpia específica é dada de forma semelhante por [latex]Delta h = c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_p[/latex] é o calor específico constante a pressão constante. Essa simplificação é extremamente poderosa em engenharia, pois permite o cálculo direto das variações de energia em processos como compressão, expansão e aquecimento, sem a necessidade de tabelas complexas ou equações de estado, constituindo a base para a análise de motores, refrigeradores e usinas de energia.

UNESCO Nomenclature: 2212
Termodinâmica

Tipo

Modelo Teórico

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • primeira lei da termodinâmica
  • experimento de expansão de joule
  • conceito de energia interna
  • ideal lei do gás
  • definição de entalpia

Aplicações

  • análise de ciclos termodinâmicos (ex.: Brayton, Otto)
  • Cálculo da transferência de calor em sistemas gasosos
  • projeto de trocadores de calor
  • Modelagem de turbinas a gás e motores a jato
  • processo químico Engenharia para cálculos de balanço energético

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • real-time energy auditing software for industrial gas furnaces
  • control systems for cryogenic gas liquefaction that optimize energy consumption
  • predictive maintenance algorithms for gas compressors based on thermal performance
  • simulation tools for designing more efficient internal combustion engine cooling systems
  • on-chip thermal management systems for micro-scale gas sensors
  • dynamic models for optimizing combined cycle power plants
  • software for calculating the pegada de carbono of industrial heating processes
  • advanced thermodynamic modeling for hypersonic vehicle heat shielding
  • development of novel refrigeration cycles using non-standard gas mixtures
  • automated design of heat recovery steam generators
Related to: internal energy, enthalpy, gás perfeito, Joule’s first law, specific heat, temperature, thermodynamics, energy balance, heat transfer, thermodynamic cycles.

Contexto histórico

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

1835
1838
1841
1845
1850
1850
1850
1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850
1850
1850

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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