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O que é propriedade essencial da água – Definição

a água é uma substância notável com muitas propriedades surpreendentes. A água é um meio comum também na engenharia nuclear, porque as propriedades da água são muito conhecidas. Engenharia Térmica

Água


propriedades da águaA água
 é uma substância transparente e quase incolor composta pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio , que são conectados por ligações covalentes . Na Terra, a água existe nos estados gasoso ( vapor ou vapor d’água ), líquido e sólido (gelo). É um dos compostos mais abundantes e essenciais e é o principal constituinte dos córregos, lagos e oceanos da Terra e os fluidos da maioria dos organismos vivos. É vital para todas as formas de vida conhecidas.

Além de essencial à vida, a água é uma substância notável com muitas propriedades surpreendentes.

  • É o único composto químico que ocorre naturalmente em todos os três estados físicos – estados gasoso (vapor ou vapor de água), líquido e sólido (gelo).
  • É o único líquido inorgânico que ocorre naturalmente na Terra.
  • A água também difere da maioria dos líquidos, pois se torna menos densa à medida que congela . Tem uma densidade máxima de 3,98 ° C (1000 kg / m 3 ), enquanto a densidade do gelo é de 917 kg / m 3 . Difere em cerca de 9% e, portanto, o gelo flutua na água líquida
  • A água tem o calor específico mais alto de qualquer substância comum – 4,19 kJ / kg K.
  • Possui um calor de vaporização muito alto, o que o torna um fluido de arrefecimento eficaz e médio em usinas termelétricas e outras indústrias de energia.

Usos da água na engenharia nuclear

Água como fluido de refrigeração do reator


Água e vapor
 são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de calor, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Água como moderador

O moderador de nêutrons , que é importante em reatores térmicos , é usado para moderar, ou seja, desacelerar os nêutrons da fissão para as energias térmicas . Núcleos com baixo número de massa são mais eficazes para essa finalidade, portanto, o moderador é sempre um material com baixo número de massa. Os moderadores comumente usados ​​incluem água (leve) comum (aproximadamente 75% dos reatores do mundo), grafite sólida (20% dos reatores) e água pesada (5% dos reatores).

Na maioria dos reatores nucleares , a água é um refrigerante e um moderador . A moderação ocorre especialmente nos núcleos de hidrogênio. No caso do hidrogênio (A = 1) como núcleo alvo, o nêutron incidente pode ser completamente interrompido – possui o maior decréscimo médio de energia logarítmica médio de todos os núcleos. Por outro lado, os núcleos de hidrogênio têm seção transversal de absorção relativamente maior , portanto a água não é o melhor moderador de acordo com a razão moderadora .

Moderadores de nêutrons - Parâmetros

Água como blindagem de nêutrons

Blindagem da radiação de nêutrons
Água como escudo de nêutrons

A água devido ao alto teor de hidrogênio e à disponibilidade é uma proteção efetiva e comum aos nêutrons . No entanto, devido ao baixo número atômico de hidrogênio e oxigênio, a água não é um escudo aceitável contra os raios gama. Por outro lado, em alguns casos, essa desvantagem (baixa densidade) pode ser compensada pela alta espessura da proteção da água. No caso de nêutrons, a água modera perfeitamente os nêutrons, mas com a absorção de nêutrons pelos raios gama secundários do núcleo de hidrogênio com alta energia são produzidos. Esses raios gama penetram muito na matéria e, portanto, podem aumentar os requisitos de espessura da proteção da água. Adicionando um  ácido bórico pode ajudar com esse problema (absorção de nêutrons nos núcleos de boro sem forte emissão gama), mas resulta em outros problemas com a corrosão dos materiais de construção.

Veja também: Blindagem de nêutrons

Água como proteção contra radiação gama

Em resumo, a blindagem eficaz da radiação gama baseia-se na maioria dos casos no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

  • alta densidade de material.
  • alto número atômico de material (materiais com alto Z)
Tabela de camadas de meio valor (em cm)
Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Embora a água não seja de alta densidade nem de alto material Z , ela é comumente usada como escudos gama. A água fornece uma proteção contra radiação dos conjuntos de combustível em um pool de combustível irradiado durante o armazenamento ou durante o transporte de e para o núcleo do reator . Embora a água seja um material de baixa densidade e baixo Z, é comumente usada em usinas nucleares, porque essas desvantagens podem ser compensadas com o aumento da espessura.

Camada de metade do valor da água

A camada de metade do valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois .

Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é propriedade termodinâmica – definição

Propriedades termodinâmicas. Em termodinâmica, engenharia e na vida cotidiana – o conhecimento das propriedades termodinâmicas é fundamental para entender os problemas termodinâmicos. Engenharia Térmica

Propriedades termodinâmicas

Na termodinâmica, uma propriedade física é qualquer propriedade mensurável e cujo valor descreve o estado de um sistema físico. Nosso objetivo aqui será o de introduzir propriedades termodinâmicas, usadas na engenharia termodinâmica . Essas propriedades serão aplicadas posteriormente a sistemas de energia e, finalmente, a usinas térmicas ou  nucleares .

Propriedades termodinâmicas extensas vs. intensivas
Propriedades extensivas e intensivas do meio no pressurizador.

Em geral, as propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais:

Propriedades Específicas

Propriedades específicas do material são derivadas de outras propriedades intensivas e extensivas desse material. Por exemplo, a densidade da água é uma propriedade intensiva e pode ser derivada de medições da massa de um volume de água (uma propriedade extensa) dividido pelo volume (outra propriedade extensa). Também aquecer capacidade , que é uma extensa propriedade de um sistema pode ser derivada a partir de capacidade de calor , p , e a massa do sistema. Dividindo estas propriedades extensivas dá a capacidade de calor específico , p , que é uma propriedade intensiva .

Propriedades específicas são frequentemente usadas em tabelas de referência como um meio de registrar dados de material de maneira independente do tamanho ou da massa. Eles são muito úteis para fazer comparações sobre um atributo e cancelar o efeito de variações em outro atributo.

Propriedades específicas - termodinâmica
Tabela de algumas propriedades específicas

Massa vs. Peso

Uma das forças mais familiares é o peso de um corpo, que é a força gravitacional que a Terra exerce sobre o corpo. Em geral, a gravitação é um fenômeno natural pelo qual todas as coisas com massa são trazidas uma para a outra. Os termos massa e peso são frequentemente confundidos entre si, mas é importante distinguir entre eles . É absolutamente essencial entender claramente as distinções entre essas duas quantidades físicas.

O que é volume

o que é volume - físicaVolume é uma quantidade física básica . O volume é uma quantidade derivada e expressa a extensão tridimensional de um objeto . O volume é frequentemente quantificado numericamente usando a unidade derivada do SI, o metro cúbico . Por exemplo, o volume dentro de uma esfera (que é o volume de uma bola) é derivado como V = 4 / 3πr 3 , em que r é o raio da esfera. Como outro exemplo, o volume de um cubo é igual a lado vezes lado vezes lado. Como cada lado de um quadrado é o mesmo, ele pode simplesmente ter o comprimento de um lado em cubo .

Se um quadrado tem um lado de 3 metros, o volume seria 3 metros vezes 3 metros vezes 3 metros, ou 27 metros cúbicos.

Veja também: Volume de líquido de refrigeração no sistema de líquido de refrigeração do reator

O que é densidade

Densidade - Gás - Líquido - Sólido
Densidades típicas de várias substâncias à pressão atmosférica.

Densidade é definida como a massa por unidade de volume . É uma propriedade intensiva , matematicamente definida como massa dividida por volume:

ρ = m / V

Por palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é em quilogramas por metro cúbico ( kg / m 3 ). A unidade de inglês padrão é a libra-massa por pé cúbico ( lbm / ft 3 ). A densidade (ρ) de uma substância é recíproca do seu volume específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

O volume específico é uma variável intensiva , enquanto o volume é uma variável extensa. A unidade padrão para volume específico no sistema SI é de metros cúbicos por quilograma (m 3 / kg). A unidade padrão no sistema inglês é de pés cúbicos por libra-peso (pés 3 / lbm).

Densidade da matéria nuclear

Densidade nuclear é a densidade do núcleo de um átomo. É a razão de massa por unidade de volume dentro do núcleo. Como o núcleo atômico carrega a maior parte da massa do átomo e o núcleo atômico é muito pequeno em comparação com o átomo inteiro, a densidade nuclear é muito alta.

A densidade nuclear de um núcleo típico pode ser calculada aproximadamente a partir do tamanho do núcleo e de sua massa. Os raios nucleares típicos são da ordem de 10 a 14 m . Assumindo a forma esférica, os raios nucleares podem ser calculados de acordo com a seguinte fórmula:

r = r 0 . A 1/3

onde r 0 = 1,2 x 10 -15 m = 1,2 fm

Por exemplo, o urânio natural consiste principalmente no isótopo 238 U (99,28%), portanto, a massa atômica do elemento urânio está próxima da massa atômica do isótopo 238 U (238,03u). O raio deste núcleo será:

r = r 0 . A 1/3 = 7,44 fm.

