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Desublimación – Deposición

En general, la desublimación (o deposición ) es una transición de fase de una sustancia directamente desde la fase gaseosa a la fase sólida sin pasar a través de la fase líquida intermedia. La desublimación es un cambio de fase exotérmico que ocurre a temperaturas y presiones por debajo del punto triple de una sustancia en su diagrama de fase.

Considere el vapor de agua a -5 ° C y a la presión de 500 Pa. En este caso, cuando se extrae calor del vapor de agua, el vapor produce una disminución de la temperatura a -8 ° C. En este punto, sin embargo, el vapor pasa directamente de la fase gaseosa a la fase sólida en el proceso conocido como desublimación. El calor correspondiente se llama calor de sublimación , L _s .

Dado que la desublimación es un cambio de fase exotérmico, libera energía. Esta energía liberada se puede calcular agregando la entalpía de fusión y la entalpía de vaporización y se conoce como la entalpía de sublimación (también llamada calor de sublimación).

Para algunas sustancias, la desublimación es mucho más fácil que pasar por la fase líquida. Depende de su punto triple. Cuando la presión de su punto triple es demasiado alta, es difícil obtenerlos como líquidos.

El proceso inverso de la desublimación es la sublimación, en la que una sustancia pasa directamente de una fase sólida a una fase gaseosa.

Un ejemplo de desublimación es cuando se forma escarcha en una hoja en invierno. Para que ocurra la desublimación, la energía térmica debe eliminarse de un gas. Por lo tanto, cuando la hoja se enfría lo suficiente, el vapor de agua en el aire que rodea la hoja puede perder suficiente energía térmica para convertirse directamente en un sólido.

Ejemplo: energía cinética de protón

Un protón ( m = 1.67 x 10 ^-27 kg ) viaja a una velocidad v = 0.9900c = 2.968 x 10 ⁸ m / s . ¿Cuál es su energía cinética ?

Según un cálculo clásico, que no es correcto, obtendríamos:

K = 1 / 2mV ² = ½ x (1,67 x 10 ^-27 kg) x (2.968 x 10 ⁸ m / s) ² = 7,355 x 10 ^-11 J

Con la corrección relativista, la energía cinética relativista es igual a:

K = (ɣ – 1) mc ²

donde el factor de Lorentz

ɣ = 7.089

por lo tanto

K = 6.089 x (1.67 x 10 ^-27 kg) x (2.9979 x 10 ⁸ m / s) ² = 9.139 x ^10-10 J = 5.701 GeV

Esto es aproximadamente 12 veces más energía que en el cálculo clásico. De acuerdo con esta relación, una aceleración de un haz de protones a 5.7 GeV requiere energías que son diferentes en el orden.

Energía cinética 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:

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. La sublimación es un cambio de fase endotérmico que ocurre a temperaturas y presiones por debajo del punto triple de una sustancia en su diagrama de fase.

Considere el hielo a -10 ° C y a la presión de 500 Pa. En este caso, la transferencia de calor al hielo primero resulta en un aumento de la temperatura a -8 ° C. En este punto, sin embargo, el hielo pasa directamente de la fase sólida a la fase de vapor en el proceso conocido como sublimación. El calor correspondiente se llama calor de sublimación , L _s . Una mayor transferencia de calor daría como resultado el sobrecalentamiento del vapor.

Dado que la sublimación es un cambio de fase endotérmica, requiere energía adicional. Esta energía adicional requerida se puede calcular agregando la entalpía de fusión y la entalpía de vaporización y se conoce como la entalpía de sublimación (también llamada calor de sublimación).

Para algunas sustancias, la sublimación es mucho más fácil que la evaporación de la masa fundida. Depende de su punto triple. Cuando la presión de su punto triple es demasiado alta, es difícil obtenerlos como líquidos.

El proceso inverso de sublimación es la desublimación, en la cual una sustancia pasa directamente de un gas a una fase sólida.

Saturación

En termodinámica, el término saturación define una condición en la que puede existir una mezcla de vapor y líquido a una temperatura y presión determinadas. La temperatura a la que comienza a producirse vaporización (ebullición) para una presión determinada se denomina temperatura de saturación o punto de ebullición . La presión a la que comienza a producirse vaporización (ebullición) para una temperatura dada se denomina presión de saturación.

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.

¿Qué es la 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.

Conservación de la energía mecánica.

