Qu’est-ce que le volume – Physique – Définition

Quel est le volume

Le volume est une quantité physique de base . Le volume est une quantité dérivée qui exprime l’ étendue tridimensionnelle d’un objet . Le volume est souvent quantifié numériquement à l’aide de l’unité dérivée du SI, le mètre cube . Par exemple, le volume à l’intérieur d’une sphère (c’est-à-dire le volume d’une balle) est calculé comme étant V = 4 / 3πr ³ , où r est le rayon de la sphère. Autre exemple, le volume d’un cube est égal à côté fois côté fois. Comme chaque côté d’un carré est identique, il peut simplement s’agir de la longueur d’un côté coupé en cubes .

Si une case a un côté de 3 mètres, le volume sera de 3 mètres x 3 mètres x 3 mètres, soit 27 mètres cubes.

Quel est le volume spécifique

Le volume spécifique est une variable intensive , alors que le volume est une variable extensive. L’unité standard pour le volume spécifique dans le système SI est le mètre cube par kilogramme (m ³ / kg). L’unité standard dans le système anglais est la masse en pieds cubes par livre (ft ³ / lbm).

La densité (ρ) d’une substance est l’inverse de son volume spécifique (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

La densité est définie comme la masse par unité de volume . C’est également une propriété intensive , qui est mathématiquement définie comme la masse divisée par le volume:

ρ = m / V

Volume d’un atome et d’un noyau

L’atome est constitué d’un noyau petit mais massif entouré d’un nuage d’ électrons se déplaçant rapidement . Le noyau est composé de protons et de neutrons . Les rayons nucléaires typiques sont de l’ordre de 10 à ¹⁴ m. En supposant une forme sphérique, les rayons nucléaires peuvent être calculés selon la formule suivante:

r = r ₀ . A ^1/3

où r ₀ = 1,2 x ^10-15 m = 1,2 fm

Si nous utilisons cette approximation, nous nous attendons donc à ce que le volume du noyau soit de l’ordre de 4 / 3πr ³ ou 7,23 × 10 ^-45 m ³ pour les noyaux d’hydrogène ou 1721 × 10 ^-45 m ³ pour les noyaux ²³⁸ U. Ce sont des volumes de noyaux et de noyaux atomiques (protons et neutrons) contenant environ 99,95% de la masse de l’atome.

Un atome est-il un espace vide?

Le volume d’un atome est supérieur d’ environ 15 ordres de grandeur au volume d’un noyau. Pour l’atome d’uranium , le rayon de Van der Waals est d’environ 186 pm = 1,86 × 10 ^-10 m . Le rayon de Van der Waals, r _w , d’un atome est le rayon d’une sphère dure imaginaire représentant la distance d’approche la plus proche pour un autre atome. En supposant une forme sphérique, l’atome d’uranium a un volume d’environ   26,9 × 10 ^-30 m ³ . Mais cet espace «immense» est principalement occupé par des électrons, car le noyau n’occupe qu’environ 1721 × 10 ⁻⁴⁵ m ³ de l’espace. Ces électrons ne pèsent ensemble qu’une fraction (disons 0,05%) de l’atome entier.

Il peut sembler que l’espace et en fait la matière est vide , mais ce n’est pas le cas . En raison de la nature quantique des électrons , les électrons ne sont pas des particules ponctuelles, ils sont étalés sur tout l’atome. La description classique ne peut pas être utilisée pour décrire des choses à l’échelle atomique. À l’échelle atomique, les physiciens ont découvert que la mécanique quantique décrit très bien les choses à cette échelle. Les emplacements des particules en mécanique quantique ne sont pas à une position exacte, ils sont décrits par une fonction de densité de probabilité . Par conséquent, l’espace dans un atome (entre les électrons et un noyau atomique) n’est pas vide, mais il est rempli par une fonction de densité de probabilité des électrons (généralement appelée « nuage d’électrons »).

Volume de liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur

Dans les réacteurs à eau sous pression (REP) modernes et typiques , le système de refroidissement du réacteur (RCS), illustré sur la figure, se compose de:

• la cuve du réacteur , qui contient le combustible nucléaire
• quatre boucles de transfert de chaleur parallèles reliées à une cuve de réacteur.
• chaque boucle contient une pompe de refroidissement principale et un générateur de vapeur .
• le système comprend un pressuriseur et ses systèmes auxiliaires

Tous les composants RCS sont situés à l’intérieur du bâtiment de confinement .

En fonctionnement normal, il y a de l’eau liquide comprimée à l’ intérieur de la cuve du réacteur, des boucles et des générateurs de vapeur. La pression est maintenue à environ 16 MPa . À cette pression, l’eau bout à environ 350 ° C (662 ° F). La température d’entrée de l’eau est d’environ 290 ° C (554 ° F). L’eau (liquide de refroidissement) est chauffée dans le cœur du réacteur à environ 325 ° C (617 ° F) lorsque l’eau s’écoule à travers le cœur. Comme on peut le voir, le réacteur contient environ 25 ° C de liquide de refroidissement sous-refroidi (distance de la saturation).Cette haute pression est maintenue par le pressuriseur , un récipient séparé qui est connecté au circuit primaire (jambe chaude) et partiellement rempli d’ eau (partiellement avec de la vapeur saturée ) qui est chauffée à la température de saturation (point d’ébullition) pour la pression souhaitée par radiateurs électriques immergés . La température dans le pressuriseur peut être maintenue à 350 ° C. Dans des conditions normales, environ 60% du volume du pressuriseur occupe l’ eau comprimée et environ 40% du volume occupe la vapeur saturée .

