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¿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 específico?

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).

La densidad (ρ) de una sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

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

ρ = m / V

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 m ³ del 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 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 puede verse, 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.

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 se puede utilizar 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.

Temperatura artificial más baja

Según Guiness World Records,  la temperatura artificial más baja alcanzada hasta la fecha es de 450 picokelvin por encima del cero absoluto (solo media 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.

Ver también:  temperatura artificial más alta

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 usando el experimento ALICE, que se enfoca en estudiar el QCP y otras condiciones en el universo primordial, para aplastar 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.

Ver también:  temperatura artificial más baja

Ciclo de Rankine – pV, diagrama Ts

El ciclo de Rankine a menudo se representa en un diagrama de volumen de presión (diagrama pV ) y en un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ).

Cuando se grafica en un diagrama de volumen de presión , los procesos isobáricos siguen las líneas isobáricas para el gas (las líneas horizontales), los procesos adiabáticos se mueven entre estas líneas horizontales y el área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante uno ciclo.

El diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts) en el que el estado termodinámico se especifica mediante un punto en un gráfico con entropía específica (s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical. Los diagramas Ts son una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.

° F = 32.0 + (9/5) ° C

° C = (° F – 32.0) (5/9)

Conversión de temperatura – Fahrenheit – Celsius

Para convertir de una temperatura Fahrenheit a una temperatura Celsius , tenemos que restar 32 grados de la lectura Fahrenheit para llegar al punto cero en la escala Celsius y luego ajustar los diferentes grados de tamaño. La relación del tamaño de los grados es 5/9, de modo que la relación entre las escalas se representa mediante las siguientes ecuaciones:

° F = 32.0 + (9/5) ° C

° C = (° F – 32.0) (5/9)

Escalas de temperatura

Cuando 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).

° F = 32.0 + (9/5) ° C

° C = (° F – 32.0) (5/9)

Escalas de temperatura

Cuando 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).

Ciclo Rankine – Procesos

En un ciclo ideal de Rankine, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isobáricos.

Ciclo Rankine – Procesos

• 

  Compresión isentrópica (compresión en bombas centrífugas): el condensado líquido se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2 mediante bombas centrífugas (generalmente mediante bombas de condensado y luego mediante bombas de agua de alimentación). El condensado líquido se bombea desde el condensador a la caldera de mayor presión. En este proceso, los alrededores trabajan en el fluido, aumentando su entalpía (h = u + pv) y comprimiéndolo (aumentando su presión). Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _Pumps = H ₂ – H ₁ .

• Adición de calor isobárico (en un intercambiador de calor – caldera): en esta fase (entre el estado 2 y el estado 3) hay una transferencia de calor a presión constante al condensado líquido desde una fuente externa, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde el punto de ebullición (2 → 3a) de ese fluido y luego se evapora en la caldera (3a → 3). El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
• Expansión isentrópica (expansión en una turbina de vapor): el vapor de la caldera se expande adiabáticamente del estado 3 al estado 4 en una turbina de vapor para producir trabajo y luego se descarga al condensador (parcialmente condensado). El vapor funciona en los alrededores (palas de la turbina) y pierde una cantidad de entalpía igual al trabajo que abandona el sistema. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃ . Nuevamente, la entropía permanece sin cambios.
• Rechazo isobárico de calor (en un intercambiador de calor) : en esta fase, el ciclo se completa mediante un proceso de presión constante en el que el calor se rechaza del vapor parcialmente condensado. Hay una transferencia de calor del vapor al agua de enfriamiento que fluye en un circuito de enfriamiento. El vapor se condensa y la temperatura del agua de enfriamiento aumenta. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Durante un ciclo de Rankine, las bombas realizan el trabajo sobre el fluido entre los estados 1 y 2 ( i compresión sentrópica ). El fluido de la turbina realiza el trabajo entre las etapas 3 y 4 ( i expansión sentrópica ). La diferencia entre el trabajo realizado por el fluido y el trabajo realizado sobre el fluido es el trabajo neto producido por el ciclo y corresponde al área encerrada por la curva del ciclo (en el diagrama pV). El fluido de trabajo en un ciclo de Rankine sigue un ciclo cerrado y se reutiliza constantemente.

