Nick Connor, Autor Thermal Engineering

Was ist Wasser in der Kerntechnik – Definition

2020-03-12 von Nick Connor

Verwendung von Wasser in der Nukleartechnik. In der Nukleartechnik hat Wasser verschiedene Verwendungen. Wasser ist eine bemerkenswerte Substanz und hat viele bemerkenswerte physikalische Eigenschaften. Wärmetechnik

Verwendung von Wasser in der Nukleartechnik

Wasser als Reaktorkühlmittel

Wasser und Dampf sindim Primärkreislauf (von der Oberfläche der Brennstäbe zum Kühlmittelstrom) und im Sekundärkreislaufeine übliche Flüssigkeit, die zum Wärmeaustausch verwendet wird. Es dient aufgrund seiner Verfügbarkeit und hohen Wärmekapazität sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen. Der Wärmetransport durch Verdampfung und Kondensation von Wasser ist aufgrund seiner sehr großen latenten Verdampfungswärme besonders effektiv.

Ein Nachteil besteht darin, dass wassergesteuerte Reaktoren einen Hochdruck-Primärkreislauf verwenden müssen, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten und einen ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen. Wasser und Dampf reagieren auch mit Metallen, die üblicherweise in Industrien wie Stahl und Kupfer vorkommen und durch unbehandeltes Wasser und Dampf schneller oxidiert werden. In fast allen Wärmekraftwerken (Kohle, Gas, Kernkraft) wird Wasser als Arbeitsmedium (in einem geschlossenen Kreislauf zwischen Kessel, Dampfturbine und Kondensator) und das Kühlmittel (zum Austausch der Abwärme an einen Wasserkörper) verwendet oder durch Verdampfung in einem Kühlturm abtransportieren).

Eigenschaften von Wasser - Dampf - Tischen — Dampftabellen – allgemeine Parameter in Energiesystemen

Wasser und Dampf sind ein gängiges Medium, da ihre Eigenschaften sehr bekannt sind. Ihre Eigenschaften sind in sogenannten „ Dampftabellen “ aufgeführt. In diesen Tabellen sind die Grund- und Schlüsseleigenschaften wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Dichte und spezifische Wärme entlang der Dampf-Flüssigkeits-Sättigungskurve als Funktion von Temperatur und Druck tabellarisch aufgeführt. Die Eigenschaften werden auch einphasige Zustände (tabellarisch für Druckwasseroder Heißdampf bis 2000 erstreckt) auf einem Raster von Temperaturen und Drücken ºC und 1000 MPa.

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Wasser als Moderator

Der Neutronenmoderator , der in thermischen Reaktoren von Bedeutung ist, wird zum Moderieren verwendet, dh zum Verlangsamen der Neutronen von der Spaltung zu thermischen Energien . Kerne mit geringen Massenzahlen sind für diesen Zweck am effektivsten, daher ist der Moderator immer ein Material mit geringer Massenzahl . Zu den häufig verwendeten Moderatoren gehören normales (leichtes) Wasser (ungefähr 75% der Reaktoren der Welt), fester Graphit (20% der Reaktoren) und schweres Wasser (5% der Reaktoren).

In den meisten Kernreaktoren ist Wasser sowohl Kühlmittel als auch Moderator . Die Moderation tritt insbesondere bei Wasserstoffkernen auf. Im Falle des Wasserstoffs (A = 1) als Zielkern kann das einfallende Neutron vollständig gestoppt werden – es weist die höchste durchschnittliche logarithmische Energieverringerung aller Kerne auf. Andererseits haben Wasserstoffkerne einen relativ höheren Absorptionsquerschnitt , weshalb Wasser gemäß dem Moderationsverhältnis nicht der beste Moderator ist .

Wasser als Neutronenabschirmung

Abschirmung der Neutronenstrahlung — Wasser als Neutronenschild

Wasser ist aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts und der Verfügbarkeit eine wirksame und übliche Neutronenabschirmung . Aufgrund der geringen Atomzahl von Wasserstoff und Sauerstoff ist Wasser jedoch kein akzeptabler Schutz gegen die Gammastrahlen. Andererseits kann dieser Nachteil (geringe Dichte) in einigen Fällen durch eine hohe Dicke des Wasserschildes ausgeglichen werden. Im Falle von Neutronen moderiert Wasser Neutronen perfekt, aber bei Absorption von Neutronen durch Wasserstoffkern entstehen sekundäre Gammastrahlen mit der hohen Energie. Diese Gammastrahlen dringen stark in die Materie ein und können daher die Anforderungen an die Dicke des Wasserschildes erhöhen. Zugabe einer Borsäure kann bei diesem Problem helfen (Neutronenabsorption an Borkernen ohne starke Gamma-Emission), führt jedoch zu weiteren Problemen bei der Korrosion von Baumaterialien.

Siehe auch: Abschirmung von Neutronen

Wasser als Gammastrahlenschutz

Kurz gesagt basiert eine wirksame Abschirmung der Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

hohe Materialdichte.
hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Tabelle der Schichten mit halbem Wert (in cm) — Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Obwohl Wasser weder ein Material mit hoher Dichte noch mit hohem Z-Gehalt ist , wird es üblicherweise als Gammaschutz verwendet. Wasser bietet eine Strahlenabschirmung von Brennelementen in einem Pool abgebrannter Brennelemente während der Lagerung oder während des Transports vom und in den Reaktorkern . Obwohl Wasser ein Material mit geringer Dichte und mit niedrigem Z-Gehalt ist, wird es üblicherweise in Kernkraftwerken verwendet, da diese Nachteile durch eine erhöhte Dicke ausgeglichen werden können.

Halbe Wasserschicht

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird .

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Was ist die Schlüsseleigenschaft der Wasserdefinition?

2020-03-122020-03-11 von Nick Connor

Wasser ist eine bemerkenswerte Substanz mit vielen überraschenden Eigenschaften. Wasser ist auch in der Nukleartechnik ein verbreitetes Medium, da die Eigenschaften von Wasser sehr gut bekannt sind. Wärmetechnik

Wasser

Wasser ist eine transparente und fast farblose Substanz, die sich aus den chemischen Elementen Wasserstoff und Sauerstoff zusammensetzt , die durch kovalente Bindungen verbunden sind . Auf der Erde existiert Wasser in gasförmigen ( Dampf oder Wasserdampf ), flüssigen und festen Zuständen (Eis). Es ist eines der reichlichsten und essentiellsten Verbindungen und der Hauptbestandteil der Bäche, Seen und Ozeane der Erde sowie der Flüssigkeiten der meisten lebenden Organismen. Es ist lebenswichtig für alle bekannten Lebensformen.

Wasser ist nicht nur lebenswichtig, sondern auch eine bemerkenswerte Substanz mit vielen überraschenden Eigenschaften.

Es ist die einzige chemische Verbindung , die in allen drei physikalischen Zuständen auf natürliche Weise vorkommt – gasförmig (Dampf oder Wasserdampf), flüssig und fest (Eis).
Es ist die einzige anorganische Flüssigkeit , die natürlicherweise auf der Erde vorkommt.
Wasser unterscheidet sich von den meisten Flüssigkeiten auch dadurch, dass es beim Gefrieren weniger dicht wird . Es hat eine maximale Dichte bei 3,98 ° C (1000 kg / m ³ ), während die Dichte von Eis 917 kg / m ³ beträgt . Es unterscheidet sich um ca. 9% und deshalb schwimmt Eis auf flüssigem Wasser
Wasser hat die höchste spezifische Wärme aller gängigen Substanzen – 4,19 kJ / kg K.
Es hat eine sehr hohe Verdampfungswärme, was es zu einem wirksamen Kühlmittel und Medium in Wärmekraftwerken und anderen Energiebereichen macht.

Wassernutzung in der Nukleartechnik

Wasser als Reaktorkühlmittel

Wasser und Dampf sind eine übliche Flüssigkeit, die für den Wärmeaustausch im Primärkreis (von der Oberfläche der Brennstäbe zum Kühlmittelstrom) und im Sekundärkreis verwendet wird. Es wird aufgrund seiner Verfügbarkeit und hohen Wärmekapazität sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet. Aufgrund seiner sehr großen latenten Verdampfungswärme ist es besonders effektiv, Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Wasser zu transportieren .

Ein Nachteil ist, dass wassermoderierte Reaktoren einen Hochdruck-Primärkreislauf verwenden müssen, um Wasser in flüssigem Zustand zu halten und um einen ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrad zu erreichen. Wasser und Dampf reagieren auch mit Metallen, die üblicherweise in Industrien wie Stahl und Kupfer vorkommen und durch unbehandeltes Wasser und Dampf schneller oxidiert werden. In fast allen Wärmekraftwerken (Kohle, Gas, Kernkraftwerke) wird Wasser als Arbeitsmedium (in einem geschlossenen Kreislauf zwischen Kessel, Dampfturbine und Kondensator) und als Kühlmittel (zum Austausch der Abwärme an einen Wasserkörper) verwendet oder durch Verdunstung in einem Kühlturm wegtragen).

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: DampftabellenDampftabellen – gemeinsame Parameter in Energiesystemen

Wasser als Moderator

Wasser als Neutronenabschirmung

Wasser als Neutronenschild

Siehe auch: Abschirmung von Neutronen

Wasser als Gammastrahlenschutz

Kurz gesagt basiert eine wirksame Abschirmung der Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

hohe Materialdichte.
hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Obwohl Wasser weder ein Material mit hoher Dichte noch mit hohem Z-Gehalt ist , wird es üblicherweise als Gammaschutz verwendet. Wasser bietet eine Strahlenabschirmung von Brennelementen in einem Pool abgebrannter Brennelemente während der Lagerung oder während des Transports vom und in den Reaktorkern . Obwohl Wasser ein Material mit geringer Dichte und mit niedrigem Z-Gehalt ist, wird es üblicherweise in Kernkraftwerken verwendet, da diese Nachteile durch eine erhöhte Dicke ausgeglichen werden können.

Halbe Wasserschicht

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird .

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.