Les volumes de PWR typiques sont dans le tableau suivant.

Il s’agit d’un exemple illustratif, les données suivantes ne correspondent à aucune conception de réacteur.

Il faut noter que le volume de liquide de refroidissement change de manière significative avec la température du liquide de refroidissement. La masse totale du liquide de refroidissement reste toujours la même, un changement de volume d’eau n’est pas un changement de stock d’eau. Le volume de liquide de refroidissement du réacteur change avec la température en raison des changements de densité . La plupart des substances se dilatent lorsqu’elles sont chauffées et se contractent lorsqu’elles sont refroidies . Cependant, la quantité d’expansion ou de contraction varie selon le matériau. Ce phénomène est connu sous le nom de dilatation thermique . Le changement de volume d’un matériau qui subit un changement de température est donné par la relation suivante:

où ∆T est le changement de température, V est le volume d’origine, ∆V est le changement de volume et α _V est le coefficient de dilatation du volume .

Le coefficient de dilatation thermique volumétrique pour l’eau n’est pas constant sur la plage de température et augmente avec la température (en particulier à 300 ° C ), donc le changement de densité n’est pas linéaire avec la température (comme indiqué sur la figure).

Voir aussi: Tables Steam

Dans des conditions normales, le volume total de liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur est presque constant. D’un autre côté, dans des conditions de charge transitoire, le volume peut changer considérablement . Ces changements se reflètent naturellement dans un changement du niveau d’eau du pressuriseur. Lorsque la température moyenne du liquide de refroidissement du réacteur baisse progressivement, le volume total d’eau diminue également, ce qui abaisse le niveau du pressuriseur. Lors d’une reprise progressive de la charge, l’augmentation de la température moyenne du liquide de refroidissement du réacteur provoque une augmentation du volume total d’eau, ce qui augmente le niveau du pressuriseur. Ces effets doivent être contrôlés par le système de contrôle du niveau du pressuriseur.

Volume de contrôle – Analyse du volume de contrôle

Un volume de contrôle est une région fixe de l’espace choisie pour l’étude thermodynamique des bilans de masse et d’énergie pour les systèmes à écoulement. La limite du volume de contrôle peut être une enveloppe réelle ou imaginaire . La surface de contrôle est la limite du volume de contrôle.

Une analyse de volume de contrôle peut être utilisée par exemple pour déterminer le taux de changement de momentum pour un fluide. Dans cette analyse, nous considérerons un streamtube ( volume de contrôle ) comme nous l’avons fait pour l’ équation de Bernoulli . Dans ce volume de contrôle, tout changement de la quantité de mouvement du fluide dans un volume de contrôle est dû à l’action de forces externes sur le fluide dans le volume.

Voir aussi: Formule Momentum

Comme le montre l’image, la méthode du volume de contrôle peut être utilisée pour analyser la loi de conservation de la quantité de mouvement dans le fluide. Le volume de contrôle est une surface imaginaire renfermant un volume intéressant. Le volume de contrôle peut être fixe ou mobile, et il peut être rigide ou déformable. Afin de déterminer toutes les forces agissant sur les surfaces du volume de contrôle, nous devons résoudre les lois de conservation dans ce volume de contrôle.

Choix d’un volume de contrôle

Un volume de contrôle peut être sélectionné comme n’importe quel volume arbitraire à travers lequel le fluide s’écoule. Ce volume peut être statique, mobile et même déformé pendant l’écoulement. Afin de résoudre tout problème, nous devons résoudre les lois de conservation de base dans ce volume. Il est très important de connaître toutes les vitesses d’écoulement relatives à la surface de contrôle et il est donc très important de définir exactement les limites du volume de contrôle lors d’une analyse.

Exemple: jet d’eau frappant une plaque fixe

Une plaque fixe  (par exemple, la lame d’un moulin à eau) est utilisée pour dévier le débit d’eau à une vitesse de  1 m / s  et à un angle de  90 ° . Il se produit à la pression atmosphérique et le débit massique est égal à  Q = 1 m ³ / s .

1. Calculez la force de pression.
2. Calculez la force corporelle.
3. Calculez la force totale.
4. Calculez la force résultante.

Solution

1. La  force de pression  est nulle car la pression à l’entrée et à la sortie du volume de contrôle est atmosphérique.
2. Comme le volume de contrôle est petit, nous pouvons ignorer la  force corporelle  due au poids de la gravité.
3. F _x  = ρ.Q. (w _1x  – w _2x ) = 1000. 1 . (1 – 0) =  1000 N
   F _y  =  0
   F  =  (1000, 0)
4. La  force résultante  sur le plan est de la même amplitude mais dans le sens opposé à la force totale  F  (le frottement et le poids sont négligés).

Le jet d’eau exerce sur la plaque la force de 1000 N dans la direction x.