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Nick Connor

¿Qué es el agua en la ingeniería nuclear? Definición

por
Usos del agua en ingeniería nuclear. En ingeniería nuclear, el agua tiene varios usos. El agua es una sustancia notable y tiene muchas propiedades físicas notables. Ingenieria termal

Usos del agua en ingeniería nuclear

El agua como refrigerante del reactor


El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad térmica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación del agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se usa como fluido de trabajo (usado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador), y el refrigerante (usado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

 

El agua como moderador

El moderador de neutrones , que es importante en los reactores térmicos , se utiliza para moderar, es decir, ralentizar los neutrones de la fisión a las energías térmicas . Los núcleos con bajos números de masa son más efectivos para este propósito, por lo que el moderador siempre es un material de bajo número de masa. Los moderadores de uso común incluyen agua regular (ligera) (aproximadamente el 75% de los reactores del mundo), grafito sólido (20% de los reactores) y agua pesada (5% de los reactores).

En la mayoría de los reactores nucleares , el agua es tanto un refrigerante como un moderador . La moderación ocurre especialmente en los núcleos de hidrógeno. En el caso del hidrógeno (A = 1) como núcleo objetivo, el neutrón incidente puede detenerse por completo: tiene la disminución de energía logarítmica promedio más alta de todos los núcleos. Por otro lado, los núcleos de hidrógeno tienen una sección transversal de absorción relativamente más alta , por lo tanto, el agua no es el mejor moderador según la relación de moderación .

Moderadores de neutrones - Parámetros

El agua como blindaje de neutrones

Blindaje de la radiación de neutrones
El agua como escudo de neutrones

El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es efectiva y la protección común de neutrones . Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran altamente en la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. Agregar un  ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en los núcleos de boro sin una fuerte emisión de rayos gamma), pero resulta en otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.

Ver también: Blindaje de neutrones.

El agua como un escudo de radiación gamma

En resumen, el blindaje efectivo de la radiación gamma se basa en la mayoría de los casos en el uso de materiales con las siguientes dos propiedades:

  • Alta densidad de material.
  • alto número atómico de material (materiales con alto contenido de Z)
Tabla de capas de valor medio (en cm)
Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

Aunque el agua no es material de alta densidad ni de alta Z , se usa comúnmente como escudos gamma. El agua proporciona una protección contra la radiación de los conjuntos de combustible en una piscina de combustible gastado durante el almacenamiento o durante el transporte desde y hacia el núcleo del reactor . Aunque el agua es un material de baja densidad y un material de baja Z, se usa comúnmente en centrales nucleares, porque estas desventajas pueden compensarse con un mayor espesor.

Capa de agua de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos .

Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es la propiedad clave del agua? Definición

por
El agua es una sustancia notable con muchas propiedades sorprendentes. El agua es un medio común también en ingeniería nuclear porque las propiedades del agua son muy conocidas. Ingenieria termal

Agua


propiedades del aguaEl agua es una sustancia transparente y casi incolora compuesta por los elementos químicos hidrógeno y oxígeno , que están conectados por enlaces covalentes . En la Tierra, el agua existe en estado gaseoso ( vapor o vapor de agua ), líquido y sólido (hielo). Es uno de los compuestos más abundantes y esenciales y es el componente principal de las corrientes, lagos y océanos de la Tierra, y los fluidos de la mayoría de los organismos vivos. Es vital para todas las formas de vida conocidas.

Además de ser esencial para la vida, el agua es una sustancia notable con muchas propiedades sorprendentes.

  • Es el único compuesto químico que ocurre naturalmente en los tres estados físicos : gaseoso (vapor o vapor de agua), líquido y sólido (hielo).
  • Es el único líquido inorgánico que ocurre naturalmente en la Tierra.
  • El agua también difiere de la mayoría de los líquidos en que se vuelve menos densa a medida que se congela . Tiene un máximo de densidad a 3.98 ° C (1000 kg / m 3 ), mientras que la densidad del hielo es de 917 kg / m 3 . Difiere en aproximadamente un 9% y, por lo tanto, el hielo flota en agua líquida
  • El agua tiene el calor específico más alto de cualquier sustancia común: 4.19 kJ / kg K.
  • Tiene un calor de vaporización muy alto, lo que lo convierte en un refrigerante y medio efectivo en centrales térmicas y otras industrias energéticas.

Usos del agua en ingeniería nuclear

El agua como refrigerante del reactor


El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

El agua como moderador

El moderador de neutrones , que es importante en los reactores térmicos , se utiliza para moderar, es decir, ralentizar los neutrones de la fisión a las energías térmicas . Los núcleos con bajos números de masa son más efectivos para este propósito, por lo que el moderador siempre es un material de bajo número de masa. Los moderadores de uso común incluyen agua regular (ligera) (aproximadamente el 75% de los reactores del mundo), grafito sólido (20% de los reactores) y agua pesada (5% de los reactores).

En la mayoría de los reactores nucleares , el agua es tanto un refrigerante como un moderador . La moderación ocurre especialmente en los núcleos de hidrógeno. En el caso del hidrógeno (A = 1) como núcleo objetivo, el neutrón incidente puede detenerse por completo: tiene la disminución de energía logarítmica promedio más alta de todos los núcleos. Por otro lado, los núcleos de hidrógeno tienen una sección transversal de absorción relativamente más alta , por lo tanto, el agua no es el mejor moderador según la relación de moderación .

Moderadores de neutrones - Parámetros

El agua como blindaje de neutrones

Blindaje de la radiación de neutrones
El agua como escudo de neutrones

El agua debido al alto contenido de hidrógeno y la disponibilidad es efectiva y la protección común de neutrones . Sin embargo, debido al bajo número atómico de hidrógeno y oxígeno, el agua no es un escudo aceptable contra los rayos gamma. Por otro lado, en algunos casos, esta desventaja (baja densidad) puede compensarse con un alto espesor del escudo de agua. En el caso de los neutrones, el agua modera perfectamente los neutrones, pero con la absorción de neutrones por el núcleo de hidrógeno se producen rayos gamma secundarios con alta energía. Estos rayos gamma penetran altamente en la materia y, por lo tanto, pueden aumentar los requisitos sobre el grosor del escudo de agua. Agregar un  ácido bórico puede ayudar con este problema (absorción de neutrones en los núcleos de boro sin una fuerte emisión de rayos gamma), pero resulta en otros problemas con la corrosión de los materiales de construcción.

Ver también: Blindaje de neutrones.

El agua como un escudo de radiación gamma

En resumen, el blindaje efectivo de la radiación gamma se basa en la mayoría de los casos en el uso de materiales con las siguientes dos propiedades:

  • Alta densidad de material.
  • alto número atómico de material (materiales con alto contenido de Z)
Tabla de capas de valor medio (en cm)
Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

Aunque el agua no es material de alta densidad ni de alta Z , se usa comúnmente como escudos gamma. El agua proporciona una protección contra la radiación de los conjuntos de combustible en una piscina de combustible gastado durante el almacenamiento o durante el transporte desde y hacia el núcleo del reactor . Aunque el agua es un material de baja densidad y un material de baja Z, se usa comúnmente en centrales nucleares, porque estas desventajas pueden compensarse con un mayor espesor.

