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Reactor de agua supercrítico – SCWR

El reactor de agua supercrítico (SCWR) es un concepto de reactor de Generación IV, que funciona a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa). El término supercrítico en este contexto se refiere al punto termodinámico crítico del agua (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22.1 MPa), y no debe confundirse con la criticidad del núcleo del reactor , que describe los cambios en la población de neutrones en El núcleo del reactor .

El reactor de agua supercrítico puede funcionar como un reactor térmico o como un reactor de neutrones rápidos , dependiendo del diseño del núcleo. El concepto del reactor de agua supercrítico puede basarse en recipientes a presión clásicos como en PWR comerciales o en tubos de presión como en reactores CANDU. El diseño de los recipientes a presión de los reactores de agua supercríticos se desarrolla principalmente en la UE, EE. UU., Japón, Corea y China, mientras que el diseño del canal de presión se desarrolla principalmente en Canadá y Rusia. El diseño del recipiente a presión permite utilizar un diseño tradicional de circuito de alta presión. El diseño del canal de presión permite las características clave del accidente pasivo y la eliminación del calor de descomposición por radiación y convección de los canales distribuidos, incluso sin enfriamiento activo y fusión del combustible, y el uso de flujos de reactor de múltiples pasos que hacen posible el recalentamiento y el sobrecalentamiento.

Para los diseños de recipientes a presión y tubos de presión, se ha previsto un ciclo de vapor único, omitiendo cualquier recirculación de refrigerante dentro del reactor. Es similar a los reactores de agua hirviendo , el vapor se suministrará directamente a la turbina de vapor y el agua de alimentación del ciclo de vapor se devolverá al núcleo.

Así como el reactor de agua supercrítica puede usar agua ligera o agua pesada como moderador de neutrones . Como puede verse, hay muchos diseños de SCWR, pero todos los SCWR tienen una característica clave, que es el uso de agua más allá del punto crítico termodinámico como refrigerante primario. Dado que esta característica permite aumentar la temperatura máxima , los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales).

Ventajas y desafíos de los SCWR

Como se puede deducir de su nombre, la característica clave del SCWR es el uso de agua más allá del punto crítico termodinámico (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22.1 MPa) como refrigerante primario. Los diseños SCWR tienen características únicas que ofrecen muchas ventajas en comparación con los reactores de agua ligera (LWR) actuales.

• Alta eficiencia térmica. Dado que los SCWR suministran vapor supercrítico a presiones y temperaturas, que son mucho más altas que en los LWR convencionales, alcanzarán una mayor eficiencia termodinámica de la central eléctrica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales).
• Caudal másico de refrigerante más bajo.  El caudal de refrigerante del reactor de SCWR es mucho más pequeño que el de BWR y PWR porque el aumento de entalpía en el núcleo es mucho mayor , lo que da como resultado componentes de baja capacidad del sistema primario. Por lo tanto, las bombas de refrigerante, las tuberías y otros equipos de soporte se vuelven más pequeños. Además, las únicas bombas que accionan el refrigerante en condiciones normales de funcionamiento son las bombas de agua de alimentación y las bombas de extracción de condensado.
• La mayor entalpía de vapor permite disminuir el tamaño del sistema de turbina y, por lo tanto, reducir los costos de capital de la isla convencional.
• Inventario de refrigerante más pequeño. El inventario de refrigerante es más pequeño, lo que reduce el tamaño de la contención con piscinas de supresión de presión.
• Dado que el agua supercrítica no sufre un cambio de fase y existe en una sola fase termodinámica, no puede ocurrir la crisis de ebullición (es decir, desviación del punto de ebullición del nucleado – DNB o secado ) .
• Con un ciclo directo de refrigerante supercrítico, los componentes como secadores de vapor, separadores y generadores de vapor se omiten por completo, lo que reduce el número de componentes principales y elimina los costos asociados.
• Muchos de los componentes (p. Ej., La turbina) se desarrollan fácilmente y están disponibles en plantas de energía a base de combustibles fósiles supercríticos.