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Was ist Thermodynamische Eigenschaft – Definition

2020-03-112020-03-11 von Nick Connor

Thermodynamische Eigenschaften. In der Thermodynamik, im Ingenieurwesen und im Alltag ist die Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften von grundlegender Bedeutung, um thermodynamische Probleme zu verstehen. Wärmetechnik

Thermodynamische Eigenschaften

In der Thermodynamik ist eine physikalische Eigenschaft jede messbare Eigenschaft, deren Wert einen Zustand eines physikalischen Systems beschreibt. Unser Ziel wird es sein, thermodynamische Eigenschaften einzuführen , die in der technischen Thermodynamik verwendet werden . Diese Eigenschaften werden auch für Energiesysteme und schließlich für Wärme- oder Kernkraftwerke angewendet .

Im Allgemeinen können thermodynamische Eigenschaften in zwei allgemeine Klassen unterteilt werden:

Umfangreiche Eigenschaften : Eine umfangreiche Eigenschaft hängt von der Menge der vorhandenen Masse oder von der Größe oder Ausdehnung eines Systems ab . Die folgenden Eigenschaften sind beispielsweise umfangreich:

Intensive Eigenschaft : Eine intensive Eigenschaft ist unabhängig von der Menge der Masse und kann jederzeit von Ort zu Ort innerhalb des Systems variieren. Die folgenden Eigenschaften sind beispielsweise umfangreich:
- Kompressibilität
- Dichte
- Spezifische Enthalpie
- Spezifische Entropie
- Spezifische Wärmekapazität
- Druck
- Temperatur
- Wärmeleitfähigkeit
- Wärmeausdehnung
- Dampfqualität
- Bestimmtes Volumen

Spezifische Eigenschaften

Spezifische Eigenschaften des Materials sind abgeleitet von anderen intensiven und extensiven Eigenschaften dieses Materials. Zum Beispiel ist die Dichte von Wasser eine intensive Eigenschaft und kann aus Messungen der Masse eines Wasservolumens (eine ausgedehnte Eigenschaft) geteilt durch das Volumen (eine andere ausgedehnte Eigenschaft) abgeleitet werden. Auch die Wärmekapazität , die eine umfangreiche Eigenschaft eines Systems ist , kann abgeleitet sein von Wärmekapazität , C _p , und der Masse des Systems. Die Aufteilung dieser umfangreichen Eigenschaften gibt die spezifische Wärmekapazität , c _p , die eine ist eine intensive Eigenschaft .

Spezifische Eigenschaften werden häufig in Referenztabellen verwendet, um Materialdaten unabhängig von Größe oder Masse aufzuzeichnen. Sie sind sehr nützlich, um Vergleiche über ein Attribut anzustellen und gleichzeitig den Effekt von Variationen in einem anderen Attribut aufzuheben.

Spezifische Eigenschaften - Thermodynamik — Tabelle einiger spezifischer Eigenschaften

Masse gegen Gewicht

Eine der bekanntesten Kräfte ist das Gewicht eines Körpers, dh die Gravitationskraft, die die Erde auf den Körper ausübt. Im Allgemeinen ist die Gravitation ein natürliches Phänomen, durch das alle Dinge mit Masse aufeinander zu gebracht werden. Die Begriffe Masse und Gewicht werden oft miteinander verwechselt, es ist jedoch wichtig, zwischen ihnen zu unterscheiden . Es ist unbedingt erforderlich, die Unterschiede zwischen diesen beiden physikalischen Größen klar zu verstehen.

Was ist Volumen?

Das Volumen ist eine physikalische Grundgröße . Das Volumen ist eine abgeleitete Größe und drückt die dreidimensionale Ausdehnung eines Objekts aus . Das Volumen wird häufig numerisch mit der von SI abgeleiteten Einheit, dem Kubikmeter, quantifiziert . Beispielsweise wird das Volumen innerhalb einer Kugel ( dh das Volumen einer Kugel) zu V = 4 / 3πr ^{3 abgeleitet} , wobei r der Radius der Kugel ist. Als weiteres Beispiel ist das Volumen eines Würfels gleich Seite mal Seite mal Seite. Da jede Seite eines Quadrats gleich ist, kann es einfach die Länge einer gewürfelten Seite sein .

Wenn ein Quadrat eine Seite von 3 Metern hat, beträgt das Volumen 3 Meter mal 3 Meter mal 3 Meter oder 27 Kubikmeter.

Siehe auch: Kühlmittelvolumen im Reaktorkühlsystem

Was ist Dichte?

Dichte - Gas - Flüssigkeit - Feststoff — Typische Dichten verschiedener Substanzen bei atmosphärischem Druck.

Die Dichte ist definiert als die Masse pro Volumeneinheit . Es ist eine intensive Eigenschaft , die mathematisch definiert ist als Masse geteilt durch Volumen:

ρ = m / V.

Mit anderen Worten, die Dichte (ρ) einer Substanz ist die Gesamtmasse (m) dieser Substanz geteilt durch das Gesamtvolumen (V), das von dieser Substanz eingenommen wird. Die Standard-SI-Einheit ist Kilogramm pro Kubikmeter ( kg / m ³ ). Die englische Standardeinheit ist Pfund Masse pro Kubikfuß ( lbm / ft ³ ). Die Dichte (ρ) eines Stoffes ist der Kehrwert seines spezifischen Volumens (ν).

ρ = m / V = 1 / ρ

Das spezifische Volumen ist eine intensive Variable , während das Volumen eine umfangreiche Variable ist. Die Standardeinheit für das spezifische Volumen im SI-System ist Kubikmeter pro Kilogramm (m ³ / kg). Die Standardeinheit im englischen System ist Kubikfuß pro Pfund Masse (ft ³ / lbm).

Siehe auch: Wie die Dichte die Reaktorreaktivität beeinflusst

Dichte der Kernmaterie

Die Kerndichte ist die Dichte des Atomkerns. Es ist das Verhältnis von Masse pro Volumeneinheit innerhalb des Kerns. Da der Atomkern den größten Teil der Atommasse trägt und der Atomkern im Vergleich zum gesamten Atom sehr klein ist, ist die Kerndichte sehr hoch.

Die Kerndichte für einen typischen Kern kann ungefähr aus der Größe des Kerns und seiner Masse berechnet werden. Typische Kernradien liegen in der Größenordnung von 10 – ¹⁴ m . Unter der Annahme einer Kugelform können Kernradien nach folgender Formel berechnet werden:

r = r ₀ . A ^1/3

wobei r ₀ = 1,2 × 10 ^–15 m = 1,2 fm

Zum Beispiel besteht natürliches Uran hauptsächlich aus Isotop ²³⁸ U (99,28%), daher liegt die Atommasse des Uranelements nahe an der Atommasse von ²³⁸ U Isotop (238,03u). Sein Radius dieses Kerns wird sein:

r = r ₀ . A ^1/3 = 7,44 fm.

Angenommen, es ist kugelförmig, dann ist sein Volumen:

V = 4πr ³ /3 = 1,73 x 10 ^-42 m ³ .

Die übliche Definition der Kerndichte ergibt für ihre Dichte:

ρ _Kern = m / V = 238 × 1,66 × 10 ^–27 / (1,73 × 10 ^–42 ) = 2,3 × 10 ¹⁷ kg / m ³ .

Somit ist die Dichte von Kernmaterial mehr als 2,10 ^14- mal höher als die von Wasser. Es ist eine immense Dichte. Der beschreibende Begriff Kerndichte wird auch auf Situationen angewendet, in denen ähnlich hohe Dichten auftreten, beispielsweise innerhalb von Neutronensternen. Solche immensen Dichten finden sich auch in Neutronensternen.

Was ist Druck?

Der Druck ist ein Maß für die Kraft, die pro Flächeneinheit auf die Grenzen eines Stoffes ausgeübt wird . Die Standardeinheit für den Druck im SI-System ist Newton pro Quadratmeter oder Pascal (Pa) . Mathematisch:

p = F / A.

p ist der Druck
F ist die Normalkraft
A ist der Bereich der Grenze

Pascal ist definiert als eine Kraft von 1 N, die auf die Einheitsfläche ausgeübt wird.

1 Pascal = 1 N / m ²

Bei den meisten technischen Problemen handelt es sich jedoch um eine relativ kleine Einheit, sodass es bequem ist, mit Vielfachen des Pascal zu arbeiten: dem kPa , dem Balken und dem MPa .

1 MPa 10 ⁶ N / m ²
1 bar 10 ⁵ N / m ²
1 kPa 10 ³ N / m ²

Im Allgemeinen wird der Druck oder die Kraft, die pro Flächeneinheit auf die Grenzen einer Substanz ausgeübt wird, durch die Kollisionen der Moleküle der Substanz mit den Grenzen des Systems verursacht. Wenn Moleküle gegen die Wände schlagen, üben sie Kräfte aus, die versuchen, die Wände nach außen zu drücken. Die Kräfte, die aus all diesen Kollisionen resultieren, verursachen den Druck, den ein System auf seine Umgebung ausübt. Der Druck als intensive Variable ist in einem geschlossenen System konstant. Es ist wirklich nur in flüssigen oder gasförmigen Systemen relevant.

Druckskalen – Druckeinheiten

Pascal – Druckeinheit

Wie bereits erwähnt, ist die SI-Einheit von Druck und Spannung der Pascal .

1 Pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

Pascal ist definiert als ein Newton pro Quadratmeter. Bei den meisten technischen Problemen handelt es sich jedoch um eine relativ kleine Einheit, sodass es bequem ist, mit Vielfachen des Pascal zu arbeiten: dem kPa , dem Balken und dem MPa .

1 MPa 10 ⁶ N / m ²
1 bar 10 ⁵ N / m ²
1 kPa 10 ³ N / m ²

Die als Standardatmosphäre ( atm ) bezeichnete Maßeinheit ist definiert als:

1 atm = 101,33 kPa

Die Standardatmosphäre entspricht in etwa dem durchschnittlichen Druck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Beachten Sie, dass zwischen der Standardatmosphäre (atm) und der technischen Atmosphäre (at) ein Unterschied besteht .