Capa de agua de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos .

Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales con energías de rayos gamma de 100, 200 y 500 keV.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es la propiedad termodinámica? Definición

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Propiedades termodinámicas. En termodinámica, ingeniería y en la vida cotidiana, el conocimiento de las propiedades termodinámicas es elemental para comprender los problemas termodinámicos. Ingenieria termal

Propiedades termodinámicas.

Dentro de la termodinámica, una propiedad física es cualquier propiedad que se puede medir y cuyo valor describe el estado de un sistema físico. Nuestro objetivo aquí será introducir propiedades termodinámicas, que se utilizan en termodinámica de ingeniería . Estas propiedades se aplicarán aún más a los sistemas de energía y, finalmente, a las centrales térmicas o  nucleares .

Propiedades termodinámicas extensivas versus intensivas
Propiedades extensivas e intensivas del medio en el presurizador.

En general, las propiedades termodinámicas se pueden dividir en dos clases generales:

Propiedades específicas

Las propiedades específicas del material se derivan de otras propiedades intensivas y extensivas de ese material. Por ejemplo, la densidad del agua es una propiedad intensiva y puede derivarse de las mediciones de la masa de un volumen de agua (una propiedad extensa) dividida por el volumen (otra propiedad extensa). También la capacidad de calor , que es una propiedad extensa de un sistema, puede derivarse de la capacidad de calor , C p , y la masa del sistema. Al dividir estas extensas propiedades se obtiene la capacidad calorífica específica , c p , que es una propiedad intensiva .

Las propiedades específicas se utilizan a menudo en las tablas de referencia como un medio para registrar datos de material de manera independiente del tamaño o la masa. Son muy útiles para hacer comparaciones sobre un atributo mientras se cancela el efecto de las variaciones en otro atributo.

Propiedades específicas - termodinámica
Tabla de algunas propiedades específicas.

Masa contra peso

Una de las fuerzas más conocidas es el peso de un cuerpo, que es la fuerza gravitacional que la tierra ejerce sobre el cuerpo. En general, la gravitación es un fenómeno natural por el cual todas las cosas con masa se acercan entre sí. Los términos masa y peso a menudo se confunden entre sí, pero es importante distinguirlos . Es absolutamente esencial comprender claramente las distinciones entre estas dos cantidades físicas.

¿Qué es el volumen?

¿Qué es el volumen?El volumen es una cantidad física básica . El volumen es una cantidad derivada y expresa la extensión tridimensional de un objeto . El volumen a menudo se cuantifica numéricamente utilizando la unidad derivada del SI, el metro cúbico . Por ejemplo, el volumen dentro de una esfera (que es el volumen de una bola) se deriva para ser V = 4 / 3πr 3 , donde r es el radio de la esfera. Como otro ejemplo, el volumen de un cubo es igual a lado por lado por lado por lado. Dado que cada lado de un cuadrado es el mismo, puede ser simplemente la longitud de un lado en cubos .

Si un cuadrado tiene un lado de 3 metros, el volumen sería 3 metros por 3 metros por 3 metros, o 27 metros cúbicos.

Ver también: Volumen de refrigerante en el sistema de refrigerante del reactor

¿Qué es la densidad?

Densidad - Gas - Líquido - Sólido
Densidades típicas de varias sustancias a presión atmosférica.

La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad SI estándar es kilogramos por metro cúbico ( kg / m 3 ). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico ( lbm / ft 3 ). La densidad (ρ) de una sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

El volumen específico es una variable intensiva , mientras que el volumen es una variable extensa. La unidad estándar para un volumen específico en el sistema SI es metros cúbicos por kilogramo (m 3 / kg). La unidad estándar en el sistema inglés es pies cúbicos por libra de masa (ft 3 / lbm).

 

Ver también: cómo la densidad influye en la reactividad del reactor

Densidad de materia nuclear

La densidad nuclear es la densidad del núcleo de un átomo. Es la relación de masa por unidad de volumen dentro del núcleo. Como el núcleo atómico transporta la mayor parte de la masa del átomo y el núcleo atómico es muy pequeño en comparación con el átomo completo, la densidad nuclear es muy alta.

La densidad nuclear de un núcleo típico puede calcularse aproximadamente a partir del tamaño del núcleo y de su masa. Los radios nucleares típicos son del orden 10 −14 m . Asumiendo forma esférica, los radios nucleares se pueden calcular de acuerdo con la siguiente fórmula:

r = r 0 . A 1/3

donde r 0 = 1.2 x 10-15 m = 1.2 fm

Por ejemplo, el uranio natural consiste principalmente en el isótopo 238 U (99.28%), por lo tanto, la masa atómica del elemento de uranio está cerca de la masa atómica del isótopo 238 U (238.03u). Su radio de este núcleo será:

r = r 0 . A 1/3 = 7.44 fm.

Suponiendo que sea esférico, su volumen será:

V = 4πr 3 /3 = 1,73 x 10 -42 m 3 .

La definición habitual de densidad nuclear da por su densidad:

ρ núcleo = m / V = ​​238 x 1.66 x 10 -27 / (1.73 x 10 -42 ) = 2.3 x 10 17 kg / m 3 .

Por lo tanto, la densidad del material nuclear es más de 2.10 14 veces mayor que la del agua. Es una inmensa densidad. El término descriptivo densidad nuclear también se aplica a situaciones en las que se producen densidades igualmente altas, como dentro de las estrellas de neutrones. Tales densidades inmensas también se encuentran en las estrellas de neutrones.

¿Qué es la presión?

medición de presión de manómetroLa presión es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia. La unidad estándar de presión en el sistema SI es el Newton por metro cuadrado o pascal (Pa) . Matemáticamente:

p = F / A

dónde

  • p es la presión
  • F es la fuerza normal
  • A es el área del límite

Pascal se define como la fuerza de 1N que se ejerce sobre el área de la unidad.

  • 1 Pascal = 1 N / m 2
Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .

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

En general, la presión o la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia es causada por las colisiones de las moléculas de la sustancia con los límites del sistema. Cuando las moléculas golpean las paredes, ejercen fuerzas que intentan empujar las paredes hacia afuera. Las fuerzas resultantes de todas estas colisiones causan la presión ejercida por un sistema en su entorno. La presión como variable intensiva es constante en un sistema cerrado. Realmente solo es relevante en sistemas líquidos o gaseosos.

¿Qué es la presión?[fragmento de xyz-ihs = “presión”]

Escalas de presión – Unidades de presión

Pascal – Unidad de presión

Como se discutió, la unidad SI de presión y estrés es el pascal .

  • 1 pascal 1 N / m 2 = 1 kg / (ms 2 )

Pascal se define como un newton por metro cuadrado. Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .

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

La unidad de medida llamada atmósfera estándar ( atm ) se define como:

  • 1 atm = 101.33 kPa

La atmósfera estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. Tenga en cuenta que existe una diferencia entre la atmósfera estándar (atm) y la atmósfera técnica (at).

Una atmósfera técnica es una unidad de presión no SI equivalente a un kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado.