Se espera que la combinación de tecnología avanzada de reactor refrigerado por agua y tecnología fósil supercrítica avanzada dé como resultado un concepto de reactor que pueda usarse para generar electricidad de carga base de manera muy económica y eficiente. Esta característica también hace que el SCWR sea un concepto muy atractivo para las empresas de servicios públicos, especialmente aquellos que tienen experiencia con reactores refrigerados por agua y plantas fósiles supercríticas.

Por otro lado, deben resolverse numerosos desafíos antes de que se puedan construir las primeras centrales eléctricas de este tipo:

• Los materiales de revestimiento tienen que soportar temperaturas más altas (600-650 ° C en condiciones normales de funcionamiento) que en los LWR actuales.
• Los fenómenos de transferencia de calor de la superficie del revestimiento al fluido supercrítico deben entenderse a fondo. Especialmente en el caso de transitorios internos con despresurización de condiciones supercríticas a subcríticas.
• Debido al menor inventario de refrigerante, el secado del núcleo progresa más rápido en caso de un accidente por pérdida de refrigerante (LOCA).

Características de los SCWR

Los SCWR funcionan a presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradualmente y de forma continua de las que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin cambio de fase. . No hay cambio en la fase del agua en el núcleo. Por otro lado, las propiedades físicas como la densidad, el calor específico, la entalpía específica experimentan cambios significativos, especialmente en el rango de temperatura de la región pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C y 392 ° C). Por ejemplo,

• la densidad del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 777 kg / m ³  (para 25MPa y 280 ° C) y 90 kg / m ³ (para 25MPa y 500 ° C),
• La entalpía específica del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 1230 kJ / kg (para 25MPa y 280 ° C) y 3165 kJ / kg (para 25MPa y 500 ° C)

Desde el punto de vista de la neutrónica, la densidad del agua es el factor más importante. Hay un cambio significativo en el espectro de neutrones , que cambia con la coordenada axial del núcleo. Es causada por la mayor moderación en lugares con mayor densidad. Por esta razón, un cálculo acoplado de neutrónica – hidráulica térmica es inevitable para obtener la distribución del flujo de neutrones dentro del núcleo. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutrones y la potencia térmica del reactor .

Dado que el refrigerante (moderador) sufre un cambio significativo en la densidad, el SCWR también puede diseñarse como un reactor de neutrones rápido. Esta propiedad depende de cierto diseño del reactor.

¿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 usando 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.

¿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 usando 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.

Ejemplo: volumen de un átomo y núcleo

El átomo consiste en un núcleo pequeño pero masivo rodeado por una nube de electrones que se mueven rápidamente . El núcleo está compuesto de protones y neutrones . Los radios nucleares típicos son del orden de 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

Si usamos esta aproximación, por lo tanto, esperamos que el volumen del núcleo sea del orden de 4 / 3πr ³ o 7,23 × 10 ⁻⁴⁵ m ³ para los núcleos de hidrógeno o 1721 × 10 ⁻⁴⁵ m ³ para los núcleos de ²³⁸ U. Estos son volúmenes de núcleos y los núcleos atómicos (protones y neutrones) contienen aproximadamente el 99.95% de la masa del átomo.

Volumen de refrigerante en el sistema de refrigerante del reactor

En los reactores de agua a presión modernos (PWR) modernos, el Sistema de refrigerante del reactor (RCS), que se muestra en la figura, consta de:

• el recipiente del reactor , que contiene el combustible nuclear
• cuatro bucles de transferencia de calor paralelos conectados a un recipiente reactor.
• cada circuito contiene una bomba de refrigerante principal y un generador de vapor .
• El sistema incluye un presurizador y sus sistemas auxiliares.

Todos los componentes RCS están ubicados dentro del edificio de contención .