Eine technische Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Druckeinheit, die einer Kilogrammkraft pro Quadratzentimeter entspricht.

1 at = 98,67 kPa

Siehe auch: Pfund pro Quadratzoll – psi

Siehe auch: Bar – Druckeinheit

Siehe auch: Typische Drücke in der Technik

Absoluter vs. Manometerdruck

Der oben diskutierte Druck wird als absoluter Druck bezeichnet . Oft ist es wichtig, zwischen Absolutdruck und Manometerdruck zu unterscheiden . In diesem Artikel bezieht sich der Begriff Druck auf den absoluten Druck, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. In der Technik beschäftigen wir uns jedoch häufig mit Drücken, die von einigen Geräten gemessen werden. Obwohl in thermodynamischen Beziehungen Absolutdrücke verwendet werden müssen, zeigen Druckmessgeräte häufig die Differenz zwischen dem Absolutdruck in einem System und dem Absolutdruck der Atmosphäre außerhalb des Messgeräts an. Sie messen den Manometerdruck .

Absoluter Druck. Wenn der Druck relativ zu einem perfekten Vakuum gemessen wird, spricht man von absolutem Druck (psia). Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) werden verwendet, um zu verdeutlichen, dass der Druck relativ zu einem Vakuum und nicht zum atmosphärischen Umgebungsdruck ist. Da der atmosphärische Druck auf Meereshöhe etwa 101,3 kPa (14,7 psi) beträgt, wird dies zu jeder Druckmessung in Luft auf Meereshöhe addiert.
Manometerdruck. Wenn der Druck relativ zum atmosphärischen Druck (14,7 psi) gemessen wird, spricht man von Überdruck (psig). Der Begriff Manometerdruck wird verwendet, wenn der Druck im System größer als der lokale atmosphärische Druck p _{atm ist} . Die letztere Druckskala wurde entwickelt, weil fast alle Manometer im offenen Zustand Null registrieren. Manometerdrücke sind positiv, wenn sie über dem atmosphärischen Druck liegen, und negativ, wenn sie unter dem atmosphärischen Druck liegen.

p _Spur = p _absolut – p _{absolut; Geldautomat}

Luftdruck. Atmosphärendruck ist der Druck in der Umgebungsluft an oder nahe an der Erdoberfläche. Der atmosphärische Druck variiert mit Temperatur und Höhe über dem Meeresspiegel. Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
- 101325 Pa
- 1,01325 bar
- 14,696 psi
- 760 mmHg
- 760 Torr
Unterdruck – Vakuumdruck. Wenn der lokale atmosphärische Druck größer als der Druck im System ist, wird der Begriff Vakuumdruck verwendet. Ein perfektes Vakuum würde einem absoluten Nulldruck entsprechen. Es ist sicherlich möglich, einen negativen Überdruck zu haben, aber nicht, einen negativen absoluten Druck zu haben. Beispielsweise kann ein absoluter Druck von 80 kPa als Manometerdruck von –21 kPa (dh 21 kPa unter einem atmosphärischen Druck von 101 kPa) beschrieben werden.

p _Vakuum = p _{absolut; atm} – p _absolut

Beispielsweise hat ein Autoreifen, der bis zu 2,5 atm (36,75 psig) über dem lokalen atmosphärischen Druck (sagen wir 1 atm oder 14,7 psia lokal) gepumpt wird, einen absoluten Druck von 2,5 + 1 = 3,5 atm (36,75 + 14,7 = 51,45 psia oder 36,75 psig).

Andererseits entlüften kondensierende Dampfturbinen (in Kernkraftwerken ) Dampf mit einem Druck weit unter der Atmosphäre (z. B. bei 0,08 bar oder 8 kPa oder 1,16 psia) und in einem teilweise kondensierten Zustand. In relativen Einheiten ist es ein negativer Überdruck von etwa – 0,92 bar, – 92 kPa oder – 13,54 psig.

Typische Drücke in der Technik – Beispiele

Der Pascal (Pa) als Maßeinheit für den Druck ist weltweit weit verbreitet und hat die Einheit für Pfund pro Quadratzoll (psi) weitgehend ersetzt , außer in einigen Ländern, in denen das imperiale Messsystem noch verwendet wird, einschließlich der USA. Für die meisten technischen Probleme ist Pascal (Pa) eine relativ kleine Einheit, daher ist es praktisch, mit Vielfachen des Pascal zu arbeiten: dem kPa, dem MPa oder dem Balken. Die folgende Liste fasst einige Beispiele zusammen:

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . Diese Turbinen entlüften Dampf mit einem Druck weit unter dem atmosphärischen Wert (z. B. bei 0,08 bar oder 8 kPa oder 1,16 psia) und in einem teilweise kondensierten Zustand. In relativen Einheiten ist es ein negativer Überdruck von etwa – 0,92 bar, – 92 kPa oder – 13,54 psig.
Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
- 101325 Pa
- 1,01325 bar
- 14,696 psi
- 760 mmHg
- 760 Torr
Der Überdruck der Autoreifen beträgt etwa 2,5 bar, 0,25 MPa oder 36 psig.
Dampflokkessel: 150–250 psig
Eine Hochdruckstufe einer kondensierenden Dampfturbine im Kernkraftwerk arbeitet im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa (60 bar oder 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert, jedoch bei einem niedrigeren Druck (z. B. 7 MPa, 70 bar oder 1015 psig), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt.
Druckwasserreaktoren werden durch flüssiges Hochdruckwasser (z. B. 16 MPa, 160 bar oder 2320 psig) gekühlt und moderiert. Bei diesem Druck kocht Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F), was einen Unterkühlungsspielraum von ungefähr 25 ° C ergibt.
Der überkritische Wasserreaktor (SCWR) wird bei überkritischem Druck betrieben . Der Begriff überkritisch bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den thermodynamischen kritischen Punkt von Wasser (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa)
Common-Rail-Direkteinspritzung: Bei Dieselmotoren verfügt sie über einen Hochdruck- Kraftstoffverteiler (über 1 000 bar oder 100 MPa oder 14500 psi).

Was ist Temperatur?

In der Physik und im Alltag ist eine Temperatur eine objektive vergleichende Messung von heiß oder kalt basierend auf unserem Tastsinn. Ein Körper, der sich heiß anfühlt, hat normalerweise eine höhere Temperatur als ein ähnlicher Körper, der sich kalt anfühlt. Diese Definition ist jedoch keine einfache Sache. Beispielsweise fühlt sich ein Metallstab bei Raumtemperatur kälter an als ein Kunststoffstab, einfach weil Metalle im Allgemeinen besser Wärme von der Haut wegleiten können als Kunststoffe. Einfach Hitze kann abstrakt dargestellt werden und daher ist es notwendig, eine objektive Methode zur Temperaturmessung zu haben. Es ist eine der grundlegenden thermodynamischen Eigenschaften.

Thermisches Gleichgewicht

Zeroth-Gesetz der Thermodynamik: Befinden sich zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, so befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht miteinander.

Ein besonders wichtiges Konzept ist das thermodynamische Gleichgewicht . Wenn zwei Objekte in thermischen Kontakt gebracht werden , fließt im Allgemeinen Wärme zwischen ihnen, bis sie sich im Gleichgewicht befinden . Wenn ein Temperaturunterschied besteht, fließt die Wärme spontan vom wärmeren System zum kälteren System . Die Wärmeübertragung erfolgt durch Wärmeleitung oder durch Wärmestrahlung . Wenn der Wärmefluss stoppt , haben sie angeblich die gleiche Temperatur . Sie sollen sich dann im thermischen Gleichgewicht befinden .

Zum Beispiel lassen Sie ein Thermometer in einer Tasse Kaffee. Während die beiden Objekte interagieren, wird das Thermometer heißer und der Kaffee kühlt etwas ab, bis sie in ein thermisches Gleichgewicht geraten . Zwei Objekte befinden sich im thermischen Gleichgewicht, wenn bei thermischem Kontakt keine Nettoenergie von einem zum anderen fließt und sich ihre Temperaturen nicht ändern . Wir können postulieren:

Wenn sich die beiden Objekte im thermischen Gleichgewicht befinden, sind ihre Temperaturen gleich.

Dies ist Gegenstand eines Gesetzes, das als „nulltes Gesetz der Thermodynamik“ bezeichnet wird.

Die Temperatur ist ein sehr wichtiges Merkmal der Materie. Viele Eigenschaften der Materie ändern sich mit der Temperatur . Die Länge eines Metallstabs, der Dampfdruck in einem Kessel, die Fähigkeit eines Drahtes, elektrischen Strom zu leiten, und die Farbe eines sehr heiß leuchtenden Objekts. All dies hängt von der Temperatur ab .Beispielsweise dehnen sich die meisten Materialien aus, wenn ihre Temperatur erhöht wird. Diese Eigenschaft ist in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik sehr wichtig, auch in der Nukleartechnik . Der thermodynamische Wirkungsgrad von Kraftwerken ändert sich mit der Temperatur des Einlassdampfes oder sogar mit der Außentemperatur. Bei höheren Temperaturen leuchten Feststoffe wie Stahl je nach Temperatur orange oder sogar weiß. Das weiße Licht einer gewöhnlichen Glühbirne kommt von einem extrem heißen Wolframdraht. Es ist ersichtlich, dass die Temperatur eine der grundlegenden Eigenschaften ist, die Materie beschreibt und das Verhalten der Materie beeinflusst.

Temperaturskalen

Wenn Sie ein Thermometer verwenden, müssen Sie eine Skala an der Rohrwand mit Zahlen markieren. Wir müssen eine Temperaturskala definieren . Eine Temperaturskala ist eine Möglichkeit, die Temperatur relativ zu einem Startpunkt (0 oder Null) und einer Maßeinheit zu messen .

Diese Zahlen sind willkürlich und historisch wurden viele verschiedene Schemata verwendet. Dies wurde beispielsweise erreicht, indem einige physikalische Vorkommen bei bestimmten Temperaturen definiert wurden – wie z. B. der Gefrier- und Siedepunkt von Wasser – und diese als 0 bzw. 100 definiert wurden.