  • 1 a = 98.67 kPa

Tabla - Conversión entre unidades de presión - pascal, bar, psi, atmósfera

Ver también: libra por pulgada cuadrada – psi

Ver también: barra – Unidad de presión

Ver también: presiones típicas en ingeniería

Presión absoluta versus presión manométrica

presión absoluta vs manómetroLa presión como se discutió anteriormente se llama presión absoluta . A menudo será importante distinguir entre presión absoluta y presión manométrica . En este artículo, el término presión se refiere a presión absoluta a menos que se indique explícitamente lo contrario. Pero en ingeniería a menudo tratamos con presiones, que son medidas por algunos dispositivos. Aunque las presiones absolutas deben usarse en las relaciones termodinámicas, los dispositivos de medición de presión a menudo indican la diferencia entre la presión absoluta en un sistema y la presión absoluta de la atmósfera existente fuera del dispositivo de medición. Miden la presión manométrica .

  • Presión absoluta. Cuando la presión se mide en relación con un vacío perfecto, se llama presión absoluta (psia). Libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) se utiliza para dejar en claro que la presión es relativa a un vacío en lugar de la presión atmosférica ambiental. Dado que la presión atmosférica al nivel del mar es de alrededor de 101.3 kPa (14.7 psi), esto se agregará a cualquier lectura de presión realizada en el aire al nivel del mar.
  • Presión manométrica. Cuando la presión se mide en relación con la presión atmosférica (14,7 psi), se denomina presión manométrica (psig). El término presión manométrica se aplica cuando la presión en el sistema es mayor que la presión atmosférica local, p atm . La última escala de presión se desarrolló porque casi todos los manómetros registran cero cuando están abiertos a la atmósfera. Las presiones de los manómetros son positivas si están por encima de la presión atmosférica y negativas si están por debajo de la presión atmosférica.

p gauge = p absoluto – p absoluto; Cajero automático

  • Presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión en el aire circundante en – o “cerca” de – la superficie de la tierra. La presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud sobre el nivel del mar. La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 o K (0 o C) y es:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • Presión negativa del manómetro – Presión de vacío. Cuando la presión atmosférica local es mayor que la presión en el sistema, se utiliza el término presión de vacío . Un vacío perfecto correspondería a la presión cero absoluta. Ciertamente es posible tener una presión manométrica negativa, pero no es posible tener una presión absoluta negativa. Por ejemplo, una presión absoluta de 80 kPa puede describirse como una presión manométrica de −21 kPa (es decir, 21 kPa por debajo de una presión atmosférica de 101 kPa).

p vacío = p absoluto; cajero automático – p absoluto

Por ejemplo, un neumático de automóvil bombeado hasta 2.5 atm (36.75 psig) por encima de la presión atmosférica local (digamos 1 atm o 14.7 psia localmente), tendrá una presión absoluta de 2.5 + 1 = 3.5 atm (36.75 + 14.7 = 51.45 psia o 36,75 psig).

Por otro lado, las turbinas de vapor de condensación  (en centrales nucleares ) expulsan vapor a una presión muy por debajo de la atmosférica (por ejemplo, a 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.

Presiones típicas en ingeniería – Ejemplos

El pascal (Pa) como unidad de medida de presión se usa ampliamente en todo el mundo y ha reemplazado en gran medida la unidad de libras por pulgada cuadrada (psi) , excepto en algunos países que todavía usan el sistema de medida Imperial, incluido Estados Unidos. Para la mayoría de los problemas de ingeniería, el pascal (Pa) es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa, el MPa o la barra. La siguiente lista resume algunos ejemplos:

  • Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de múltiples etapas . Estas turbinas extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.
  • La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 o K (0 o C) y es:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • La sobrepresión de los neumáticos del automóvil es de aproximadamente 2.5 bar, 0.25 MPa o 36 psig.
  • Caldera de tubo de fuego de locomotora a vapor: 150–250 psig
  • Una etapa de alta presión de la turbina de vapor de condensación en la planta de energía nuclear funciona en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa (60 bar o 870 psig), t = 275.6 ° C, x = 1
  • Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (por ejemplo, 7MPa, 70 bar o 1015 psig), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas.
  • Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (por ejemplo, 16MPa, 160 bar o 2320 psig). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento de aproximadamente 25 ° C.
  • El reactor de agua supercrítico (SCWR) funciona a presión supercrítica . El término supercrítico en este contexto se refiere al punto termodinámico crítico del agua (T CR = 374 ° C; p CR = 22.1 MPa)
  • Inyección directa de combustible common rail: en los motores diesel, presenta un riel de combustible de alta presión (más de 1 000 bar o 100 MPa o 14500 psi).

¿Qué es la temperatura?

En la física y en la vida cotidiana de una temperatura es una medida comparativa objetivo de caliente o frío sobre la base de nuestro sentido del tacto. Un cuerpo que siente calor generalmente tiene una temperatura más alta que un cuerpo similar que siente frío. Pero esta definición no es una cuestión simple. Por ejemplo, una varilla de metal se siente más fría que una varilla de plástico a temperatura ambiente simplemente porque los metales son generalmente mejores para conducir el calor lejos de la piel como los plásticos. Simplemente el calor puede representarse de manera abstracta y, por lo tanto, es necesario tener una forma objetiva de medir la temperatura. Es una de las propiedades termodinámicas básicas.

Equilibrio termal

Ley cero de termodinámica
Ley cero de la termodinámica: si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí.

Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí. Cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . La transferencia de calor ocurre por conducción o por radiación térmica . Cuando se detiene el flujo de calor , se dice que están a la misma temperatura . Luego se dice que están en equilibrio térmico .

Por ejemplo, dejas un termómetro en una taza de café. A medida que los dos objetos interactúan, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco hasta que alcanzan el equilibrio térmico . Se define que dos objetos están en equilibrio térmico si, cuando se colocan en contacto térmico, no fluye energía neta de uno a otro y sus temperaturas no cambian . Podemos postular:

Cuando los dos objetos están en equilibrio térmico, sus temperaturas son iguales.

Este es un tema de una ley que se llama la “ley cero de la termodinámica”.

La temperatura es una característica muy importante de la materia. Muchas propiedades de la materia cambian con la temperatura . La longitud de una varilla de metal, la presión de vapor en una caldera, la capacidad de un cable para conducir una corriente eléctrica y el color de un objeto brillante muy caliente. Todo esto depende de la temperatura .Por ejemplo, la mayoría de los materiales se expanden cuando aumenta su temperatura. Esta propiedad es muy importante en toda la ciencia y la ingeniería, incluso en la ingeniería nuclear . La eficiencia termodinámica de las centrales eléctricas cambia con la temperatura del vapor de entrada o incluso con la temperatura exterior. A temperaturas más altas, los sólidos como el acero brillan en naranja o incluso en blanco según la temperatura. La luz blanca de una bombilla incandescente ordinaria proviene de un cable de tungsteno extremadamente caliente. Se puede ver que la temperatura es una de las características fundamentales que describe la materia e influye en el comportamiento de la materia.

Escalas de temperatura

Conversión de temperatura - Fahrenheit - CelsiusCuando se usa un termómetro, debemos marcar una escala en la pared del tubo con números. Tenemos que definir una escala de temperatura . Una escala de temperatura es una forma de medir la temperatura en relación con un punto de partida (0 o cero) y una unidad de medida .