En funcionamiento normal, hay un agua líquida comprimida dentro del recipiente del reactor, bucles y generadores de vapor. La presión se mantiene a aproximadamente 16MPa . A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290 ° C (554 ° F). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (617 ° F) a medida que el agua fluye a través del núcleo. Como se puede ver, el reactor contiene aproximadamente 25 ° C de refrigerante subenfriado (distancia desde la saturación).Esta alta presión es mantenida por el presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pierna caliente) y parcialmente llena con agua (parcialmente con vapor saturado ) que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada por calentadores eléctricos sumergidos . La temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C. En condiciones normales, aproximadamente el 60% del volumen del presurizador ocupa el agua comprimida y aproximadamente el 40% del volumen ocupa el vapor saturado .

Los volúmenes de PWR típicos se encuentran en la siguiente tabla.

Es un ejemplo ilustrativo, los siguientes datos no corresponden a ningún diseño de reactor.

Debe tenerse en cuenta que el volumen de refrigerante cambia significativamente con la temperatura del refrigerante. La masa total del refrigerante permanece siempre igual, un cambio en el volumen de agua no es un cambio en el inventario de agua. El volumen de refrigerante del reactor cambia con la temperatura debido a cambios en la densidad . La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían . Sin embargo, la cantidad de expansión o contracción varía, dependiendo del material. Este fenómeno se conoce como expansión térmica . El cambio en el volumen de un material que sufre un cambio de temperatura viene dado por la siguiente relación:

donde ∆T es el cambio de temperatura, V es el volumen original, ∆V es el cambio de volumen y α _V es el coeficiente de expansión del volumen .

El coeficiente de expansión térmica volumétrica para el agua no es constante en el rango de temperatura y aumenta con la temperatura ( especialmente a 300 ° C ), por lo tanto, el cambio de densidad no es lineal con la temperatura (como se indica en la figura).

Ver también: Tablas de vapor

En condiciones normales, el volumen total de refrigerante en el sistema de refrigeración del reactor es casi constante. Por otro lado, durante condiciones de carga transitoria, el volumen puede cambiar significativamente . Estos cambios se reflejan naturalmente en un cambio en el nivel del agua del presurizador. Cuando la temperatura promedio del refrigerante del reactor disminuye gradualmente, el volumen total de agua también disminuye, lo que disminuye el nivel del presurizador. En una recogida gradual de la carga, el aumento en la temperatura promedio del refrigerante del reactor hace que el volumen total de agua se expanda, lo que eleva el nivel del presurizador. Estos efectos deben ser controlados por el sistema de control de nivel del presurizador.

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 a menudo se usan 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.

Control Volume – Control Volume Analysis

Un volumen de control es una región fija en el espacio elegida para el estudio termodinámico de los equilibrios de masa y energía para sistemas de flujo. El límite del volumen de control puede ser una envolvente real o imaginaria . La superficie de control es el límite del volumen de control.

Se puede utilizar un análisis de volumen de control, por ejemplo, para determinar la tasa de cambio de momento para un fluido. En este análisis, consideraremos un streamtube ( volumen de control ) como lo hicimos para la ecuación de Bernoulli . En este volumen de control, cualquier cambio en el momento del fluido dentro de un volumen de control se debe a la acción de fuerzas externas sobre el fluido dentro del volumen.

Ver también: Fórmula Momentum

Como se puede ver en la imagen, el método de control de volumen puede usarse para analizar la ley de conservación del momento en el fluido. El volumen de control es una superficie imaginaria que encierra un volumen de interés. El volumen de control puede ser fijo o en movimiento, y puede ser rígido o deformable. Para determinar todas las fuerzas que actúan sobre las superficies del volumen de control, tenemos que resolver las leyes de conservación en este volumen de control.

Elegir un volumen de control

Se puede seleccionar un volumen de control como cualquier volumen arbitrario a través del cual fluye el fluido. Este volumen puede ser estático, en movimiento e incluso deformarse durante el flujo. Para resolver cualquier problema, tenemos que resolver las leyes básicas de conservación en este volumen. Es muy importante conocer todas las velocidades de flujo relativas a la superficie de control y, por lo tanto, es muy importante definir exactamente los límites del volumen de control durante un análisis.