Primero se declaró el principio de Conservación de la Energía Mecánica :

La energía mecánica total (definida como la suma de su potencial y energías cinéticas) de una partícula sobre la que actúan solo fuerzas conservadoras es constante .

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

Densidad de vapor

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.

La densidad (⍴) de cualquier sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ν

El volumen específico (ν) de una sustancia es el volumen total (V) de esa sustancia dividido por la masa total (m) de esa sustancia (volumen por unidad de masa). Tiene unidades de metro cúbico por kilogramo (m ³ / kg).

Densidad de 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 .

A presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradual y continuamente de aquellas que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin un 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).

Energía radiante

En física, la energía radiante es la energía de la radiación electromagnética y gravitacional . El término ” energía radiante ” se usa más comúnmente en los campos de radiometría, energía solar, calefacción e iluminación. Como energía, su unidad SI es el julio (J) . La cantidad de energía radiante puede calcularse integrando el flujo radiante con respecto al tiempo. Transferencia de calor radianteEs muy importante en la industria energética, porque es una de las formas más importantes de cómo se puede transferir la energía térmica. No necesita un medio, como aire o metal, para tener lugar. Cualquier material que tenga una temperatura superior al cero absoluto emite algo de energía radiante. La mayor parte de la energía de este tipo se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella se encuentra en la región visible.

La tasa de transferencia de calor radiante de un cuerpo (por ejemplo, un cuerpo negro) a su entorno es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

q = εσT ⁴

donde σ es una constante física fundamental llamada constante de Stefan-Boltzmann , que es igual a 5.6697 × 10 ^-8 W / m ² K ⁴ . Esta relación se llama ley de Stefan-Boltzmann . La emisividad, ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como radiación térmica y varía entre 0.0 y 1.0. Por definición, un cuerpo negro en equilibrio térmico tiene una emisividad de ε = 1.0. Se puede ver que la transferencia de calor por radiación es importante a temperaturas muy altas y en el vacío.

Dos cuerpos que se irradian entre sí tienen un flujo de calor neto entre ellos. El flujo neto de calor entre ellos viene dado por:

Q = εσA _1-2 (T ⁴ ₁ −T ⁴ ₂ ) [J / s]

q = εσ (T ⁴ ₁ −T ⁴ ₂ ) [J / m ² s]

El factor de área A _1-2 , es el área vista por el cuerpo 2 del cuerpo 1, y puede volverse bastante difícil de calcular.

Densidad de agua pesada

El agua pura pura (D ₂ O) tiene una densidad aproximadamente un 11% mayor que el agua , pero por lo demás es física y químicamente similar.

Esta diferencia es causada por el hecho de que el núcleo de deuterio es dos veces más pesado que el núcleo de hidrógeno . Dado que aproximadamente el 89% del peso molecular del agua proviene del átomo de oxígeno único en lugar de los dos átomos de hidrógeno, el peso de una molécula de agua pesada no es sustancialmente diferente del de una molécula de agua normal. La masa molar de agua es M (H ₂ O) = 18.02 y la masa molar de agua pesada es M (D ₂ O) = 20.03 (cada núcleo de deuterio contiene un neutrón en contraste con el núcleo de hidrógeno), por lo tanto, agua pesada (D ₂ O) tiene una densidad aproximadamente 11% mayor (20.03 / 18.03 = 1.112).

El agua pesada pura (D ₂ O) tiene su densidad más alta 1110 kg / m ³ a una temperatura de 3.98 ^o C (39.2 ^o F). También el agua pesada se diferencia 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 (1110 kg / m ³ ), mientras que la densidad de su forma sólida de hielo es 1017 kg / m ³ . Cabe señalar que el cambio en la densidad no es lineal con la temperatura, porque el coeficiente de expansión térmica volumétrica para el agua no es constante en el rango de temperatura.

Densidad del agua – H ₂ O

El agua pura tiene su mayor densidad 1000 kg / m ³ a una temperatura de 3.98 ^o C (39.2 ^o F). El agua 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 flotaen agua líquida Cabe señalar que el cambio en la densidad no es lineal con la temperatura, porque el coeficiente de expansión térmica volumétrica para el agua no es constante en el rango de temperatura. La densidad del agua (1 gramo por centímetro cúbico) se usó originalmente para definir el gramo. La densidad (⍴) de una sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ν

El volumen específico (ν) de una sustancia es el volumen total (V) de esa sustancia dividido por la masa total (m) de esa sustancia (volumen por unidad de masa). Tiene unidades de metro cúbico por kilogramo (m ³ / kg).