Estos números son arbitrarios, e históricamente se han utilizado muchos esquemas diferentes. Por ejemplo, esto se hizo definiendo algunas ocurrencias físicas a temperaturas dadas, como los puntos de congelación y ebullición del agua  , y definiéndolas como 0 y 100 respectivamente.

Existen varias escalas y unidades para medir la temperatura. Los más comunes son:

  • Celsius (denotado ° C),
  • Fahrenheit (denotado ° F),
  • Kelvin (denotado K; especialmente en ciencia).

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¿Qué es el líquido saturado y subenfriado? – Definición

por
El agua a temperatura y presión de saturación con x = 0 es un líquido saturado. A temperaturas más bajas se denomina líquido subenfriado o líquido comprimido. Ingenieria termal

Líquido saturado y subenfriado

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

Como se puede ver en el diagrama de fase del agua, en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), la temperatura específica solo establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura.

  • La curva de vapor de saturación es la curva que separa el estado de dos fases y el estado de vapor sobrecalentado en el diagrama Ts.
  • La curva de líquido saturado es la curva que separa el estado líquido subenfriado y el estado de dos fases en el diagrama Ts.

Si un agua existe como líquido a la temperatura y presión de saturación con una calidad de x = 0 , se denomina estado líquido saturado (monofásico). Si la temperatura del líquido es inferior a la temperatura de saturación para la presión existente, se llama líquido subenfriado o líquido comprimido . El término subenfriamiento se refiere a un líquido que existe a una temperatura por debajo de su punto de ebullición normal. Por ejemplo, el agua normalmente hierve a 100 ° C (a presión atmosférica); a temperatura ambiente 20 ° C el agua se denomina “subenfriado”. Analógicamente, el subenfriamiento se define también en ingeniería nuclear pero para otro propósito.

Por ejemplo, la temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor) de 30 ° C. El margen de subenfriamiento es un parámetro de seguridad muy importante de los PWR, ya que se debe excluir la ebullición en el núcleo del reactor.

 

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

líquido subenfriado minComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

  • Vapor húmedo
  • Vapor seco
  • Vapor supercalentado

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.

Ver también: saturación

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

Mesas de Vapor

Enlaces especiales:
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (temperatura)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (presión)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Agua comprimida – Vapor sobrecalentado

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¿Qué es el vapor sobrecalentado? – Definición

por
El vapor sobrecalentado es un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición a la presión absoluta. Las propiedades del vapor seco se tabulan en tablas de vapor. Ingenieria termal

Vapor supercalentado

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

Como se puede ver en el diagrama de fases del agua, en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura.

  • La curva de vapor de saturación es la curva que separa el estado de dos fases y el estado de vapor sobrecalentado en el diagrama Ts.
  • La curva de líquido saturado es la curva que separa el estado líquido subenfriado y el estado de dos fases en el diagrama Ts.

Si un vapor existe completamente como vapor a temperatura de saturación, se llama vapor saturado o vapor saturado o vapor seco . El vapor saturado seco se caracteriza por la calidad del vapor, que es igual a la unidad. El vapor sobrecalentado o vapor sobrecalentado es un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición a la presión absoluta donde se mide la temperatura. La presión y la temperatura del vapor sobrecalentado son propiedades independientes, ya que la temperatura puede aumentar mientras la presión permanece constante. En realidad, las sustancias que llamamos gases son vapores muy sobrecalentados.

termodinámica de ingeniería
Ciclo de Rankine – Termodinámica como ciencia de conversión de energía

El proceso de sobrecalentamiento del vapor de agua en el diagrama Ts se proporciona en la figura entre el estado E y la curva de vapor de saturación. Como se puede ver, también las turbinas de vapor húmedo utilizan vapor sobrecalentado, especialmente en la entrada de las etapas de baja presión. Para evaluar la eficiencia térmica del ciclo, la entalpía debe obtenerse de las tablas de vapor sobrecalentado .

El proceso de sobrecalentamiento es la única forma de aumentar la temperatura máxima del ciclo de Rankine (y aumentar la eficiencia) sin aumentar la presión de la caldera. Esto requiere la adición de otro tipo de intercambiador de calor llamado sobrecalentador , que produce el vapor sobrecalentado .

En el sobrecalentador, el calentamiento adicional a presión fija da como resultado aumentos tanto en la temperatura como en el volumen específico. El proceso de sobrecalentamiento en el diagrama Ts se proporciona en la figura entre el estado E y la curva de vapor de saturación .

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D). El vapor debe ser recalentado o sobrecalentado.con el fin de evitar daños que puedan ser causados ​​a palas de turbina de vapor por vapor de baja calidad. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica, y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

 

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

sobrecalentado-vapor-minComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.

Ver también: saturación

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

Mesas de Vapor

Enlaces especiales:
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (temperatura)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (presión)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Agua comprimida – Vapor sobrecalentado

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¿Qué es el vapor seco? – Definición

por
El vapor seco, o vapor saturado, se caracteriza por la calidad del vapor, que es igual a la unidad. Las propiedades del vapor seco se tabulan en las llamadas tablas de vapor. Ingenieria termal

Vapor seco – Vapor saturado

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

El vapor seco , o vapor saturado , se caracteriza por la calidad del vapor , que es igual a la unidad . Cuando la calidad del vapor es igual a 0, se denomina estado líquido saturado (monofásico). Por otro lado, cuando la calidad del vapor es igual a 1, se denomina estado de vapor saturado o vapor seco (monofásico). Entre estos dos estados, hablamos de la mezcla vapor-líquido o vapor húmedo (mezcla de dos fases). A presión constante, una adición de energía no cambia la temperatura de la mezcla, pero la calidad del vapor y el volumen específico cambian. En el caso de secovapor (100% de calidad), contiene el 100% del calor latente disponible a esa presión. El agua líquida saturada, que no tiene calor latente y, por lo tanto, tiene un 0% de calidad, solo contendrá calor sensible .

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica, y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

 

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

vapor seco-saturado-min-vaporComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.

Ver también: saturación

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

Mesas de Vapor

Enlaces especiales:
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (temperatura)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (presión)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Agua comprimida – Vapor sobrecalentado

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es el vapor húmedo? – Definición

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El vapor húmedo se caracteriza por la calidad del vapor, que varía de cero a la unidad. Las propiedades del vapor húmedo se tabulan en las llamadas tablas de vapor. Ingenieria termal

Vapor húmedo

húmedo-vapor-vapor-líquido-mezcla-minEl vapor húmedo se caracteriza por la calidad del vapor , que varía de cero a la unidad – intervalo abierto (0,1). Cuando la calidad del vapor es igual a 0, se denomina estado líquido saturado (monofásico). Por otro lado, cuando la calidad del vapor es igual a 1, se denomina estado de vapor saturado o vapor seco (monofásico). Entre estos dos estados , hablamos de la mezcla vapor-líquido o vapor húmedo (mezcla de dos fases). A presión constante, una adición de energía no cambia la temperatura de la mezcla, pero la calidad del vapor y el volumen específico cambian. En el caso de secovapor (100% de calidad), contiene el 100% del calor latente disponible a esa presión. El agua líquida saturada, que no tiene calor latente y, por lo tanto, tiene un 0% de calidad, solo contendrá calor sensible .

termodinámica de ingeniería
Ciclo de Rankine – Termodinámica como ciencia de conversión de energía

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica, y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

Entalpía específica de vapor húmedo

La entalpía específica de agua líquida saturada (x = 0) y vapor seco (x = 1) se puede recoger de las mesas de vapor. En caso de vapor húmedo , la entalpía real se puede calcular con la calidad del vapor, x, y las entalpías específicas de agua líquida saturada y vapor seco:

h húmedo = h s x + (1 – x) h l

dónde

h húmedo = entalpía de vapor húmedo (J / kg)

h s = entalpía de vapor “seco” (J / kg)

h l = entalpía de agua líquida saturada (J / kg)

Como se puede ver, el vapor húmedo siempre tendrá una entalpía más baja que el vapor seco.