Ejemplo: chorro de agua golpeando una placa estacionaria

Se  utiliza una placa estacionaria (por ejemplo, la cuchilla de un molino de agua) para desviar el flujo de agua a una velocidad de  1 m / sy  en un ángulo de  90 ° . Ocurre a presión atmosférica y el caudal másico es igual a  Q = 1 m ³ / s .

1. Calcule la fuerza de presión.
2. Calcule la fuerza del cuerpo.
3. Calcule la fuerza total.
4. Calcule la fuerza resultante.

Solución

1. La  fuerza de presión  es cero ya que la presión tanto en la entrada como en las salidas al volumen de control es atmosférica.
2. Como el volumen de control es pequeño, podemos ignorar la fuerza del  cuerpo  debido al peso de la gravedad.
3. F _x  = ρ.Q. (w _1x  – w _2x ) = 1000. 1) (1-0) =  1000 N
   F _y  =  0
   F  =  (1000, 0)
4. La  fuerza resultante  en el plano es de la misma magnitud pero en la dirección opuesta a la fuerza total  F  (se desprecian la fricción y el peso).

El chorro de agua ejerce sobre la placa la fuerza de 1000 N en la dirección x.

Propiedades extensivas – Propiedades interactivas

Las propiedades termodinámicas se pueden dividir en dos clases generales:

• Propiedades extensivas: una propiedad extensa depende de la cantidad de masa presente o del tamaño o extensión de un sistema . Masa, volumen total y energía son ejemplos de propiedades extensivas . El valor de una propiedad extensa varía directamente con la masa. Por lo tanto, si una cantidad de materia en un estado dado se divide en dos partes iguales, cada parte tendrá el mismo valor de propiedad intensiva que el original y la mitad del valor de la propiedad extensiva. Amplias propiedades son aditivas para subsistemas. El sistema podría dividirse en cualquier número de subsistemas y el valor de la propiedad para el sistema sería la suma de la propiedad de cada subsistema.

• Propiedad intensiva: una propiedad intensiva es independiente de la cantidad de masa y puede variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. Por ejemplo, la temperatura de un sistema en equilibrio térmico es la misma que la temperatura de cualquier parte del mismo. Si el sistema se divide, la temperatura de cada subsistema es idéntica. La temperatura, la presión, el volumen específico y la densidad son ejemplos de propiedades intensivas. Las cantidades específicas también se denominan variables intensivas, aunque hay algunas variables intensivas que no tienen una contraparte extensa, como la presión o la temperatura. Las propiedades intensivas pueden ser funciones de posición y tiempo, mientras que las propiedades extensivas varían a lo sumo con el tiempo.

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 a menudo se usan 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.

Volumen de refrigerante en el sistema de refrigerante del reactor

En los reactores de agua a presión modernos (PWR) modernos, el Sistema de refrigerante del reactor (RCS), que se muestra en la figura, consta de:

• el recipiente del reactor , que contiene el combustible nuclear
• cuatro bucles de transferencia de calor paralelos conectados a un recipiente reactor.
• cada circuito contiene una bomba de refrigerante principal y un generador de vapor .
• El sistema incluye un presurizadory sus sistemas auxiliares.

Todos los componentes RCS están ubicados dentro del edificio de contención .

En funcionamiento normal, hay un agua líquida comprimida dentro del recipiente del reactor, bucles y generadores de vapor. La presión se mantiene a aproximadamente 16MPa . A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290 ° C (554 ° F). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (617 ° F) a medida que el agua fluye a través del núcleo. Como se puede ver, el reactor contiene aproximadamente 25 ° C de refrigerante subenfriado (distancia desde la saturación).Esta alta presión es mantenida por el presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pierna caliente) y parcialmente llena con agua (parcialmente con vapor saturado ) que se calienta a la temperatura de saturación(punto de ebullición) para la presión deseada por calentadores eléctricos sumergidos . La temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C. En condiciones normales, aproximadamente el 60% del volumen del presurizador ocupa el agua comprimida y aproximadamente el 40% del volumen ocupa el vapor saturado .