Como se puede ver, es conveniente utilizar la entalpía y la primera ley en términos de entalpía en el análisis de este ciclo termodinámico. Esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Ciclo de Rankine – pV, diagrama Ts

El ciclo de Rankine a menudo se representa en un diagrama de volumen de presión (diagrama pV ) y en un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ).

Cuando se trazan en un diagrama de volumen de presión , los procesos isobáricos siguen las líneas isobáricas para el gas (las líneas horizontales), los procesos adiabáticos se mueven entre estas líneas horizontales y el área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante uno ciclo.

El diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts) en el que el estado termodinámico se especifica mediante un punto en un gráfico con entropía específica (s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical. Los diagramas Ts son una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.

Teoría del ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine lleva su nombre y describe el rendimiento de los sistemas de turbinas de vapor , aunque el principio teórico también se aplica a motores alternativos como las locomotoras de vapor. En general, el ciclo Rankine es un ciclo termodinámico idealizado de un motor térmico de presión constante que convierte parte del calor en trabajo mecánico. En este ciclo, el calor se suministra externamente a un circuito cerrado, que generalmente usa agua (en fase líquida y de vapor) como fluido de trabajo. En contraste con el ciclo de Brayton , el fluido de trabajo en el ciclo de Rankine  experimenta el cambio de fase  de una fase líquida a una de vapor y viceversa.

Si bien muchas sustancias podrían usarse como fluido de trabajo en el ciclo de Rankine (inorgánico o incluso orgánico), el agua suele ser el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, como su química no tóxica y no reactiva, abundancia y bajo costo, así como sus propiedades termodinámicas. Por ejemplo, el agua tiene el calor específico más alto de cualquier sustancia común: 4,19 kJ / kg K. Además, tiene un calor de vaporización muy alto , lo que lo convierte en un refrigerante y medio efectivo en centrales térmicas y otras industrias energéticas. En el caso del ciclo de Rankine, la Ley del Gas Idealcasi no se puede usar (el vapor no sigue pV = nRT), por lo tanto, todos los parámetros importantes de agua y vapor se tabulan en las llamadas ” Tablas de vapor “.

Una de las principales ventajas del ciclo Rankine es que el proceso de compresión en la bomba tiene lugar en un líquido . Al condensar el vapor de trabajo en un líquido (dentro de un condensador), la presión en la salida de la turbina se reduce y la energía requerida por la bomba de alimentación consume solo del 1% al 3% de la potencia de salida de la turbina y estos factores contribuyen a una mayor eficiencia para el ciclo.

En un ciclo ideal de Rankine, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isobáricos:

• 

  Compresión isentrópica (compresión en bombas centrífugas): el condensado líquido se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2 mediante bombas centrífugas (generalmente mediante bombas de condensado y luego mediante bombas de agua de alimentación). El condensado líquido se bombea desde el condensador a la caldera de mayor presión. En este proceso, los alrededores trabajan en el fluido, aumentando su entalpía (h = u + pv) y comprimiéndolo (aumentando su presión). Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _Pumps = H ₂ – H ₁ .