Entropía específica de vapor húmedo

Del mismo modo, la entropía específica del agua líquida saturada (x = 0) y el vapor seco (x = 1) se puede recoger de las mesas de vapor. En caso de vapor húmedo, la entropía real se puede calcular con la calidad del vapor, x, y las entropías específicas de agua líquida saturada y vapor seco:

s húmedo = s s x + (1 – x) s l              

dónde

s húmedo = entropía de vapor húmedo (J / kg K)

s s = entropía de vapor “seco” (J / kg K)

s l = entropía de agua líquida saturada (J / kg K)

Volumen específico de vapor húmedo

Del mismo modo, el volumen específico de agua líquida saturada (x = 0) y vapor seco (x = 1) puede recogerse de las mesas de vapor. En caso de vapor húmedo, el volumen específico real se puede calcular con la calidad del vapor, x, y los volúmenes específicos de agua líquida saturada y vapor seco:

v húmedo = v s x + (1 – x) v l              

dónde

v húmedo = volumen específico de vapor húmedo (m 3 / kg)

v s = volumen específico de vapor “seco” (m 3 / kg)

v l = volumen específico de agua líquida saturada (m 3 / kg)

Ejemplo:

Una etapa de alta presión de la turbina de vapor funciona en estado estacionario con condiciones de entrada de 6 MPa, t = 275.6 ° C, x = 1 (punto C). El vapor sale de esta etapa de la turbina a una presión de 1,15 MPa, 186 ° C yx = 0,87 (punto D). Calcule la diferencia de entalpía entre estos dos estados.

La entalpía para el estado C puede seleccionarse directamente de las mesas de vapor, mientras que la entalpía para el estado D debe calcularse utilizando la calidad del vapor:

h 1, húmedo = 2785 kJ / kg

h 2, húmedo = 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

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

húmedo-vapor-vapor-líquido-mezcla-minComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado.

Ver también: saturación

Ver también: estrangulamiento de Steam

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

Mesas de Vapor

Enlaces especiales:
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (temperatura)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (presión)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Agua comprimida – Vapor sobrecalentado

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Qué es la presión – Física – Definición

por
¿Qué es la presión? La presión es una propiedad intensiva de la materia. La unidad estándar de presión en el sistema SI es el Newton por metro cuadrado o pascal (Pa). Ingenieria termal

¿Qué es la presión?

medición de presión de manómetroLa presión es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia. La unidad estándar de presión en el sistema SI es el Newton por metro cuadrado o pascal (Pa) . Matemáticamente:

p = F / A

dónde

  • p es la presión
  • F es la fuerza normal
  • A es el área del límite

Pascal se define como la fuerza de 1N que se ejerce sobre el área de la unidad.

  • 1 Pascal = 1 N / m 2

Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .

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

En general, la presión o la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia es causada por las colisiones de las moléculas de la sustancia con los límites del sistema. Cuando las moléculas golpean las paredes, ejercen fuerzas que intentan empujar las paredes hacia afuera. Las fuerzas resultantes de todas estas colisiones causan la presión ejercida por un sistema en su entorno. La presión como variable intensiva es constante en un sistema cerrado. Realmente solo es relevante en sistemas líquidos o gaseosos.

¿Qué es la presión?[fragmento de xyz-ihs = “presión”]

Escalas de presión – Unidades de presión

Pascal – Unidad de presión

Como se discutió, la unidad SI de presión y estrés es el pascal .

  • 1 pascal 1 N / m 2 = 1 kg / (ms 2 )

Pascal se define como un newton por metro cuadrado. Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .

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

La unidad de medida llamada atmósfera estándar ( atm ) se define como:

  • 1 atm = 101.33 kPa

La atmósfera estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. Tenga en cuenta que existe una diferencia entre la atmósfera estándar (atm) y la atmósfera técnica (at).

Una atmósfera técnica es una unidad de presión no SI igual a un kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado.

  • 1 a = 98.67 kPa

Tabla - Conversión entre unidades de presión - pascal, bar, psi, atmósfera

Libras por pulgada cuadrada – psi

La unidad estándar en el sistema inglés es la fuerza de libra por pulgada cuadrada (psi) . Es la presión resultante de una fuerza de una libra de fuerza aplicada a un área de una pulgada cuadrada.

  • 1 psi 1 lbf / in 2 = 4.45 N / (0.0254 m) 2 ≈ 6895 kg / m 2

Por lo tanto, una libra por pulgada cuadrada es aproximadamente 6895 Pa.

La unidad de medida llamada atmósfera estándar (atm) se define como:

  • 1 atm = 14.7 psi

La atmósfera estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. Tenga en cuenta que existe una diferencia entre la atmósfera estándar (atm) y la atmósfera técnica (at).

Una atmósfera técnica es una unidad de presión no SI igual a un kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado.

  • 1 a = 14.2 psi

Bar – Unidad de presión

La barra es una unidad métrica de presión . No forma parte del Sistema Internacional de Unidades (SI). La barra se usa comúnmente en la industria y en la meteorología , y un instrumento utilizado en meteorología para medir la presión atmosférica se llama barómetro.

Una barra es exactamente igual a 100 000 Pa , y es ligeramente menor que la presión atmosférica promedio en la Tierra al nivel del mar ( 1 bar = 0,9869 atm). La presión atmosférica a menudo se da en milibares donde la presión estándar al nivel del mar se define como 1013 mbar, 1.013 bar o 101.3 (kPa).

Algunas veces, “Bar (a)” y “bara” se usan para indicar presiones absolutas y “bar (g)” y “barg” para presiones de manómetro.

Presión absoluta versus presión manométrica

presión absoluta vs manómetroLa presión como se discutió anteriormente se llama presión absoluta . A menudo será importante distinguir entre presión absoluta y presión manométrica . En este artículo, el término presión se refiere a presión absoluta a menos que se indique explícitamente lo contrario. Pero en ingeniería a menudo tratamos con presiones, que son medidas por algunos dispositivos. Aunque las presiones absolutas deben usarse en las relaciones termodinámicas, los dispositivos de medición de presión a menudo indican la diferencia entre la presión absoluta en un sistema y la presión absoluta de la atmósfera existente fuera del dispositivo de medición. Miden la presión manométrica .