Los volúmenes de PWR típicos se encuentran en la siguiente tabla.

Es un ejemplo ilustrativo, los siguientes datos no corresponden a ningún diseño de reactor.

Debe tenerse en cuenta que el volumen de refrigerante cambia significativamente con la temperatura del refrigerante. La masa total del refrigerante permanece siempre igual, un cambio en el volumen de agua no es un cambio en el inventario de agua. El volumen de refrigerante del reactor cambia con la temperatura debido a cambios en la densidad . La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían . Sin embargo, la cantidad de expansión o contracción varía, dependiendo del material. Este fenómeno se conoce como expansión térmica . El cambio en el volumen de un material que sufre un cambio de temperatura viene dado por la siguiente relación:

donde ∆T es el cambio de temperatura, V es el volumen original, ∆V es el cambio de volumen y α _V es el coeficiente de expansión del volumen .

El coeficiente de expansión térmica volumétrica para el agua no es constante en el rango de temperatura y aumenta con la temperatura ( especialmente a 300 ° C ), por lo tanto, el cambio de densidad no es lineal con la temperatura (como se indica en la figura).

Ver también: Tablas de vapor

En condiciones normales, el volumen total de refrigerante en el sistema de refrigeración del reactor es casi constante. Por otro lado, durante condiciones de carga transitoria, el volumen puede cambiar significativamente . Estos cambios se reflejan naturalmente en un cambio en el nivel del agua del presurizador. Cuando la temperatura promedio del refrigerante del reactor disminuye gradualmente, el volumen total de agua también disminuye, lo que disminuye el nivel del presurizador. En un levantamiento gradual de la carga, el aumento en la temperatura promedio del refrigerante del reactor hace que el volumen total de agua se expanda, lo que eleva el nivel del presurizador. Estos efectos deben ser controlados por el sistema de control de nivel del presurizador.

Leyes de termodinámica

Existen cuatro leyes de la termodinámica que definen cantidades físicas fundamentales (temperatura, energía y entropía) y que caracterizan los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico . Estas son consideradas como una de las leyes más importantes en toda la física. Las leyes son las siguientes:

Ley cero de termodinámica:

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí.  

Esta ley proporciona una definición y un método para definir temperaturas, quizás la propiedad intensiva más importante de un sistema cuando se trata de problemas de conversión de energía térmica.

Primera ley de la termodinámica:

El aumento de la energía interna de un sistema cerrado es igual al calor suministrado al sistema menos el trabajo realizado por él.  

Esta ley es el principio de conservación de la energía . Es la ley más importante para el análisis de la mayoría de los sistemas y la que cuantifica cómo se transforma la energía térmica en otras formas de energía . De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo son imposibles.

Segunda ley de la termodinámica:

La entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.  

Esta ley indica la irreversibilidad de los procesos naturales . Los procesos reversibles son una ficción teórica útil y conveniente, pero no ocurren en la naturaleza. De esta ley se deduce que es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente. De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo son imposibles.

Tercera ley de la termodinámica:

La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.

Trabajo en termodinámica

En termodinámica, el trabajo realizado por un sistema es la energía transferida por el sistema a su entorno. La energía cinética, la energía potencial y la energía interna son formas de energía que son propiedades de un sistema. El trabajo es una forma de energía , pero es energía en tránsito . Un sistema no contiene trabajo, el trabajo es un proceso realizado por o en un sistema. En general, el trabajo se define para sistemas mecánicos como la acción de una fuerza sobre un objeto a través de una distancia.

W = F. re

dónde:

W = trabajo (J)

F = fuerza (N)

d = desplazamiento (m)

Motores de calor y eficiencia térmica

Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. La energía se define generalmente como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar 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 .