Supondo que seja esférico, seu volume será:

V = 4πr 3 /3 = 1,73 x 10 -42 m 3 .

A definição usual de densidade nuclear fornece sua densidade:

ρ núcleo = m / V = 238 x 1,66 x 10 -27 / (1,73 x 10 -42 ) = 2,3 x 10 17 de kg / m 3 .

Assim, a densidade do material nuclear é mais de 2,10 14 vezes maior que a da água. É uma densidade imensa. O termo descritivo densidade nuclear também é aplicado a situações em que densidades similares ocorrem, como dentro de estrelas de nêutrons. Tais densidades imensas também são encontradas nas estrelas de nêutrons.

O que é pressão

manômetro-pressão-medidaPressão é uma medida da força exercida por unidade de área nos limites de uma substância. A unidade padrão de pressão no sistema SI é o Newton por metro quadrado ou pascal (Pa) . Matematicamente:

p = F / A

Onde

  • p é a pressão
  • F é a força normal
  • A é a área do limite

Pascal é definido como a força de 1N exercida na área da unidade.

  • 1 Pascal = 1 N / m 2
No entanto, para a maioria dos problemas de engenharia, é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa , a barra e o MPa .

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

Em geral, a pressão ou a força exercida por unidade de área nos limites de uma substância é causada pelas colisões das moléculas da substância com os limites do sistema. Quando as moléculas atingem as paredes, elas exercem forças que tentam empurrar as paredes para fora. As forças resultantes de todas essas colisões causam a pressão exercida por um sistema em seu entorno. A pressão como variável intensiva é constante em um sistema fechado. Realmente só é relevante em sistemas líquidos ou gasosos.

O que é pressão[snippet xyz-ihs = ”pressão”]

Balanças de pressão – Unidades de pressão

Pascal – Unidade de Pressão

Como foi discutido, a unidade SI de pressão e estresse é o pascal .

  • 1 pascal 1 N / m 2 = 1 kg / (ms 2 )

Pascal é definido como um newton por metro quadrado. No entanto, para a maioria dos problemas de engenharia, é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa , a barra e o MPa .

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

A unidade de medida denominada atmosfera padrão ( atm ) é definida como:

  • 1 atm = 101,33 kPa

A atmosfera padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. Observe que há uma diferença entre a atmosfera padrão (atm) e a atmosfera técnica (em).

Uma atmosfera técnica é uma unidade de pressão não SI igual a um quilograma-força por centímetro quadrado.

  • 1 a = 98,67 kPa

Tabela - Conversão entre unidades de pressão - pascal, bar, psi, atmosfera

Veja também: Libra por polegada quadrada – psi

Veja também: Bar – Unidade de pressão

Vide também: Pressões típicas em engenharia

Pressão absoluta vs. pressão manométrica

pressão absoluta versus manômetroA pressão como discutido acima é chamada pressão absoluta . Frequentemente, será importante distinguir entre pressão absoluta e pressão manométrica . Neste artigo, o termo pressão refere-se à pressão absoluta, a menos que seja explicitamente indicado o contrário. Porém, na engenharia, geralmente lidamos com pressões medidas por alguns dispositivos. Embora pressões absolutas devam ser usadas em relações termodinâmicas, os dispositivos de medição de pressão geralmente indicam a diferença entre a pressão absoluta em um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente fora do dispositivo de medição. Eles medem a pressão do manômetro .

  • Pressão absoluta. Quando a pressão é medida em relação a um vácuo perfeito, é chamada pressão absoluta (psia). Libras por polegada quadrada absoluta (psia) são usadas para deixar claro que a pressão é relativa ao vácuo e não à pressão atmosférica ambiente. Como a pressão atmosférica ao nível do mar é de cerca de 101,3 kPa (14,7 psi), isso será adicionado a qualquer leitura de pressão feita no ar ao nível do mar.
  • Pressão manométrica. Quando a pressão é medida em relação à pressão atmosférica (14,7 psi), é chamada pressão manométrica (psig). O termo pressão manométrica é aplicado quando a pressão no sistema é maior que a pressão atmosférica local, p atm . A última escala de pressão foi desenvolvida porque quase todos os manômetros registram zero quando abertos para a atmosfera. As pressões do manômetro são positivas se estiverem acima da pressão atmosférica e negativas se estiverem abaixo da pressão atmosférica.

