¿Qué es la propiedad termodinámica? Definición

Propiedades termodinámicas.

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

En general, 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 . Por ejemplo, las siguientes propiedades son extensas:
  • Entalpía
  • Entropía
  • Energía libre de Gibbs
  • Capacidad calorífica
  • Energía interna
  • Masa
  • Volumen

• 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, las siguientes propiedades son extensas:
  • Compresibilidad
  • Densidad
  • Entalpía Específica
  • Entropía Específica
  • Capacidad calorífica específica
  • Presión
  • Temperatura
  • Conductividad térmica
  • Expansión térmica
  • Calidad de vapor
  • Volumen específico

Propiedades específicas

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

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

Masa contra peso

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

¿Qué es el volumen?

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

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

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

¿Qué es la densidad?

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

ρ = m / V

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

ρ = m / V = ​​1 / ρ

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

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

Densidad de materia nuclear

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

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

r = r ₀ . A ^1/3

donde r ₀ = 1.2 x ^10-15 m = 1.2 fm

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

r = r ₀ . A ^1/3 = 7.44 fm.

Suponiendo que sea esférico, su volumen será:

V = 4πr ³ /3 = 1,73 x 10 ^-42 m ³ .

La definición habitual de densidad nuclear da por su densidad:

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

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

¿Qué es la presión?

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

p = F / A

dónde

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

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

• 1 Pascal = 1 N / m ²

Escalas de presión – Unidades de presión

Pascal – Unidad de presión

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

• 1 pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

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

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

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

• 1 atm = 101.33 kPa

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

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

• 1 a = 98.67 kPa

Ver también: libra por pulgada cuadrada – psi

Ver también: barra – Unidad de presión

Ver también: presiones típicas en ingeniería

Presión absoluta versus presión manométrica

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

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

p _gauge = p _absoluto – p _{absoluto; Cajero automático}

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

p _vacío = p _{absoluto; cajero automático} – p _absoluto

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

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

Presiones típicas en ingeniería – Ejemplos

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

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

¿Qué es la temperatura?

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

Equilibrio termal

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

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

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

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

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

Escalas de temperatura

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).