Es gibt verschiedene Skalen und Einheiten zur Temperaturmessung. Die häufigsten sind:

Celsius (bezeichnet als ° C),
Fahrenheit (bezeichnet ° F),
Kelvin (bezeichnet mit K; besonders in der Wissenschaft).

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Was ist gesättigte und unterkühlte Flüssigkeit – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Wasser mit Sättigungstemperatur und -druck mit x = 0 ist eine gesättigte Flüssigkeit. Bei niedrigeren Temperaturen wird es entweder als unterkühlte Flüssigkeit oder als komprimierte Flüssigkeit bezeichnet. Wärmetechnik

Gesättigte und unterkühlte Flüssigkeit

Wie aus dem Phasendiagramm von Wasser ersichtlich ist, wird in den Zweiphasenbereichen (z. B. an der Grenze der Dampf- / Flüssigphasen) durch alleinige Angabe der Temperatur der Druck und durch Angabe des Drucks die Temperatur eingestellt.

Die Sättigungsdampfkurve ist die Kurve, die den Zweiphasenzustand und den überhitzten Dampfzustand im Ts-Diagramm trennt.
Die Sättigungsflüssigkeitskurve ist die Kurve, die den unterkühlten Flüssigkeitszustand und den Zweiphasenzustand im Ts-Diagramm trennt .

Wenn ein Wasser bei Sättigungstemperatur und -druck mit einer Qualität von x = 0 als Flüssigkeit vorliegt , spricht man von einem gesättigten flüssigen Zustand (einphasig). Wenn die Temperatur der Flüssigkeit niedriger als die Sättigungstemperatur für den vorhandenen Druck ist, wird sie entweder als unterkühlte Flüssigkeit oder als komprimierte Flüssigkeit bezeichnet . Der Begriff Unterkühlung bezieht sich auf eine Flüssigkeit, die bei einer Temperatur unterhalb ihres normalen Siedepunkts vorliegt . Beispielsweise kocht Wasser normalerweise bei 100 ° C (bei atmosphärischem Druck); Bei Raumtemperatur 20 ° C wird das Wasser als “unterkühlt” bezeichnet. Analog wird die Unterkühlung auch in der Nukleartechnik definiert, jedoch für einen anderen Zweck.

Beispielsweise kann die Temperatur im Druckbeaufschlagungsgerät bei 350 ° C (662 ° F) gehalten werden, was einen Unterkühlungsspielraum (die Differenz zwischen der Druckbeaufschlagungstemperatur und der höchsten Temperatur im Reaktorkern) von 30 ° C ergibt. Die Unterkühlungsspanne ist ein sehr wichtiger Sicherheitsparameter von PWRs, da das sieden im Reaktorkern ausgeschlossen werden muss.

Dampfqualität – Trockenheitsanteil

Wie aus dem Phasendiagramm von Wasser ersichtlich ist , wird in den Zweiphasenbereichen (z. B. an der Grenze der Dampf- / Flüssigphasen) durch alleinige Angabe der Temperatur der Druck und durch Angabe des Drucks die Temperatur eingestellt. Diese Parameter definieren jedoch nicht das Volumen und die Enthalpie, da wir den relativen Anteil der beiden vorhandenen Phasen kennen müssen .

Der Massenanteil des Dampfes in einem zweiphasigen Flüssig-Dampf-Bereich wird als Dampfqualität (oder Trockenheitsanteil) x bezeichnet und ist nach folgender Formel gegeben:

Der Wert der Qualität reicht von Null bis Eins . Obwohl als Verhältnis definiert, wird die Qualität häufig als Prozentsatz angegeben. Unter diesem Gesichtspunkt unterscheiden wir drei grundlegende Arten von Dampf. Es muss hinzugefügt werden, bei x = 0 handelt es sich um einen gesättigten flüssigen Zustand (einphasig).

Nasser Dampf
Trockener Dampf
Überhitzter Dampf

Diese Klassifizierung von Dampf hat ihre Grenzen. Berücksichtigen Sie das Verhalten des Systems, das auf den Druck erwärmt wird, der höher als der kritische Druck ist . In diesem Fall würde sich die Phase von Flüssigkeit zu Dampf nicht ändern . In allen Staaten würde es nur eine Phase geben. Verdampfung und Kondensation können nur auftreten, wenn der Druck unter dem kritischen Druck liegt. Die Begriffe Flüssigkeit und Dampf verlieren tendenziell ihre Bedeutung.

Siehe auch: Sättigung

Eigenschaften von Dampf – Dampftabellen

Eigenschaften von Wasserdampftabellen — Dampftabellen – gemeinsame Parameter in Energiesystemen

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Besondere Referenz: Allan H. Harvey. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser, NISTIR 5078. Abgerufen von https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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Was ist Heißdampf – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Überhitzter Dampf ist ein Dampf mit einer Temperatur, die über dem Siedepunkt beim absoluten Druck liegt. Die Eigenschaften von trockenem Dampf sind in Dampftabellen aufgeführt. Wärmetechnik

Überhitzter Dampf

Wie aus dem Phasendiagramm von Wasser hervorgeht, wird in den Zweiphasenbereichen (z. B. an der Grenze zwischen Dampf- und Flüssigkeitsphasen) der Druck nur durch die Angabe der Temperatur und der Druck durch die Angabe der Temperatur festgelegt.

Die Sättigungsdampfkurve ist die Kurve, die den Zweiphasenzustand und den überhitzten Dampfzustand im Ts-Diagramm trennt .
Die gesättigte Flüssigkeitskurve ist die Kurve, die den unterkühlten Flüssigkeitszustand und den Zweiphasenzustand im Ts-Diagramm trennt.

Wenn ein Dampf bei Sättigungstemperatur vollständig als Dampf vorliegt, spricht man von gesättigtem Dampf oder gesättigtem Dampf oder trockenem Dampf . Der trockene gesättigte Dampf ist durch die Dampfqualität gekennzeichnet, die gleich Eins ist. Überhitzter Dampf oder überhitzter Dampf ist ein Dampf mit einer Temperatur, die höher ist als sein Siedepunkt bei dem absoluten Druck, bei dem die Temperatur gemessen wird. Der Druck und die Temperatur des überhitzten Dampfes sind unabhängige Eigenschaften, da die Temperatur ansteigen kann, während der Druck konstant bleibt. Tatsächlich sind die Substanzen, die wir Gase nennen, hoch überhitzte Dämpfe.

Technische Thermodynamik — Rankine-Zyklus – Thermodynamik als Energieumwandlungswissenschaft

Der Prozess der Überhitzung von Wasserdampf im Ts-Diagramm ist in der Abbildung zwischen Zustand E und Sättigungsdampfkurve dargestellt. Wie zu sehen ist, verwenden auch Nassdampfturbinen insbesondere am Eingang von Niederdruckstufen überhitzten Dampf . Um den thermischen Wirkungsgrad des Zyklus zu bewerten, muss die Enthalpie aus den Überhitzungsdampftabellen ermittelt werden .

Der Prozess der Überhitzung ist die einzige Möglichkeit, die Spitzentemperatur des Rankine-Zyklus zu erhöhen (und den Wirkungsgrad zu erhöhen), ohne den Kesseldruck zu erhöhen. Dies erfordert die Hinzufügung eines anderen Wärmetauschertyps, der als Überhitzer bezeichnet wird und den überhitzten Dampf erzeugt .

In dem Überhitzer führt ein weiteres Erhitzen bei festem Druck zu einer Erhöhung sowohl der Temperatur als auch des spezifischen Volumens. Der Prozess der Überhitzung im Ts-Diagramm ist in der Abbildung zwischen Zustand E und Sättigungsdampfkurve dargestellt .

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung) von einem Dampferzeuger und gibt ihn an den Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) ab. Der Dampf muss wieder erwärmt oder überhitzt werdenum Schäden zu vermeiden, die durch minderwertigen Dampf an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten. Ein hoher Gehalt an Wassertropfen kann das schnelle Auftreffen und die Erosion der Schaufeln verursachen, die auftreten, wenn kondensiertes Wasser auf die Schaufeln gestrahlt wird. Um dies zu verhindern, sind Kondensatabläufe in der zur Turbine führenden Dampfleitung installiert. Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf hat einen Druck weit unter dem atmosphärischen Wert und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%.

Dampfqualität – Trockenheitsanteil

Der Massenanteil des Dampfes in einem zweiphasigen Flüssig-Dampf-Bereich wird als Dampfqualität (oder Trockenheitsanteil) x bezeichnet und ist nach folgender Formel gegeben:

Siehe auch: Sättigung

Eigenschaften von Dampf – Dampftabellen

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Besondere Referenz: Allan H. Harvey. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser, NISTIR 5078. Abgerufen von https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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Was ist Trockendampf – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Trockener Dampf oder Sattdampf ist durch die Dampfqualität gekennzeichnet, die gleich Eins ist. Die Eigenschaften des Trockendampfes sind in sogenannten Dampftabellen zusammengefasst. Wärmetechnik

Trockener Dampf – gesättigter Dampf

Trockener Dampf oder Sattdampf ist durch die Dampfqualität gekennzeichnet , die gleich Eins ist . Wenn die Dampfqualität gleich 0 ist, wird dies als gesättigter flüssiger Zustand (einphasig) bezeichnet. Wenn andererseits die Dampfqualität gleich 1 ist, wird dies als gesättigter Dampfzustand oder trockener Dampf (einphasig) bezeichnet. Zwischen diesen beiden Zuständen spricht man von Dampf-Flüssigkeits-Gemisch oder Nassdampf (Zweiphasengemisch). Bei konstantem Druck ändert eine Energiezugabe nicht die Temperatur des Gemisches, sondern die Dampfqualität und das spezifische Volumen. Im Falle von trockenDampf (100% Qualität) enthält 100% der bei diesem Druck verfügbaren latenten Wärme. Gesättigtes flüssiges Wasser, das keine latente Wärme und daher 0% Qualität aufweist, enthält daher nur fühlbare Wärme.