gauge = p absoluto – p absoluto; atm

  • Pressão atmosférica. Pressão atmosférica é a pressão no ar circundante na – ou “próximo” da – superfície da terra. A pressão atmosférica varia com a temperatura e a altitude acima do nível do mar. A pressão atmosférica padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. A pressão atmosférica padrão é definida ao nível do mar a 273 o K (0 o C) e é:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • Pressão negativa do manômetro – Pressão de vácuo. Quando a pressão atmosférica local é maior que a pressão no sistema, o termo pressão de vácuo é usado. Um vácuo perfeito corresponderia à pressão zero absoluta. Certamente é possível ter uma pressão manométrica negativa, mas não é possível ter uma pressão absoluta negativa. Por exemplo, uma pressão absoluta de 80 kPa pode ser descrita como uma pressão manométrica de -21 kPa (ou seja, 21 kPa abaixo de uma pressão atmosférica de 101 kPa).

vácuo = p absoluto; atm – p absoluto

Por exemplo, um pneu de carro bombeado até 2,5 atm (36,75 psig) acima da pressão atmosférica local (digamos 1 atm ou 14,7 psia localmente), terá uma pressão absoluta de 2,5 + 1 = 3,5 atm (36,75 + 14,7 = 51,45 psia ou 36,75 psig).

Por outro lado, as turbinas a vapor de condensação  (em usinas nucleares ) descarregam o vapor a uma pressão bem abaixo da atmosférica (por exemplo, a 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) e em um estado parcialmente condensado. Em unidades relativas, é uma pressão manométrica negativa de cerca de – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.

Pressões típicas em engenharia – Exemplos

pascal (Pa) como uma unidade de medida de pressão é amplamente utilizado em todo o mundo e substituiu amplamente a unidade de libras por polegada quadrada (psi) , exceto em alguns países que ainda usam o sistema de medição imperial, incluindo os Estados Unidos. Para a maioria dos problemas de engenharia, o pascal (Pa) é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa, o MPa ou a barra. A lista a seguir resume alguns exemplos:

  • Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Essas turbinas descarregam vapor a uma pressão bem abaixo da atmosférica (por exemplo, 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) e em um estado parcialmente condensado. Em unidades relativas, é uma pressão manométrica negativa de cerca de – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.
  • pressão atmosférica padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. A pressão atmosférica padrão é definida ao nível do mar a 273 o K (0 o C) e é:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • A sobrepressão de pneus de carro é de cerca de 2,5 bar, 0,25 MPa ou 36 psig.
  • Caldeira de tubos de incêndio para locomotivas a vapor: 150–250 psig
  • Um estágio de alta pressão da turbina a vapor de condensação na usina nuclear opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa (60 bar ou 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
  • Um reator de água fervente é resfriado e moderado por água como um PWR, mas a uma pressão mais baixa (por exemplo, 7MPa, 70 bar ou 1015 psig), que permite que a água ferva dentro do vaso de pressão produzindo o vapor que aciona as turbinas.
  • Os reatores de água pressurizada são resfriados e moderados por água líquida de alta pressão (por exemplo, 16MPa, 160 bar ou 2320 psig). A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), o que fornece margem de sub-resfriamento de cerca de 25 ° C.
  • reator de água supercrítico (SCWR) é operado a pressão supercrítica . O termo supercrítico neste contexto refere-se ao ponto crítico termodinâmico da água (T CR = 374 ° C; p CR = 22,1 MPa)
  • Injeção direta de combustível em trilho comum: em motores a diesel, ele possui um trilho de combustível de alta pressão (acima de 1 000 bar ou 100 MPa ou 14500 psi).

O que é temperatura

Na física e na vida cotidiana, a temperatura é uma medida comparativa objetiva de quente ou frio, com base em nosso senso de toque. Um corpo que sente calor geralmente tem uma temperatura mais alta do que um corpo semelhante que sente frio. Mas essa definição não é uma questão simples. Por exemplo, uma barra de metal se sente mais fria que uma barra de plástico à temperatura ambiente, simplesmente porque os metais geralmente são melhores em conduzir o calor para longe da pele, assim como os plásticos. Simplesmente a quente pode ser representada abstratamente e, portanto, é necessário ter uma maneira objetiva de medir a temperatura. É uma das propriedades termodinâmicas básicas.

Equilíbrio térmico

Lei zero da termodinâmica
Lei zero da termodinâmica: se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estão em equilíbrio térmico entre si.

Um conceito particularmente importante é o equilíbrio termodinâmico . Em geral, quando dois objetos são colocados em contato térmico , o calor flui entre eles até que entrem em equilíbrio um com o outro. Quando existe uma diferença de temperatura , o calor flui espontaneamente do sistema mais quente para o sistema mais frio . A transferência de calor ocorre por condução ou por radiação térmica . Quando o fluxo de calor para , diz-se que está na mesma temperatura . Dizem que eles estão em equilíbrio térmico .