En general, es fácil producir energía térmica haciendo trabajo , por ejemplo, mediante cualquier proceso de fricción. Pero obtener trabajo de la energía térmica es más difícil . Está estrechamente asociado con el concepto de entropía . Por ejemplo, la electricidad es particularmente útil ya que tiene una entropía muy baja (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente .

A veces, la energía mecánica está directamente disponible, por ejemplo, la energía eólica y la energía hidroeléctrica. Pero la mayor parte de nuestra energía proviene de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de reacciones nucleares . En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante del mundo. Pero la quema de combustibles fósiles genera solo energía térmica , por lo tanto, estas fuentes de energía se denominan ” fuentes de energía primaria “, que deben convertirse en fuente de energía secundaria , los llamados portadores de energía ( energía eléctrica, etc.). Para convertir la energía térmica en otra forma de energía, un motor térmico debe ser usado.

En general, un motor térmico es un dispositivo que convierte la energía química en calor o energía térmica y luego en energía mecánica o eléctrica. Muchos motores térmicos  funcionan de manera cíclica, agregando energía en forma de calor en una parte del ciclo y utilizando esa energía para realizar un trabajo útil en otra parte del ciclo.

Por ejemplo, como es típico en todas las centrales térmicas convencionales ,  el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Los generadores de vapor, turbinas de vapor, condensadores y bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico , sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

Ver también: motores de calor

Eficiencia térmica

Se define la  eficiencia térmica ,  η _º , de cualquier motor térmico como la relación entre el  trabajo  que hace,  W , para el  calor  de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La  eficiencia térmica ,  η _th , representa la fracción de  calor ,  Q _H , que se convierte  en trabajo . Es una medida de rendimiento sin dimensiones de un motor térmico que utiliza energía térmica, como una turbina de vapor, un motor de combustión interna o un refrigerador. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Como es un número adimensional, siempre debemos expresar W, Q _H y Q _C  en las mismas unidades.

Dado que la energía se conserva de acuerdo con la  primera ley de la termodinámica  y la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como  calor residual Q _C  en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Para dar la eficiencia como un porcentaje, multiplicamos la fórmula anterior por 100. Tenga en cuenta que,  η _th  podría ser 100% solo si el calor residual Q _C  será cero.

En general, la eficiencia de incluso los  mejores motores térmicos  es bastante baja. En resumen, es  muy difícil  de convertir  la energía térmica  a  la energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser  inferiores al 50%  y, a menudo, muy inferiores. Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidroeléctrica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

Ver también: Principio de Carnot

Ver también: eficiencia térmica

¿Es un átomo un espacio vacío?

El volumen de un átomo es aproximadamente 15 órdenes de magnitud mayor que el volumen de un núcleo. Para el átomo de uranio , el radio de Van der Waals es de aproximadamente 186 pm = 1.86 × 10 ⁻¹⁰ m . El radio de Van der Waals, r _w , de un átomo es el radio de una esfera dura imaginaria que representa la distancia de aproximación más cercana para otro átomo. Asumiendo forma esférica, el átomo de uranio tiene un volumen de aproximadamente   26.9 × 10 ⁻³⁰ m ³ . Pero este espacio “enorme” está ocupado principalmente por electrones, porque el núcleo ocupa solo alrededor de 1721 × 10 ⁻⁴⁵ m³  de espacio. Estos electrones juntos pesan solo una fracción (digamos 0.05%) del átomo completo.

Puede parecer que el espacio y, de hecho, la materia está vacía , pero no lo está . Debido a la naturaleza cuántica de los electrones , los electrones no son partículas puntuales, se extienden por todo el átomo. La descripción clásica no puede usarse para describir cosas a escala atómica. En la escala atómica, los físicos han descubierto que la mecánica cuántica describe muy bien las cosas en esa escala. Las ubicaciones de las partículas en la mecánica cuántica no están en una posición exacta, se describen mediante una función de densidad de probabilidad . Por lo tanto, el espacio en un átomo (entre electrones y un núcleo atómico) no está vacío, sino que está ocupado por una función de densidad de probabilidad de electrones (generalmente conocida como ” nube de electrones “).