• Adición de calor isobárico (en un intercambiador de calor – caldera): en esta fase (entre el estado 2 y el estado 3) hay una transferencia de calor a presión constante al condensado líquido desde una fuente externa, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde el punto de ebullición (2 → 3a) de ese fluido y luego se evapora en la caldera (3a → 3). El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
• Expansión isentrópica (expansión en una turbina de vapor): el vapor de la caldera se expande adiabáticamente del estado 3 al estado 4 en una turbina de vapor para producir trabajo y luego se descarga al condensador (parcialmente condensado). El vapor funciona en los alrededores (palas de la turbina) y pierde una cantidad de entalpía igual al trabajo que abandona el sistema. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃ . Nuevamente, la entropía permanece sin cambios.
• Rechazo isobárico de calor (en un intercambiador de calor) : en esta fase, el ciclo se completa mediante un proceso de presión constante en el que el calor se rechaza del vapor parcialmente condensado. Hay una transferencia de calor del vapor al agua de enfriamiento que fluye en un circuito de enfriamiento. El vapor se condensa y la temperatura del agua de enfriamiento aumenta. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Durante un ciclo de Rankine, las bombas realizan el trabajo sobre el fluido entre los estados 1 y 2 ( i compresión sentrópica ). El fluido de la turbina realiza el trabajo entre las etapas 3 y 4 ( i expansión sentrópica ). La diferencia entre el trabajo realizado por el fluido y el trabajo realizado sobre el fluido es el trabajo neto producido por el ciclo y corresponde al área encerrada por la curva del ciclo (en el diagrama pV). El fluido de trabajo en un ciclo de Rankine sigue un ciclo cerrado y se reutiliza constantemente.

Como se puede ver, es conveniente utilizar la entalpía y la primera ley en términos de entalpía en el análisis de este ciclo termodinámico. Esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la obra lo 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 . Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir para trabajar 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:

Esta es una fórmula muy útil, pero aquí expresamos la eficiencia térmica utilizando la primera ley en términos de entalpía .

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares 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; 6 MPa ; 275.6 ° C) 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 se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica 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. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Escalas de temperatura

Cuando 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).

Escalas de temperatura

Cuando 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).

Escala Kelvin – Temperatura absoluta

La escala de temperatura Kelvin es la unidad base de medición de temperatura termodinámica en el Sistema Internacional (SI) de medición. La escala Kelvin se determinó en base a la escala Celsius, pero con un punto de partida en cero absoluto . Las temperaturas en la escala Kelvin son 273 grados menos que en la escala Celsius. El kelvin se define como la fracción 1⁄273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. 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 otras palabras, se define de tal manera que el punto triple del agua es exactamente 273.16 K.

Tenga en cuenta que la unidad en la escala absoluta es Kelvins, no grados Kelvin. Fue nombrado en honor a Lord Kelvin, quien tuvo mucho que ver con el desarrollo de la medición de temperatura y la termodinámica.

La escala de temperatura absoluta que corresponde a la escala Celsius se llama escala Kelvin (K), y la escala absoluta que corresponde a la escala Fahrenheit se llama escala Rankine (R). Los puntos cero en ambas escalas absolutas representan el mismo estado físico. Las relaciones entre las escalas de temperatura absoluta y relativa se muestran en las siguientes ecuaciones.

Kelvin – Celsius

K = ° C + 273,15

° C = K – 273,15

Rankine – Fahrenheit

R = ° F + 460

° F = R – 460

Cero absoluto

Tal escala tiene como punto cero . La temperatura teórica más fría se llama cero absoluto , en el cual el movimiento térmico de los átomos y las moléculas alcanza su mínimo. Este es un estado en el que la entalpía y la entropía de un gas ideal enfriado alcanza su valor mínimo, tomado como 0. Clásicamente , este sería un estado de inmovilidad , pero la incertidumbre cuántica dicta que las partículas aún poseen una energía finita de punto cero . El cero absoluto se denota como 0 K en la escala Kelvin, −273.15 ° C en la escala Celsius y −459.67 ° F en la escala Fahrenheit.

Absoluto Cero y Tercera Ley de Termodinámica

La tercera ley de la termodinámica establece:

La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.
Basado en evidencia empírica, esta ley establece que la entropía de una sustancia cristalina pura es cero en el cero absoluto de temperatura, 0 K y que es imposible mediante cualquier proceso, sin importar cuán idealizado esté, reducir la temperatura de un sistema a cero absoluto en un número finito de pasos. Esto nos permite definir un punto cero para la energía térmica de un cuerpo.