  • Presión absoluta. Cuando la presión se mide en relación con un vacío perfecto, se llama presión absoluta (psia). Libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) se utiliza para dejar en claro que la presión es relativa a un vacío en lugar de la presión atmosférica ambiental. Dado que la presión atmosférica al nivel del mar es de alrededor de 101.3 kPa (14.7 psi), esto se agregará a cualquier lectura de presión realizada en el aire al nivel del mar.
  • Presión manométrica. Cuando la presión se mide en relación con la presión atmosférica (14,7 psi), se denomina presión manométrica (psig). El término presión manométrica se aplica cuando la presión en el sistema es mayor que la presión atmosférica local, p atm . La última escala de presión se desarrolló porque casi todos los manómetros registran cero cuando están abiertos a la atmósfera. Las presiones de los manómetros son positivas si están por encima de la presión atmosférica y negativas si están por debajo de la presión atmosférica.

p gauge = p absoluto – p absoluto; Cajero automático

  • Presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión en el aire circundante en – o “cerca” de – la superficie de la tierra. La presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud sobre el nivel del mar. La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 o K (0 o C) y es:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • Presión negativa del manómetro – Presión de vacío. Cuando la presión atmosférica local es mayor que la presión en el sistema, se utiliza el término presión de vacío . Un vacío perfecto correspondería a la presión cero absoluta. Ciertamente es posible tener una presión manométrica negativa, pero no es posible tener una presión absoluta negativa. Por ejemplo, una presión absoluta de 80 kPa puede describirse como una presión manométrica de −21 kPa (es decir, 21 kPa por debajo de una presión atmosférica de 101 kPa).

p vacío = p absoluto; cajero automático – p absoluto

Por ejemplo, un neumático de automóvil bombeado hasta 2.5 atm (36.75 psig) por encima de la presión atmosférica local (digamos 1 atm o 14.7 psia localmente), tendrá una presión absoluta de 2.5 + 1 = 3.5 atm (36.75 + 14.7 = 51.45 psia o 36,75 psig).

Por otro lado, las turbinas de vapor de condensación  (en centrales nucleares ) extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.

Ley del gas ideal

Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se llama ecuación de estado . La ecuación de estado más simple y mejor conocida para las sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado del gas ideal . Émile Clapeyron lo declaró por primera vez en 1834 como una combinación de la ley empírica de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro. Esta ecuación predice el comportamiento pvT de un gas con bastante precisión para gases diluidos o de baja presión. En un gas ideal, las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad , e inversamente con el volumen .

pV = nRT

dónde:

  • p es la presión absoluta del gas
  • n es la cantidad de sustancia
  • T es la temperatura absoluta
  • V es el volumen
  • R es la constante de gas ideal o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,

En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.

El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad . Cuando se dan dos de las variables termodinámicas, p, v y T , se puede encontrar fácilmente la tercera . Un gas ideal se define como aquel en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no hay fuerzas de atracción intermoleculares. Un gas ideal puede visualizarse como una colección de esferas perfectamente duras que chocan pero que, de lo contrario, no interactúan entre sí. En realidad, ningún gas real es como un gas ideal y, por lo tanto, ningún gas real sigue completamente la ley o ecuación del gas ideal. A temperaturas cercanas al punto de ebullición de los gases, el aumento de la presión provocará la condensación y la disminución drástica del volumen. A presiones muy altas, las fuerzas intermoleculares de un gas son significativas. Sin embargo, la mayoría de los gases están en acuerdo aproximado a presiones y temperaturas superiores a su punto de ebullición.

Presiones típicas en ingeniería – Ejemplos

El pascal (Pa) como unidad de medida de presión se usa ampliamente en todo el mundo y ha reemplazado en gran medida la unidad de libras por pulgada cuadrada (psi) , excepto en algunos países que todavía usan el sistema de medida Imperial, incluido Estados Unidos. Para la mayoría de los problemas de ingeniería, el pascal (Pa) es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa, el MPa o la barra. La siguiente lista resume algunos ejemplos:

  • Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de múltiples etapas . Estas turbinas extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.
  • La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 o K (0 o C) y es:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • La sobrepresión de los neumáticos del automóvil es de aproximadamente 2.5 bar, 0.25 MPa o 36 psig.
  • Caldera de tubo de fuego de locomotora a vapor: 150–250 psig
  • Una etapa de alta presión de la turbina de vapor de condensación en la planta de energía nuclear funciona en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa (60 bar o 870 psig), t = 275.6 ° C, x = 1
  • Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (por ejemplo, 7MPa, 70 bar o 1015 psig), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas.
  • Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (por ejemplo, 16MPa, 160 bar o 2320 psig). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento de aproximadamente 25 ° C.
  • El reactor de agua supercrítico (SCWR) funciona a presión supercrítica . El término supercrítico en este contexto se refiere al punto termodinámico crítico del agua (T CR = 374 ° C; p CR = 22.1 MPa)
  • Inyección directa de combustible common rail: en los motores diesel, presenta un riel de combustible de alta presión (más de 1 000 bar o 100 MPa o 14500 psi).

 

Pérdida de presión – Fluidos

Resumen de: Pérdida de cabeza – Pérdida de presión

  • La pérdida de carga o pérdida de presión  es la reducción en la carga total (suma de carga potencial , carga de velocidad y presión ) de un fluido causada por la fricción presente en el movimiento del fluido.
  • La pérdida de carga y la pérdida de presión representan el mismo fenómeno: pérdidas por fricción en tuberías y pérdidas en componentes hidráulicos, pero se expresan en diferentes unidades .
  • La pérdida de carga del sistema hidráulico se divide en dos categorías principales :
  • Diagrama de Moody
    Fuente: Donebythesecondlaw en Wikipedia en inglés, CC BY-SA 3.0,
    https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

    La ecuación de Darcy se puede usar para calcular pérdidas importantes .

  • Se puede usar una forma especial de la ecuación de Darcy para calcular pérdidas menores .
  • El factor de fricción para el flujo de fluido se puede determinar usando un gráfico Moody .
  • El factor de fricción  para el flujo laminar es independiente de la rugosidad de la superficie interna de la tubería. f = 64 / Re
  • El factor de fricción  para el flujo turbulento  depende en gran medida de la rugosidad relativa. Está determinado por la ecuación de Colebrook. Debe notarse que, en números de Reynolds muy grandes , el factor de fricción es independiente del número de Reynolds.

Presión crítica de agua

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

A presión, que es  más alta que la presión crítica, el   agua está en un estado especial, que se conoce como estado fluido supercrítico . Un fluido supercrítico es un fluido que está a presiones más altas que sus valores críticos termodinámicos. A las presiones críticas y supercríticas, un fluido se considera una sustancia monofásica a pesar del hecho de que todas las propiedades termofísicas experimentan cambios significativos dentro de las regiones críticas y pseudocríticas.

Para el agua, los parámetros críticos son los siguientes:

  • P cr = 22.09 MPa
  • T cr = 374.14 ° C (o 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

Ver también: punto crítico del agua

Ver también: fluido supercrítico

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Qué es la temperatura – Física – Definición

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En la vida normal, la temperatura es una medida comparativa objetiva de calor o frío según nuestro sentido del tacto. En física, la definición de temperatura es generalizada. Ingenieria termal

 

¿Qué es la temperatura?

