Was ist Thermodynamische Eigenschaft – Definition

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:
  • Enthalpie
  • Entropie
  • Gibbs Freie Energie
  • Wärmekapazität
  • Innere Energie
  • Masse
  • Volumen

• 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.

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?

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.

wo

• 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

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

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).