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen empfängt die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung) von einem Dampferzeuger und leitet ihn an den Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) weiter. Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch minderwertigen Dampf an den Schaufeln der Dampfturbine entstehen können. Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und der Dampf wird dann zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der verbrauchte Dampf hat einen Druck, der weit unter dem Atmosphärendruck liegt, und ist in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%.

Dampfqualität – Trockenheitsanteil

Der Massenanteil des Dampfes in einem zweiphasigen Flüssig-Dampf-Bereich wird als Dampfqualität (oder Trockenheitsanteil) x bezeichnet und ist nach folgender Formel gegeben:

Siehe auch: Sättigung

Eigenschaften von Dampf – Dampftabellen

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Besondere Referenz: Allan H. Harvey. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser, NISTIR 5078. Abgerufen von https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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Was ist Nassdampf – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Nassdampf zeichnet sich durch die Dampfqualität aus, die von null bis eins reicht. Die Eigenschaften von Nassdampf sind in sogenannten Dampftabellen tabellarisch aufgeführt. Wärmetechnik

Nassdampf

Nassdampf zeichnet sich durch die Dampfqualität aus , die von Null bis Eins reicht – Öffnungsintervall (0,1). Wenn die Dampfqualität gleich 0 ist, wird dies als gesättigter flüssiger Zustand (einphasig) bezeichnet. Wenn andererseits die Dampfqualität gleich 1 ist, wird dies als gesättigter Dampfzustand oder trockener Dampf (einphasig) bezeichnet. Zwischen diesen beiden Zuständen spricht man von Dampf-Flüssigkeits-Gemisch oder Nassdampf (Zweiphasengemisch). Bei konstantem Druck ändert eine Energiezugabe nicht die Temperatur des Gemisches, sondern die Dampfqualität und das spezifische Volumen. Im Falle von trockenDampf (100% Qualität) enthält 100% der bei diesem Druck verfügbaren latenten Wärme. Gesättigtes flüssiges Wasser, das keine latente Wärme und daher 0% Qualität aufweist, enthält daher nur fühlbare Wärme.

Spezifische Nassdampfenthalpie

Die spezifische Enthalpie von gesättigtem flüssigem Wasser (x = 0) und trockenem Dampf (x = 1) kann aus den Dampftabellen entnommen werden. Bei feuchtem Dampf kann die tatsächliche Enthalpie mit der Dampfqualität x und den spezifischen Enthalpien von gesättigtem flüssigem Wasser und trockenem Dampf berechnet werden :

h _nass = h _s x + (1 – x) h _l

h _nass = Enthalpie von nassem Dampf (J / kg)

h _s = Enthalpie von “trockenem” Dampf (J / kg)

h _l = Enthalpie des gesättigten flüssigen Wassers (J / kg)

Wie zu sehen ist, hat nasser Dampf immer eine geringere Enthalpie als trockener Dampf.

Spezifische Entropie von Nassdampf

In ähnlicher Weise kann die spezifische Entropie von gesättigtem flüssigem Wasser (x = 0) und trockenem Dampf (x = 1) aus Dampftabellen entnommen werden. Bei feuchtem Dampf kann die tatsächliche Entropie mit der Dampfqualität x und den spezifischen Entropien von gesättigtem flüssigem Wasser und trockenem Dampf berechnet werden:

s _nass = s _s x + (1 – x) s _l

s _nass = Entropie des feuchten Dampfes (J / kg K)

s _s = Entropie von “trockenem” Dampf (J / kg K)

s _l = Entropie von gesättigtem flüssigem Wasser (J / kg K)

Spezifisches Nassdampfvolumen

In ähnlicher Weise kann das spezifische Volumen von gesättigtem flüssigem Wasser (x = 0) und trockenem Dampf (x = 1) aus Dampftabellen entnommen werden. Bei feuchtem Dampf kann das tatsächliche spezifische Volumen mit der Dampfqualität x und den spezifischen Volumina von gesättigtem flüssigem Wasser und trockenem Dampf berechnet werden :

v _nass = v _s x + (1 – x) v _l

v _nass = spezifisches Volumen des feuchten Dampfes (m ³ / kg)

v _s = spezifisches Volumen an “trockenem” Dampf (m ³ / kg)

v _l = spezifisches Volumen an gesättigtem flüssigem Wasser (m ³ / kg)

Beispiel:

Eine Hochdruckstufe der Dampfturbine arbeitet im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (Punkt C). Dampf verlässt diese Turbinenstufe mit einem Druck von 1,15 MPa, 186 ° C und x = 0,87 (Punkt D). Berechnen Sie die Enthalpiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen.

Die Enthalpie für den Zustand C kann direkt aus Dampftabellen entnommen werden, während die Enthalpie für den Zustand D anhand der Dampfqualität berechnet werden muss:

h _{1, nass} = 2785 kJ / kg

h _{2, nass} = h _{2, s} x + (1 – x) h _{2, l} = 2782. 0,87 + (1 – 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg

Δh = 262 kJ / kg

Dampfqualität – Trockenheitsanteil

Der Massenanteil des Dampfes in einem zweiphasigen Flüssig-Dampf-Bereich wird als Dampfqualität (oder Trockenheitsanteil) x bezeichnet und ist nach folgender Formel gegeben:

Siehe auch: Sättigung

Siehe auch: Drosselung von Dampf

Eigenschaften von Dampf – Dampftabellen

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Besondere Referenz: Allan H. Harvey. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser, NISTIR 5078. Abgerufen von https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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Was ist Druck – Physik – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Was ist Druck? Druck ist eine intensive Eigenschaft der Materie. Die Standardeinheit für den Druck im SI-System ist Newton pro Quadratmeter oder Pascal (Pa). Wärmetechnik

Was ist Druck?

p = F / A.

p ist der Druck
F ist die Normalkraft
A ist der Bereich der Grenze

Pascal ist definiert als eine Kraft von 1 N, die auf die Einheitsfläche ausgeübt wird.

1 Pascal = 1 N / m ²

1 MPa 10 ⁶ N / m ²
1 bar 10 ⁵ N / m ²
1 kPa 10 ³ N / m ²

Druckskalen – Druckeinheiten

Pascal – Druckeinheit

Wie bereits erwähnt, ist die SI-Einheit von Druck und Spannung der Pascal .

1 Pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

1 MPa 10 ⁶ N / m ²
1 bar 10 ⁵ N / m ²
1 kPa 10 ³ N / m ²

Die als Standardatmosphäre ( atm ) bezeichnete Maßeinheit ist definiert als:

1 atm = 101,33 kPa

Eine technische Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Druckeinheit, die einer Kilogrammkraft pro Quadratzentimeter entspricht.

1 at = 98,67 kPa

Pfund pro Quadratzoll – psi

Die Standardeinheit im englischen System ist die Pfundkraft pro Quadratzoll (psi) . Dies ist der Druck, der sich aus einer Kraft von einem Pfund ergibt, die auf eine Fläche von einem Quadratzoll ausgeübt wird.

1 psi 1 lbf / in ² = 4,45 N / (0,0254 m) ² ≤ 6895 kg / m ²

Daher entspricht ein Pfund pro Quadratzoll ungefähr 6895 Pa.

Die als Standardatmosphäre (atm) bezeichnete Maßeinheit ist definiert als:

1 atm = 14,7 psi

Eine technische Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Druckeinheit, die einer Kilogrammkraft pro Quadratzentimeter entspricht.

1 at = 14,2 psi

Bar – Druckeinheit

Der Balken ist eine metrische Druckeinheit . Es ist nicht Teil des Internationalen Einheitensystems (SI). Der Balken wird üblicherweise in der Industrie und in der Meteorologie verwendet , und ein Instrument, das in der Meteorologie zur Messung des atmosphärischen Drucks verwendet wird, wird als Barometer bezeichnet.

Ein Balken entspricht genau 100 000 Pa und liegt geringfügig unter dem durchschnittlichen Luftdruck auf der Erde auf Meereshöhe ( 1 bar = 0,9869 atm). Der atmosphärische Druck wird häufig in Millibar angegeben, wobei der Standard-Meeresspiegeldruck als 1013 mbar, 1,013 bar oder 101,3 (kPa) definiert ist.

Manchmal werden “Bar (a)” und “Bara” verwendet, um absolute Drücke anzuzeigen, und “Bar (g)” und “Barg” für Manometerdrücke.

Absoluter vs. Manometerdruck

Absoluter Druck. Wenn der Druck relativ zu einem perfekten Vakuum gemessen wird, spricht man von absolutem Druck (psia). Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) werden verwendet, um zu verdeutlichen, dass der Druck relativ zu einem Vakuum und nicht zum atmosphärischen Umgebungsdruck ist. Da der atmosphärische Druck auf Meereshöhe etwa 101,3 kPa (14,7 psi) beträgt, wird dies zu jeder Druckmessung in Luft auf Meereshöhe addiert.
Manometerdruck. Wenn der Druck relativ zum atmosphärischen Druck (14,7 psi) gemessen wird, spricht man von Überdruck (psig). Der Begriff Manometerdruck wird verwendet, wenn der Druck im System größer als der lokale atmosphärische Druck p _{atm ist} . Die letztere Druckskala wurde entwickelt, weil fast alle Manometer im offenen Zustand Null registrieren. Manometerdrücke sind positiv, wenn sie über dem atmosphärischen Druck liegen, und negativ, wenn sie unter dem atmosphärischen Druck liegen.

p _Spur = p _absolut – p _{absolut; Geldautomat}

Luftdruck. Atmosphärendruck ist der Druck in der Umgebungsluft an oder nahe an der Erdoberfläche. Der atmosphärische Druck variiert mit Temperatur und Höhe über dem Meeresspiegel. Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
- 101325 Pa
- 1,01325 bar
- 14,696 psi
- 760 mmHg
- 760 Torr
Unterdruck – Vakuumdruck. Wenn der lokale atmosphärische Druck größer als der Druck im System ist, wird der Begriff Vakuumdruck verwendet. Ein perfektes Vakuum würde einem absoluten Nulldruck entsprechen. Es ist sicherlich möglich, einen negativen Überdruck zu haben, aber nicht, einen negativen absoluten Druck zu haben. Beispielsweise kann ein absoluter Druck von 80 kPa als Manometerdruck von –21 kPa (dh 21 kPa unter einem atmosphärischen Druck von 101 kPa) beschrieben werden.

p _Vakuum = p _{absolut; atm} – p _absolut

Ideales Gasgesetz

Jede Gleichung, die den Druck, die Temperatur und das spezifische Volumen einer Substanz in Beziehung setzt, wird als Zustandsgleichung bezeichnet . Die einfachste und bekannteste Zustandsgleichung für Substanzen in der Gasphase ist die ideale Gaszustandsgleichung . Es wurde erstmals 1834 von Émile Clapeyron als eine Kombination aus dem empirischen Boyle-Gesetz, dem Charles-Gesetz und dem Avogadro-Gesetz angegeben. Diese Gleichung sagt das pvT-Verhalten eines Gases für verdünnte Gase oder Niederdruckgase ziemlich genau voraus . In einem idealen Gas haben Moleküle kein Volumen und interagieren nicht. Nach dem idealen Gasgesetz ändert sich der Druck linear mit Temperatur und Menge und umgekehrt mit dem Volumen .

pV = nRT

wo:

p ist der absolute Druck des Gases
n ist die Menge der Substanz
T ist die absolute Temperatur
V ist die Lautstärke
R ist die ideale oder universelle Gaskonstante , die dem Produkt der Boltzmann-Konstante und der Avogadro-Konstante entspricht.