En la física y en la vida cotidiana de una temperatura es una medida comparativa objetivo de caliente o frío sobre la base de nuestro sentido del tacto. Un cuerpo que siente calor generalmente tiene una temperatura más alta que un cuerpo similar que siente frío. Pero esta definición no es una cuestión simple. Por ejemplo, una varilla de metal se siente más fría que una varilla de plástico a temperatura ambiente simplemente porque los metales son generalmente mejores para conducir el calor lejos de la piel como los plásticos. Simplemente el calor puede representarse de manera abstracta y, por lo tanto, es necesario tener una forma objetiva de medir la temperatura. Es una de las propiedades termodinámicas básicas. ¿Cuál es la temperatura en física?

Equilibrio termal

Ley cero de termodinámica
Ley cero de la termodinámica: si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí.

Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí. Cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . La transferencia de calor ocurre por conducción o por radiación térmica . Cuando se detiene el flujo de calor , se dice que están a la misma temperatura . Luego se dice que están en equilibrio térmico .

Por ejemplo, dejas un termómetro en una taza de café. A medida que los dos objetos interactúan, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco hasta que alcanzan el equilibrio térmico . Se define que dos objetos están en equilibrio térmico si, cuando se colocan en contacto térmico, no fluye energía neta de uno a otro y sus temperaturas no cambian . Podemos postular:

Cuando los dos objetos están en equilibrio térmico, sus temperaturas son iguales.

Este es un tema de una ley que se llama la “ley cero de la termodinámica”.

 

La temperatura es una característica muy importante de la materia. Muchas propiedades de la materia cambian con la temperatura . La longitud de una varilla de metal, la presión de vapor en una caldera, la capacidad de un cable para conducir una corriente eléctrica y el color de un objeto brillante muy caliente. Todo esto depende de la temperatura .Por ejemplo, la mayoría de los materiales se expanden cuando aumenta su temperatura. Esta propiedad es muy importante en toda la ciencia y la ingeniería, incluso en la ingeniería nuclear . La eficiencia termodinámica de las centrales eléctricas cambia con la temperatura del vapor de entrada o incluso con la temperatura exterior. A temperaturas más altas, los sólidos como el acero brillan de color naranja o incluso blanco, dependiendo de la temperatura. La luz blanca de una bombilla incandescente ordinaria proviene de un cable de tungsteno extremadamente caliente. Se puede ver que la temperatura es una de las características fundamentales que describe la materia e influye en el comportamiento de la materia.

 

Escalas de temperatura

Conversión de temperatura - Fahrenheit - CelsiusCuando se usa un termómetro, debemos marcar una escala en la pared del tubo con números. Tenemos que definir una escala de temperatura . Una escala de temperatura es una forma de medir la temperatura en relación con un punto de partida (0 o cero) y una unidad de medida .

Estos números son arbitrarios, e históricamente se han utilizado muchos esquemas diferentes. Por ejemplo, esto se hizo definiendo algunas ocurrencias físicas a temperaturas dadas, como los puntos de congelación y ebullición del agua  , y definiéndolas como 0 y 100 respectivamente.

Existen varias escalas y unidades para medir la temperatura. Los más comunes son:

  • Celsius (denotado ° C),
  • Fahrenheit (denotado ° F),
  • Kelvin (denotado K; especialmente en ciencia).

 

La temperatura requirió la fusión nuclear para ocurrir

Reacción de fusión nuclearDeuterio-Tritio Fusión . La reacción de fusión de deuterio y tritio es particularmente interesante debido a su potencial de proporcionar energía para el futuro.

3T (d, n) 4He

La reacción produce ~ 17 MeV de energía por reacción, pero requiere una temperatura enorme de aproximadamente 40 millones de Kelvins para superar la barrera del coulomb por la fuerza nuclear atractiva, que es más fuerte a distancias cortas. El combustible de deuterio es abundante, pero el tritio debe criarse a partir de litio o incorporarse a la operación del ciclo de deuterio.

La temperatura más alta producida por el hombre

El 13 de agosto de 2012 los científicos en el CERN Gran Colisionador de Hadrones (LHC) , Ginebra, Suiza, anunciaron que crearon un plasma de quark-gluón con una temperatura récord sensacional de 5500000000000 K .

El equipo había estado utilizando el experimento ALICE, que se enfoca en estudiar el QCP y otras condiciones en el universo primordial, para destruir los iones de plomo al 99% de la velocidad de la luz para crear un plasma de quark gluon. Se cree que hasta unos pocos milisegundos después del Big Bang, el Universo estaba en un estado de plasma quark-gluón, que es un estado exótico de la materia. Se cree que el plasma quark-gluón consiste en quarks y gluones asintóticamente libres.

Temperatura artificial más baja

Según Guiness World Records,  la temperatura más baja producida por el hombre hasta la fecha es de 450 picokelvin por encima del cero absoluto (solo la mitad de una billonésima parte de un grado por encima del cero absoluto). Fue logrado por un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, Massachusetts, EE. UU.

 

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Qué es Energía – Física – Definición

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¿Qué es energía? La energía es una cantidad física escalar. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. La energía total no puede ser creada o destruida. Ingenieria termal

Qué es energía

El sol
El Sol genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

El término energía es muy amplio y tiene muchas definiciones. Técnicamente, la energía es una cantidad física escalar que está asociada con el estado de uno o más objetos. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Debes tener energía para realizar el trabajo. Para hacer 1 kilojulio de trabajo, debe gastar 1 kilojulio de energía. Debe agregarse, esta interpretación puede ser engañosa porque la energía no está necesariamente disponible para hacer el trabajo.

Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro. Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.

Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica .

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m 2 / s 2

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades en física e ingeniería. Estas unidades se resumen en los siguientes puntos:

  • Joule (unidad: J)
  • Calorías (unidad: cal)
  • Unidad térmica británica (unidad: BTU)
  • Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
  • Kilovatio-hora (unidad: kWh)
  • Megavatio-día (unidad: MWd)
  • Electronvoltio (unidad: eV)

 

Ejemplos de energía de 1 julio

Un julio en la vida cotidiana y en la ciencia corresponde aproximadamente a:

  • La energía cinética de un objeto con una masa de 1 kg que se mueve a √2 ≈ 1.4 m / s .
  • La energía cinética de un objeto de 50 kg (p. Ej., Humano) que se mueve muy lentamente, aproximadamente 0,72 km / h .
  • La energía requerida para levantar una manzana de tamaño mediano ( 100 g ) a 1 metro verticalmente de la superficie de la Tierra.
  • El calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua por 0,24 ° C .
  • El calor requerido para evaporar de 0,00044 g de agua líquida a 100 ° C.
  • La cantidad de electricidad requerida para encender un LED de 1 vatio durante 1 s .
  • Es liberado por aproximadamente 3.1 ⋅ 10 10 fisión en un reactor nuclear.

Formas de energia

La energía existe en muchas formas. Las formas de energía comunes incluyen energía mecánica que se divide clásicamente en energía cinética y energía potencial . La energía cinética está relacionada con la velocidad de un objeto en movimiento . La energía potencial está relacionada con la posición de un objeto en un campo de fuerza (gravitacional, eléctrico o magnético). La tensión en un resorte o tensión superficial de la película son otras formas de energía mecánica potencial (energía elástica). Existen muchas otras formas de energía, incluida la energía eléctrica, magnética, química y nuclear .

