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Triple punto de agua

En termodinámica, el punto triple de una sustancia es la combinación única de temperatura y presión a la que la fase sólida , la fase líquida y la fase gaseosa pueden coexistir en equilibrio termodinámico.

Por acuerdo internacional, al punto triple del agua se le ha asignado un valor de 273.16 K (0.01 ° C; 32.02 ° F) y una presión de vapor parcial de 611.66 pascales (6.1166 mbar; 0.0060366 atm) . En ese punto, es posible cambiar toda la sustancia a vapor, agua o hielo haciendo cambios arbitrariamente pequeños en la presión y la temperatura. Incluso si la presión total está muy por encima del punto triple del agua, siempre que la presión parcial del vapor de agua sea de 611.657 pascales, el sistema aún puede llevarse al punto triple del agua.

El punto triple del agua , T ₃ = 273.16 K, es la temperatura estándar de punto fijo para la calibración de termómetros. Este acuerdo también establece el tamaño del kelvin como 1 / 273.16 de la diferencia entre la temperatura de punto triple del agua y el cero absoluto.

El diagrama de fases del agua es un diagrama de presión-temperatura para el agua que muestra cómo las tres fases (sólido, líquido y vapor) pueden coexistir juntas en equilibrio térmico. A lo largo de la línea de vaporización, las fases líquida y de vapor están en equilibrio, a lo largo de la línea de fusión, las fases sólida y líquida están en equilibrio y a lo largo de la línea de sublimación, las fases sólida y de vapor están en equilibrio. El único punto en el que las tres fases pueden existir en equilibrio es el punto triple.

El punto triple del agua corresponde a la presión mínima a la que puede existir agua en estado líquido. A presiones por debajo del punto triple (como en el espacio exterior), el hielo sólido cuando se calienta a presión constante se convierte directamente en vapor de agua en un proceso conocido como sublimación . En general, la sublimación es un cambio de fase de una sustancia directamente desde la fase sólida a la fase gaseosa sin pasar a través de la fase líquida intermedia. Por encima del punto triple, el hielo sólido cuando se calienta a presión constante primero se derrite para formar agua líquida, y luego se evapora para formar vapor de agua.

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.

¿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 “).

Volumen específico de vapor húmedo

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)

Entropía específica de vapor húmedo

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 _mojado = 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)

Entalpía específica de vapor húmedo

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.

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

Fórmula de energía mecánica

En física, la energía mecánica (E _mech ) es la energía asociada con el movimiento y la posición de un objeto, generalmente en algún campo de fuerza (por ejemplo, campo gravitacional). La energía mecánica (y también la energía térmica) se pueden separar en dos categorías, transitorias y almacenadas. La energía transitoria es energía en movimiento, es decir, energía que se transfiere de un lugar a otro. La energía almacenada es la energía contenida dentro de una sustancia u objeto. La energía mecánica transitoria se conoce comúnmente como trabajo . La energía mecánica almacenada existe en una de dos formas: cinética o potencial :

• La energía potencial . La energía potencial, U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional de un objeto que depende de su masa y su distancia desde el centro de masa de otro objeto.
• La energía cinética . La energía cinética, K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos.

Ver también: Conservación de la energía mecánica.

Un sistema aislado es aquel en el que ninguna fuerza externa causa cambios de energía. Si solo las fuerzas conservadoras actúan sobre un objeto y U es la función de energía potencial para la fuerza conservadora total, entonces

E _mech = U + K

La energía potencial, U , depende de la posición de un objeto sometido a una fuerza conservadora.

Se define como la capacidad del objeto para hacer trabajo y aumenta a medida que el objeto se mueve en la dirección opuesta a la dirección de la fuerza.

Fórmula de energía cinética

La energía cinética, K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Un objeto en movimiento tiene la capacidad de hacer trabajo y, por lo tanto, se puede decir que tiene energía. Se llama energía cinética, de la palabra griega kinetikos, que significa “movimiento”.

La energía cinética depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos. Por otro lado, la energía cinética de un objeto representa la cantidad de energía requerida para aumentar la velocidad del objeto desde el reposo (v = 0) hasta su velocidad final. La energía cinética también depende linealmente de la masa, que es una medida numérica de la inercia del objeto y la medida de la resistencia de un objeto a la aceleración cuando se aplica una fuerza.

Fórmula de energía cinética :

K = ½ mv ²

Es la energía cinética traslacional del objeto. Debe agregarse, se llama energía cinética “traslacional” para distinguirla de la energía cinética rotacional.

Fórmula de energía cinética relativista versus no relativista

La relación previa entre el trabajo y la energía cinética se basa en las leyes del movimiento de Newton . Cuando generalizamos estas leyes de acuerdo con el principio de relatividad, necesitamos una generalización correspondiente de la ecuación para la energía cinética . Si la velocidad de un objeto está cerca de la velocidad de la luz, es necesario utilizar una mecánica relativista para calcular su energía cinética .

En mecánica clásica , la energía cinética y el momento se expresan como:

La derivación de sus relaciones relativistas se basa en la relación relativista energía-momento:

Se puede derivar, la energía cinética relativista y el momento relativista son:

El primer término ( ɣmc ² ) de la energía cinética relativista aumenta con la velocidad v de la partícula. El segundo término ( mc ² ) es constante; Se llama energía en reposo  (masa en reposo) de la partícula, y representa una forma de energía que tiene una partícula incluso cuando está a velocidad cero . Cuando la velocidad de un objeto se acerca a la velocidad de la luz, la energía cinética se acerca al infinito . Es causada por el factor Lorentz , que se acerca al infinito para v → c . Por lo tanto, la velocidad de la luz no puede ser alcanzada por ninguna partícula masiva.

El primer término (ɣmc ² ) se conoce como la energía total E de la partícula, porque es igual a la energía en reposo más la energía cinética:

E = K + mc ²

Para una partícula en reposo, es decir, K es cero, por lo que la energía total es su energía en reposo:

E = mc ²

Este es 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 E = mc ² describe la equivalencia de la masa y la energía . Este resultado ha sido confirmado experimentalmente innumerables veces en física de partículas nucleares y elementales. Por ejemplo, vea Producción de pares de positrones-electrones o Conservación de energía en reacciones nucleares .

Ver también: masa relativista

¿Qué es la energía cinética?

La energía cinética, K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Un objeto en movimiento tiene la capacidad de hacer trabajo y, por lo tanto, se puede decir que tiene energía. Se llama energía cinética, de la palabra griega kinetikos, que significa “movimiento”.

La energía cinética depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos. Por otro lado, la energía cinética de un objeto representa la cantidad de energía requerida para aumentar la velocidad del objeto desde el reposo (v = 0) hasta su velocidad final. La energía cinética también depende linealmente de la masa, que es una medida numérica de la inercia del objeto y la medida de la resistencia de un objeto a la aceleración cuando se aplica una fuerza.

Definimos la cantidad:

K = ½ mv ²

ser la energía cinética traslacional del objeto. Debe agregarse, se llama energía cinética “traslacional” para distinguirla de la energía cinética rotacional.