In dieser Gleichung ist das Symbol R eine Konstante, die als universelle Gaskonstante bezeichnet wird und für alle Gase den gleichen Wert hat, nämlich R = 8,31 J / mol K.

Die Kraft des idealen Gasgesetzes liegt in seiner Einfachheit . Wenn eine beliebige zwei der thermodynamischen Variablen, p, v und T sind gegeben , das dritte kann leicht gefunden werden. Ein ideales Gas ist definiert als eines, bei dem alle Kollisionen zwischen Atomen oder Molekülen vollkommen elastisch sind und bei dem keine intermolekularen Anziehungskräfte vorhanden sind. Ein ideales Gas kann als eine Ansammlung perfekt harter Kugeln dargestellt werden, die kollidieren, aber ansonsten nicht miteinander interagieren. In der Realität sind keine realen Gase wie ein ideales Gas und daher folgen keine realen Gase vollständig dem idealen Gasgesetz oder der idealen Gasgleichung. Bei Temperaturen nahe einem Gassiedepunkt führt ein Druckanstieg zur Kondensation und zu einer drastischen Volumenverringerung. Bei sehr hohen Drücken sind die intermolekularen Kräfte eines Gases signifikant. Die meisten Gase stimmen jedoch bei Drücken und Temperaturen über ihrem Siedepunkt ungefähr überein.

Typische Drücke in der Technik – Beispiele

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . Diese Turbinen entlüften Dampf mit einem Druck weit unter dem atmosphärischen Wert (z. B. bei 0,08 bar oder 8 kPa oder 1,16 psia) und in einem teilweise kondensierten Zustand. In relativen Einheiten ist es ein negativer Überdruck von etwa – 0,92 bar, – 92 kPa oder – 13,54 psig.
Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
- 101325 Pa
- 1,01325 bar
- 14,696 psi
- 760 mmHg
- 760 Torr
Der Überdruck der Autoreifen beträgt etwa 2,5 bar, 0,25 MPa oder 36 psig.
Dampflokkessel: 150–250 psig
Eine Hochdruckstufe einer kondensierenden Dampfturbine im Kernkraftwerk arbeitet im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa (60 bar oder 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch bei einem niedrigeren Druck (z. B. 7 MPa, 70 bar oder 1015 psig), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt.
Druckwasserreaktoren werden durch flüssiges Hochdruckwasser (z. B. 16 MPa, 160 bar oder 2320 psig)gekühlt und moderiert. Bei diesem Druck kocht Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F), was einen Unterkühlungsspielraum von ungefähr 25 ° C ergibt.
Der überkritische Wasserreaktor (SCWR) wird bei überkritischem Druck betrieben . Der Begriff überkritisch bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den thermodynamischen kritischen Punkt von Wasser (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa)
Common-Rail-Direkteinspritzung: Bei Dieselmotoren verfügt sie über einen Hochdruck- Kraftstoffverteiler (über 1 000 bar oder 100 MPa oder 14500 psi).

Druckverlust – Flüssigkeiten

Zusammenfassung von: Kopfverlust – Druckverlust

Druckverlust oder Druckabfall ist die Verringerung der Gesamtförderhöhe (Summe des Potentialkopfes , Geschwindigkeitskopfes und Druckkopf ) einer durch die verursachten Flüssigkeitsreibung in der Flüssigkeit der Bewegung.
Druckverlust und Druckverlust stellen dasselbe Phänomen dar – Reibungsverluste in Rohren und Verluste in Hydraulikkomponenten, sie werden jedoch in verschiedenen Einheiten ausgedrückt .
Der Druckverlust des Hydrauliksystems wird in zwei Hauptkategorien unterteilt :
- Großer Kopfverlust – aufgrund von Reibung in geraden Rohren
- Geringer Druckverlust – aufgrund von Komponenten wie Ventilen, Biegungen…
Quelle: Donebythesecondlaw in der englischsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Darcys Gleichung kann verwendet werden, um Hauptverluste zu berechnen.
Eine spezielle Form der Darcy-Gleichung kann verwendet werden, um geringfügige Verluste zu berechnen .
Der Reibungsfaktor für den Flüssigkeitsfluss kann mithilfe eines Moody-Diagramms bestimmt werden .
Der Reibungsfaktor für die laminare Strömung ist unabhängig von der Rauheit der Rohrinnenfläche. f = 64 / Re
Der Reibungsfaktor für turbulente Strömung hängt stark von der relativen Rauheit ab. Es wird durch die Colebrook-Gleichung bestimmt. Es ist zu beachten, dass bei sehr großen Reynolds-Zahlen der Reibungsfaktor unabhängig von der Reynolds-Zahl ist.

Die geringfügigen Verluste sind ungefähr proportional zum Quadrat der Durchflussrate und können daher durch den Widerstandskoeffizienten K leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden .
Als lokaler Druckverlust kann auch eine Flüssigkeitsbeschleunigung in einem beheizten Kanal in Betracht gezogen werden.

Kritischer Wasserdruck

Bei einem Druck, der höher als der kritische Druck ist, befindet sich Wasser in einem speziellen Zustand, der als überkritischer Flüssigkeitszustand bekannt ist . Ein überkritisches Fluid ist ein Fluid, dessen Drücke höher sind als seine thermodynamischen kritischen Werte. Bei den kritischen und überkritischen Drücken wird eine Flüssigkeit als einphasige Substanz betrachtet, obwohl alle thermophysikalischen Eigenschaften innerhalb der kritischen und pseudokritischen Bereiche signifikante Änderungen erfahren .

Für Wasser sind die kritischen Parameter die folgenden:

P _cr = 22,09 MPa
T _cr = 374,14 ° C (oder 647,3 K)
v _cr = 0,003155 m³ / kg
U _f = U _g = 2014 kJ / kg
h _f = h _g = 2084 kJ / kg
s _f = s _g = 4,406 kJ / kg K.

Siehe auch: Kritischer Punkt des Wassers

Siehe auch: Überkritische Flüssigkeit

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Was ist Energie – Physik – Definition

2020-03-11 von Nick Connor

Was ist Energie? Energie ist eine skalare physikalische Größe. Energie wird im Allgemeinen als das Potenzial definiert, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen. Gesamtenergie kann nicht erzeugt oder zerstört werden. Wärmetechnik

Was ist Energie?

Die Sonne erzeugt ihre Energie durch Kernfusion von Wasserstoffkernen zu Helium. In ihrem Kern schmilzt die Sonne jede Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff.
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Der Begriff Energie ist sehr sehr weit gefasst und hat viele Definitionen. Technisch gesehen ist Energie eine skalare physikalische Größe , die dem Zustand eines oder mehrerer Objekte zugeordnet ist. Energie wird im Allgemeinen als das Potenzial definiert , Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen . Manchmal ist es wie die „Währung“ für die Ausführung von Arbeiten. Sie müssen Energie haben, um Arbeit zu erledigen. Um 1 Kilojoule Arbeit zu verrichten, müssen Sie 1 Kilojoule Energie verbrauchen. Es muss hinzugefügt werden, dass diese Interpretation irreführend sein kann, da nicht unbedingt Energie zur Verfügung steht, um Arbeiten auszuführen.

Eine der schönsten Eigenschaften des Universums ist , dass Energie umgewandelt werden kann von einem Typ in einen anderen und übertragen von einem Objekt zum anderen. Darüber hinaus ist die Gesamtenergiemenge immer dieselbe , wenn sie von einem Typ zu einem anderen transformiert und von einem Objekt zu einem anderen übertragen wird . Es ist eine der elementaren Eigenschaften des Universums.

Das Verbrennen von Benzin zum Antrieb von Autos ist beispielsweise ein Energieumwandlungsprozess, auf den wir uns verlassen. Die chemische Energie in Benzin wird in Wärmeenergie umgewandelt , die dann in mechanische Energie umgewandelt wird , die das Auto in Bewegung versetzt. Die mechanische Energie wurde in kinetische Energie umgewandelt . Wenn wir ein Auto mit der Bremse anhalten, wird diese kinetische Energie durch Reibung in Wärme oder Wärmeenergie zurückgewandelt .