En termodinámica, el concepto de energía se amplía para tener en cuenta otros cambios observados. La termodinámica trata con otro tipo de energía llamada ” energía térmica ” o ” energía interna “. Las únicas formas en que se puede cambiar la energía de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energía por trabajo o por calor . Además, según los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva. Este principio se conoce como la primera ley de la termodinámica . En general, la energía es un concepto fundamental de la termodinámica y uno de los aspectos más significativos del análisis de ingeniería.

  • Energía mecánica
  • Energía cinética
  • Energía potencial
  • Energía gravitacional
  • Energía interna
  • Entalpía
  • Entropía
  • Energía libre de Gibbs
  • Energía eléctrica
  • Energía radiante
  • Energía de ionización
  • Energía nuclear

 

Equivalencia de masa-energía

Uno de los resultados sorprendentes de la teoría de la relatividad de Einstein es que la masa y la energía son equivalentes y convertibles , una en la otra. La famosa fórmula de Einstein describe la equivalencia de la masa y la energía:

E = MC2

, donde M es la pequeña cantidad de masa y C es la velocidad de la luz.

¿Qué significa eso? Si se genera la energía nuclear (división de átomos, fusión nuclear), una pequeña cantidad de masa (guardada en la energía de enlace nuclear ) se transforma en energía pura (como energía cinética, energía térmica o energía radiante).

El equivalente de energía de un gramo (1/1000 de un kilogramo) de masa es equivalente a:

  • 89,9 terajulios
  • 25.0 millones de kilovatios-hora (≈ 25 GW · h)
  • 21.5 billones de kilocalorías (≈ 21 Tcal)
  • 85,2 mil millones de BTU

o a la energía liberada por la combustión de lo siguiente:

  • 21,5 kilotones de energía equivalente a TNT (≈ 21 kt)
  • 568,000 galones estadounidenses de gasolina automotriz

Cada vez que se genera energía, el proceso puede evaluarse desde una perspectiva E = mc 2 .

Principio de Conservación de Energía

Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro . Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.

En termodinámica, el concepto de energía se amplía para tener en cuenta otros cambios observados, y el principio de conservación de la energía se extiende para incluir una amplia variedad de formas en que los sistemas interactúan con su entorno. Las únicas formas en que se puede cambiar la energía de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energía por trabajo o por calor . Además, según los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva. Este principio se conoce como  la primera ley de la termodinámica . La primera ley de la termodinámica se puede escribir en varias formas:

En palabras:

primera ley de la termodinámica en palabras

conservación de energía en termodinámica
Diseño físico de los cuatro dispositivos principales utilizados en el ciclo de Rankine y las transferencias de energía básicas.

Forma de ecuación:

IntE int = Q – W

donde E int representa la energía interna del material, que depende solo del estado del material (temperatura, presión y volumen). Q es el calor neto agregado al sistema y W es el trabajo neto realizado por el sistema. Debemos ser cuidadosos y consistentes al seguir las convenciones de signos para Q y W. Como W en la ecuación es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W será negativo y E int aumentará.

Del mismo modo, Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor abandona el sistema, Q es negativo. Esto nos dice lo siguiente: la energía interna de un sistema tiende a aumentar si el sistema absorbe calor o si se realiza un trabajo positivo en el sistema. Por el contrario, la energía interna tiende a disminuir si el sistema pierde calor o si se realiza un trabajo negativo en el sistema. Debe agregarse que Q y W dependen de la ruta, mientras que E int es independiente de la ruta.

Forma diferencial:

dE int = dQ – dW

La energía interna E int de un sistema tiende a aumentar si se agrega energía como calor Q y tiende a disminuir si la energía se pierde como trabajo W realizado por el sistema.

Fuentes de energia

Suministro total de energía primaria
Suministro total de energía primaria por recurso 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
Utilizado con permiso del Consejo Mundial de Energía

Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. Desde la revolución industrial, la energía ha sido una fuerza impulsora para el desarrollo de la civilización moderna. El desarrollo tecnológico y el consumo de energía primaria , junto con el aumento de la población mundial, son interdependientes. En los últimos 20 años, el mundo que nos rodea ha cambiado significativamente. La tecnología se ha convertido en uno de los principales impulsores del desarrollo económico y social. El rápido avance de la tecnología de la información (TI) en todo el mundo ha transformado no solo nuestra forma de pensar, sino también nuestra forma de actuar. Cabe señalar que prácticamente todas las tecnologías funcionan con energía eléctrica y, por lo tanto, la proporción de electricidad aumenta rápidamente, más rápido queSuministro total de energía primaria (TPES – la suma de la producción y las importaciones restando las exportaciones y los cambios de almacenamiento).

En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante en el mundo y su extracción, producción y uso no se consideran eficientes, independientemente de las nuevas tecnologías disponibles para mejorar su uso y extracción. Al estudiar los recursos energéticos, tenemos que distinguir las fuentes de energía primaria y las fuentes de energía secundaria .

Fuentes de energía primaria

fuentes de energía primaria - tabla
Indicadores clave para 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
utilizada con permiso del Consejo Mundial de Energía

La energía primaria (PE) es un recurso energético que se encuentra en la naturaleza y que no ha sido sometido a ningún proceso de conversión o transformación. Es la energía contenida en los combustibles crudos y otras formas de energía recibida como entrada a un sistema. Las fuentes de energía primaria toman muchas formas, incluida la energía nuclear, la energía fósil, como el petróleo, el carbón y el gas natural, y las fuentes renovables como la eólica, solar, geotérmica e hidroeléctrica. Estas fuentes primarias se pueden convertir en una fuente de energía secundaria, los llamados portadores de energía . Las fuentes de energía primaria se pueden dividir en:

  • Fuentes no renovables
    • Combustibles fósiles
      • Petróleo
      • Carbón
      • Gas natural
    • Combustibles minerales
      • Uranio natural
      • Torio natural
  • Recursos renovables
    • Energía solar
    • Energía eólica
    • Energía hidroeléctrica y mareomotriz
    • Energía geotérmica
    • Energía de biomasa (si se explota de forma sostenible)

Fuentes de Energía Secundarias – Portadores de Energía

Las fuentes de energía secundaria , también llamadas portadores de energía , se derivan de la transformación de las fuentes de energía primaria. Se llaman portadores de energía, porque mueven energía de una forma utilizable de un lugar a otro. Los portadores de energía conocidos son:

  • Electricidad
  • Gasolina
  • Hidrógeno

Electricidad e hidrógeno a partir de fuentes de energía primaria como el carbón, el gas natural, la energía nuclear, el petróleo y las fuentes de energía renovables. La electricidad es particularmente útil ya que tiene baja entropía (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente. Simplemente, no podemos decir que el hidrógeno tenga potencial para compensar los combustibles fósiles.

Se utilizan fuentes de energía secundarias, porque su uso es más fácil que el uso de una fuente de energía primaria. Por ejemplo, usar electricidad para encender es más seguro que usar petróleo en velas o lámparas de queroseno.

Por otro lado, cualquier conversión de energía primaria en portador de energía está asociada con alguna ineficiencia. Por lo tanto, cuando se trata de una fuente de energía secundaria, siempre debemos considerar la forma, cómo se hizo el portador.

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