Qué es Volumen – Física – Definición

¿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.