Energieeinheiten

Energie wird im Allgemeinen als das Potenzial definiert, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen. Diese Definition bewirkt, dass die SI-Einheit für Energie dieselbe ist wie die Arbeitseinheit – das Joule (J) . Joule ist eine abgeleitete Energieeinheit und wird zu Ehren von James Prescott Joule und seinen Experimenten zum mechanischen Äquivalent von Wärme benannt. Grundsätzlich ist 1 Joule gleich:

1 J = 1 kg · m ² / s ²

Da Energie eine grundlegende physikalische Größe ist und in verschiedenen Bereichen der Physik und des Ingenieurwesens verwendet wird, gibt es in der Physik und im Ingenieurwesen viele Einheiten. Diese Einheiten sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

Da Energie eine grundlegende physikalische Größe ist und in verschiedenen physikalischen und technischen Bereichen verwendet wird, gibt es in der Physik und im Ingenieurwesen viele Einheiten. Diese Einheiten sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

Joule (Einheit: J)
Kalorien (Einheit: cal)
British Thermal Unit (Einheit: BTU)
Fuß-Pfund-Kraft (Einheit: ft.lbf)
Kilowattstunde (Einheit: kWh)
Megawatttag (Einheit: MWd)
Elektronenvolt (Einheit: eV)

Beispiele für Energie von 1 Joule

Ein Joule im Alltag und in der Wissenschaft entspricht ungefähr:

Die kinetische Energie eines Objekts mit einer Masse von 1 kg bewegt sich mit √2 ≈ 1,4 m / s .
Die kinetische Energie eines 50 kg schweren Objekts (z. B. eines Menschen) bewegt sich sehr langsam – ungefähr 0,72 km / h .
Die Energie, die benötigt wird, um einen mittelgroßen Apfel ( 100 g ) 1 Meter senkrecht von der Erdoberfläche zu heben .
Die Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 g Wasser um 0,24 ° C zu erhöhen .
Die zum Verdampfen erforderliche Wärme von 0,00044 g flüssigem Wasser bei 100 ° C.
Die Menge an Strom benötigt , um ein Licht 1 Watt LED für 1 s .
Wird durch ca. 3,1 ⋅ 10 ¹⁰ Spaltungen in einem Kernreaktor freigesetzt .

Energieformen

Energie existiert in vielen Formen. Übliche Energieformen umfassen mechanische Energie , die klassisch in kinetische und potentielle Energie unterteilt ist . Die kinetische Energie hängt mit der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zusammen . Die potentielle Energie hängt mit der Position eines Objekts in einem Kraftfeld zusammen (Gravitation, Elektrizität oder Magnet). Die Spannung in einer Feder oder die Oberflächenfilmspannung sind andere Formen potentieller mechanischer Energie (elastische Energie). Es gibt viele andere Energieformen, einschließlich elektrischer, magnetischer, chemischer und nuklearer Energie .

In der Thermodynamik wird das Energiekonzept erweitert, um andere beobachtete Änderungen zu berücksichtigen. Die Thermodynamik befasst sich mit einer anderen Art von Energie, die als ” Wärmeenergie ” oder ” innere Energie ” bezeichnet wird. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie erhalten bleibt. Dieses Prinzip ist als erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Im Allgemeinen ist Energie ein grundlegendes Konzept der Thermodynamik und einer der wichtigsten Aspekte der technischen Analyse.

Masse-Energie-Äquivalenz

Eines der bemerkenswerten Ergebnisse von Einsteins Relativitätstheorie ist, dass Masse und Energie gleichwertig und ineinander umwandelbar sind. Die Gleichwertigkeit von Masse und Energie wird durch Einsteins berühmte Formel beschrieben:

wobei M die kleine Menge an Masse und C die Lichtgeschwindigkeit ist.

Was das heißt? Wenn die Kernenergie erzeugt wird (Atomspaltung, Kernfusion), wandelt sich eine kleine Menge Masse (die in der Kernbindungsenergie gespeichert ist ) in reine Energie um (wie kinetische Energie, Wärmeenergie oder Strahlungsenergie).

Das Energieäquivalent von einem Gramm (1/1000 Kilogramm) Masse entspricht:

89,9 Terajoule
25,0 Millionen Kilowattstunden (≈ 25 GW · h)
21,5 Milliarden Kilokalorien (21 Tcal)
85,2 Milliarden BTUs

oder auf die Energie, die durch Verbrennung von Folgendem freigesetzt wird:

21,5 Kilotonnen TNT-äquivalente Energie (≈ 21 kt)
568.000 US-Gallonen Benzin

Jedes Mal, wenn Energie erzeugt wird, kann der Prozess aus der Perspektive E = mc ² bewertet werden .

Prinzip der Energieeinsparung

Eine der wunderbarsten Eigenschaften des Universums ist, dass Energie von einem Typ in einen anderen umgewandelt und von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann . Darüber hinaus ist die Gesamtenergiemenge immer gleich , wenn sie von einem Typ zu einem anderen transformiert und von einem Objekt zu einem anderen übertragen wird . Es ist eine der elementaren Eigenschaften des Universums.

In der Thermodynamik wird das Energiekonzept erweitert, um andere beobachtete Änderungen zu berücksichtigen, und das Prinzip der Energieerhaltung wird um eine Vielzahl von Arten der Interaktion von Systemen mit ihrer Umgebung erweitert. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie erhalten bleibt. Dieses Prinzip ist als erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann in verschiedenen Formen geschrieben werden:

In Worten:

Energieeinsparung in der Thermodynamik — Physikalisches Layout der vier im Rankine-Zyklus verwendeten Hauptgeräte und grundlegende Energieübertragungen.

Gleichungsform:

∆E _int = Q – W.

Dabei steht E _int für die innere Energie des Materials, die nur vom Zustand des Materials (Temperatur, Druck und Volumen) abhängt . Q ist die Netto-Wärmezufuhr an das System und W ist das Netz durch geleistete Arbeit das System. Wir müssen vorsichtig und konsequent sein, wenn wir die Vorzeichenkonventionen für Q und W befolgen. Da W in der Gleichung die vom System geleistete Arbeit ist, ist W negativ und E _int nimmt zu , wenn am System gearbeitet wird.

In ähnlicher Weise ist Q positiv für die dem System zugeführte Wärme. Wenn also Wärme das System verlässt, ist Q negativ. Dies sagt uns Folgendes: Die interne Energie eines Systems steigt tendenziell an, wenn Wärme vom System absorbiert wird oder wenn positive Arbeit am System geleistet wird. Umgekehrt neigt die interne Energie dazu, abzunehmen, wenn das System Wärme verliert oder wenn negative Arbeiten am System ausgeführt werden. Es muss hinzugefügt werden, dass Q und W pfadabhängig sind, während E _{int pfadunabhängig} ist.

Differentialform:

dE _int = dQ – dW

Die interne Energie E _int eines Systems nimmt tendenziell zu, wenn Energie als Wärme Q hinzugefügt wird, und nimmt tendenziell ab, wenn Energie als vom System geleistete Arbeit W verloren geht.

Energiequellen

Primäre Primärenergieversorgung — Gesamte Primärenergieversorgung nach Ressourcen 1993, 2011 und Prognose für 2020.
Quelle: World Energy Resources – Umfrage 2013 Mit
Genehmigung des World Energy Council

Energiequellen haben immer eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft gespielt. Seit der industriellen Revolution ist die Energie eine treibende Kraft für die moderne Zivilisationsentwicklung. Die technologische Entwicklung und der Verbrauch von Primärenergie sowie die Zunahme der Weltbevölkerung hängen voneinander ab. In den letzten 20 Jahren hat sich die Welt um uns herum erheblich verändert. Technologie ist zu einem der Haupttreiber der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung geworden. Der rasche Fortschritt der Informationstechnologie (IT) auf der ganzen Welt hat nicht nur unser Denken, sondern auch unser Handeln verändert. Es ist zu beachten, dass praktisch alle Technologien mit elektrischer Energie betrieben werden und daher der Anteil von Elektrizität schnell und schneller zunimmt alsGesamte Primärenergieversorgung (TPES – die Summe aus Produktion und Importen abzüglich Exporte und Speicheränderungen).

Derzeit sind fossile Brennstoffe nach wie vor die weltweit vorherrschende Energiequelle, und ihre Gewinnung, Produktion und Nutzung werden ungeachtet der neuen Technologien zur Verbesserung ihrer Nutzung und Gewinnung nicht als effizient angesehen. Bei der Untersuchung der Energieressourcen müssen wir die primären und sekundären Energiequellen unterscheiden .

Primärenergiequellen

Primärenergie (PE) ist eine in der Natur vorkommende Energieressource, die keinem Umwandlungs- oder Umwandlungsprozess unterzogen wurde. Es ist Energie, die in Rohbrennstoffen enthalten ist , und andere Energieformen, die als Input für ein System empfangen werden. Primärenergiequellen haben viele Formen, einschließlich Kernenergie, fossiler Energie – wie Öl, Kohle und Erdgas – und erneuerbarer Quellen wie Wind, Sonne, Geothermie und Wasserkraft. Diese Primärquellen können in sekundäre Energiequellen umgewandelt werden, sogenannte Energieträger . Primärenergiequellen können unterteilt werden in:

Nicht erneuerbare Quellen
- Fossile Brennstoffe
  - Öl
  - Kohle
  - Erdgas
- Mineralische Brennstoffe
  - Natürliches Uran
  - Natürliches Thorium
Erneuerbare Ressourcen
- Solarenergie
- Windenergie
- Wasser- und Gezeitenenergie
- Geothermische Energie
- Biomasseenergie (wenn nachhaltig genutzt)

Sekundäre Energiequellen – Energieträger

Sekundäre Energiequellen , auch Energieträger genannt , werden aus der Umwandlung von Primärenergiequellen abgeleitet. Sie werden Energieträger genannt, weil sie Energie in nutzbarer Form von einem Ort zum anderen bewegen. Die bekannten Energieträger sind:

Elektrizität
Benzin
Wasserstoff

Strom und Wasserstoff aus Primärenergiequellen wie Kohle, Erdgas, Kernenergie, Erdöl und erneuerbaren Energiequellen. Elektrizität ist besonders nützlich, da sie eine niedrige Entropie aufweist (hoch geordnet ist) und sehr effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Wir können einfach nicht sagen, dass Wasserstoff das Potenzial hat, fossile Brennstoffe auszugleichen.

Sekundäre Energiequellen werden verwendet, da ihre Verwendung einfacher ist als die Verwendung einer primären Energiequelle. Beispielsweise ist die Verwendung von Elektrizität für die Beleuchtung sicherer als die Verwendung von Erdöl in Kerzen oder Petroleumlampen.

Andererseits ist jede Umwandlung von Primärenergie in Energieträger mit einer gewissen Ineffizienz verbunden. Daher müssen wir beim Umgang mit sekundären Energiequellen immer berücksichtigen, wie der Träger hergestellt wurde.

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Was ist kinetische Energie – Definition

2020-03-10 von Nick Connor

Die kinetische Energie K ist definiert als die Energie, die aufgrund ihrer Bewegung in einem Objekt gespeichert ist. Es heißt kinetische Energie, vom griechischen Wort kinetikos – Bewegung. Wärmetechnik

Was ist kinetische Energie?

Die kinetische Energie K ist definiert als die Energie, die aufgrund ihrer Bewegung in einem Objekt gespeichert ist. Ein in Bewegung befindliches Objekt hat die Fähigkeit zu arbeiten und kann somit als energiereich bezeichnet werden. Es wird kinetische Energie genannt, vom griechischen Wort kinetikos, was “Bewegung” bedeutet.

Die kinetische Energie hängt von der Geschwindigkeit eines Objekts ab und ist die Fähigkeit eines sich bewegenden Objekts, an anderen Objekten zu arbeiten, wenn es mit ihnen kollidiert. Andererseits stellt die kinetische Energie eines Objekts die Energiemenge dar, die erforderlich ist, um die Geschwindigkeit des Objekts aus dem Ruhezustand (v = 0) auf seine Endgeschwindigkeit zu erhöhen. Die kinetische Energie hängt auch linear von der Masse ab, die ein numerisches Maß für die Trägheit des Objekts und das Maß für den Widerstand eines Objekts gegen die Beschleunigung ist, wenn eine Kraft ausgeübt wird.

Wir definieren die Menge:

K = 1/2 mv ²

die translatorische kinetische Energie des Objekts zu sein. Es muss hinzugefügt werden, es wird die “translatorische” kinetische Energie genannt, um es von der kinetischen Rotationsenergie zu unterscheiden.

Erhaltung der mechanischen Energie

Zunächst wurde das Prinzip der Erhaltung der mechanischen Energie festgelegt:

Die gesamte mechanische Energie (definiert als die Summe ihrer potentiellen und kinetischen Energien) eines Teilchens, auf das nur konservative Kräfte einwirken, ist konstant .

Siehe auch: Erhaltung der mechanischen Energie

Ein isoliertes System ist ein System, bei dem keine äußere Kraft Energieänderungen verursacht. Wenn nur konservative Kräfte auf ein Objekt wirken und U die potentielle Energiefunktion für die gesamte konservative Kraft ist, dann

E _mech = U + K.

Die potentielle Energie U hängt von der Position eines Objekts ab, das einer konservativen Kraft ausgesetzt ist.

Es ist definiert als die Arbeitsfähigkeit des Objekts und wird erhöht, wenn das Objekt in die entgegengesetzte Richtung der Kraftrichtung bewegt wird.

Die potentielle Energie, die mit einem System verbunden ist, das aus der Erde und einem nahe gelegenen Teilchen besteht, ist potentielle Gravitationsenergie .

Die kinetische Energie K hängt von der Geschwindigkeit eines Objekts ab und ist die Fähigkeit eines sich bewegenden Objekts, an anderen Objekten zu arbeiten, wenn es mit ihnen kollidiert.

K = ½ mv ²

Die oben erwähnte Definition ( E _mech = U + K ) setzt voraus, dass das System frei von Reibung und anderen nicht konservativen Kräften ist . Der Unterschied zwischen einer konservativen und einer nichtkonservativen Kraft besteht darin, dass die Arbeit der konservativen Kraft unabhängig vom Pfad ist, wenn eine konservative Kraft ein Objekt von einem Punkt zum anderen bewegt.

In jeder realen Situation sind Reibungskräfte und andere nicht konservative Kräfte vorhanden, aber in vielen Fällen sind ihre Auswirkungen auf das System so gering, dass das Prinzip der Erhaltung mechanischer Energie als angemessene Annäherung verwendet werden kann. Zum Beispiel ist die Reibungskraft eine nicht konservative Kraft, weil sie die mechanische Energie in einem System reduziert.

Beachten Sie, dass nicht konservative Kräfte die mechanische Energie nicht immer reduzieren. Eine nicht konservative Kraft verändert die mechanische Energie, es gibt Kräfte, die die gesamte mechanische Energie erhöhen, wie die von einem Motor oder Motor bereitgestellte Kraft, die ebenfalls eine nicht konservative Kraft ist.

Block rutschen eine reibungslose Steigung hinunter

Der 1-kg-Block beginnt eine Höhe H (sagen wir 1 m) über dem Boden mit einer potentiellen Energie mgH und einer kinetischen Energie von 0. Er gleitet auf den Boden (ohne Reibung) und kommt ohne potentielle Energie und kinetische Energie an K = ½ mv ² . Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Blocks am Boden und seine kinetische Energie.

E _mech = U + K = const

=> ½ mv ² = mgH

=> v = √2gH = 4,43 m / s

=> K ₂ = ½ x 1 kg x (4,43 m / s) ² = 19,62 kg.m ² .s ^-2 = 19,62 J

Pendel

Nehmen Sie ein Pendel an (Kugel der Masse m, die an einer Schnur der Länge L aufgehängt ist , die wir hochgezogen haben, so dass die Kugel eine Höhe H <L über ihrem tiefsten Punkt im Bogen ihrer Bewegung der gedehnten Schnur liegt. Das Pendel wird dem Konservativen unterworfen Gravitationskraft, bei der Reibungskräfte wie Luftwiderstand und Reibung am Drehpunkt vernachlässigbar sind.

Wir befreien es von der Ruhe. Wie schnell geht es unten?

Das Pendel erreicht in vertikaler Position die größte kinetische Energie und die geringste potentielle Energie , da es die größte Geschwindigkeit hat und an diesem Punkt der Erde am nächsten ist. Andererseits hat es an den extremen Positionen seines Schwungs seine geringste kinetische Energie und seine größte potentielle Energie , da es keine Geschwindigkeit hat und an diesen Punkten am weitesten von der Erde entfernt ist.

Wenn die Amplitude auf kleine Schwankungen begrenzt ist, beträgt die Periode T eines einfachen Pendels, die Zeit, die für einen vollständigen Zyklus benötigt wird:

Dabei ist L die Länge des Pendels und g die lokale Erdbeschleunigung. Bei kleinen Schaukeln ist die Schwungdauer für Schaukeln unterschiedlicher Größe ungefähr gleich. Das heißt, die Periode ist unabhängig von der Amplitude .

Relativistische kinetische Energie

Die bisherige Beziehung zwischen Arbeit und kinetischer Energie basiert auf Newtons Bewegungsgesetzen . Wenn wir diese Gesetze nach dem Relativitätsprinzip verallgemeinern, brauchen wir eine entsprechende Verallgemeinerung der Gleichung für kinetische Energie . Wenn die Geschwindigkeit eines Objekts nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt, muss eine relativistische Mechanik verwendet werden , um seine kinetische Energie zu berechnen .

In der klassischen Mechanik werden kinetische Energie und Impuls ausgedrückt als:

Die Ableitung seiner relativistischen Beziehungen basiert auf der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung:

Es kann abgeleitet werden, dass die relativistische kinetische Energie und der relativistische Impuls sind:

Der erste Term ( ɣmc ² ) der relativistischen kinetischen Energie nimmt mit der Geschwindigkeit v des Teilchens zu. Der zweite Term ( mc ² ) ist konstant; Es wird die Ruheenergie (Ruhemasse) des Partikels genannt und stellt eine Energieform dar, die ein Partikel selbst bei einer Geschwindigkeit von Null hat . Wenn sich die Geschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert, nähert sich die kinetische Energie der Unendlichkeit . Es wird durch den Lorentz-Faktor verursacht , der für v → c gegen unendlich geht . Daher kann die Lichtgeschwindigkeit von keinen massiven Partikeln erreicht werden.

Der erste Term (ɣmc ² ) ist als Gesamtenergie E des Teilchens bekannt, da er der Restenergie plus der kinetischen Energie entspricht:

E = K + mc ²

Für ein Teilchen in Ruhe ist K Null, also ist die Gesamtenergie seine Ruheenergie:

E = mc ²

Dies ist eines der bemerkenswerten Ergebnisse von Einsteins Relativitätstheorie : Masse und Energie sind äquivalent und ineinander umwandelbar . Die Äquivalenz von Masse und Energie wird durch Einsteins berühmte Formel E = mc ^{2 beschrieben} . Dieses Ergebnis wurde unzählige Male in der Kern- und Elementarteilchenphysik experimentell bestätigt. Siehe beispielsweise Positronen-Elektronen-Paar-Produktion oder Energieeinsparung bei Kernreaktionen .

Siehe auch: Relativistische Masse

Beispiel: Protons kinetische Energie

Ein Proton ( m = 1,67 × 10 ^–27 kg ) bewegt sich mit einer Geschwindigkeit v = 0,9900 c = 2,968 × 10 ⁸ m / s . Was ist seine kinetische Energie ?

Nach einer klassischen Berechnung, die nicht korrekt ist, würden wir erhalten:

K = 1 / 2mv ² = ½ x (1,67 x 10 ^-27 kg) x (2,968 x 10 ⁸ m / s) ² = 7,355 x 10 ^-11 J.

Bei der relativistischen Korrektur ist die relativistische kinetische Energie gleich:

K = (ɣ – 1) mc ²

wo der Lorentz-Faktor

ɣ = 7,089

deshalb

K = 6,089 × (1,67 × 10 ^–27 kg) × (2,9979 × 10 ⁸ m / s) ² = 9,139 × 10 ^–10 J = 5,701 GeV

Dies ist etwa 12-mal höhere Energie als bei der klassischen Berechnung. Entsprechend dieser Beziehung erfordert eine Beschleunigung eines Protonenstrahls auf 5,7 GeV Energien, die in der Größenordnung unterschiedlich sind.

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