Por exemplo, você deixa um termômetro em uma xícara de café. À medida que os dois objetos interagem, o termômetro fica mais quente e o café esfria um pouco até que cheguem ao equilíbrio térmico . Dois objetos são definidos para estar em equilíbrio térmico se, quando colocados em contato térmico, nenhuma energia líquida flui de um para o outro e suas temperaturas não mudam . Podemos postular:

Quando os dois objetos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais.

Este é um assunto de uma lei que é chamada de “lei zero da termodinâmica”.

A temperatura é uma característica muito importante da matéria. Muitas propriedades da matéria mudam com a temperatura . O comprimento de uma haste de metal, a pressão do vapor em uma caldeira, a capacidade de um fio de conduzir uma corrente elétrica e a cor de um objeto brilhante muito quente. Tudo isso depende da temperatura .Por exemplo, a maioria dos materiais se expande quando a temperatura aumenta. Essa propriedade é muito importante em toda a ciência e engenharia, mesmo em engenharia nuclear . A eficiência termodinâmica das usinas de energia muda com a temperatura do vapor de entrada ou mesmo com a temperatura externa. Em temperaturas mais altas, sólidos como aço brilham em laranja ou até branco, dependendo da temperatura. A luz branca de uma lâmpada incandescente comum vem de um fio de tungstênio extremamente quente. Pode-se observar que a temperatura é uma das características fundamentais que descreve a matéria e influencia o comportamento da matéria.

Balanças de temperatura

Conversão de temperatura - Fahrenheit - CelsiusAo usar um termômetro, precisamos marcar uma escala na parede do tubo com números. Temos que definir uma escala de temperatura . Uma escala de temperatura é uma maneira de medir a temperatura em relação a um ponto inicial (0 ou zero) e uma unidade de medida .

Esses números são arbitrários e, historicamente, muitos esquemas diferentes têm sido usados. Por exemplo, isso foi feito definindo algumas ocorrências físicas em determinadas temperaturas – como os pontos de congelamento e ebulição da água  – e definindo-as como 0 e 100, respectivamente.

Existem várias escalas e unidades para medir a temperatura. Os mais comuns são:

  • Celsius (indicado em ° C),
  • Fahrenheit (indicado como F),
  • Kelvin (denotado K; especialmente na ciência).

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é líquido saturado e sub-resfriado – Definição

A água à temperatura e pressão de saturação com x = 0 é um líquido saturado. Em temperaturas mais baixas, é chamado de líquido sub-resfriado ou líquido comprimido. Engenharia Térmica

Líquido saturado e sub-resfriado

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Como pode ser visto no diagrama de fases da água, nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura sozinha definirá a pressão e a pressão especificada definirá a temperatura.

  • A curva de vapor de saturação é a curva que separa o estado de duas fases e o estado de vapor superaquecido no diagrama Ts.
  • curva líquida saturada é a curva que separa o estado líquido sub – resfriado e o estado de duas fases no diagrama Ts.

Se uma água existe como líquido na temperatura e pressão de saturação com qualidade de x = 0 , isso é chamado de estado líquido saturado (monofásico). Se a temperatura do líquido for mais baixa que a temperatura de saturação da pressão existente, isso será chamado de líquido sub – resfriado ou líquido comprimido . O termo sub-resfriamento refere-se a um líquido existente a uma temperatura abaixo do seu ponto de ebulição normal. Por exemplo, a água normalmente ferve a 100 ° C (à pressão atmosférica); à temperatura ambiente de 20 ° C, a água é denominada “sub-resfriada”. Analogamente, o sub-resfriamento é definido também na engenharia nuclear, mas para outro propósito.

Por exemplo, a temperatura no pressurizador pode ser mantida em 350 ° C (662 ° F), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator) de 30 ° C. A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição no núcleo do reator deve ser excluída.

 

Qualidade de Vapor – Fração de Secura

sub-resfriado-líquido-minComo pode ser visto no diagrama de fases da água , nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura por si só definirá a pressão e a especificação da pressão definirá a temperatura. Mas esses parâmetros não definirão o volume e a entalpia, pois precisaremos conhecer a proporção relativa das duas fases presentes.

fração de massa do vapor em uma região de vapor líquido de duas fases é chamada qualidade do vapor (ou fração de secura), x , e é dada pela seguinte fórmula:

qualidade de vapor

O valor da qualidade varia de zero a unidade . Embora definida como uma proporção, a qualidade é frequentemente fornecida como uma porcentagem. Deste ponto de vista, distinguimos entre três tipos básicos de vapor. Deve ser adicionado, em x = 0, estamos falando de estado líquido saturado (monofásico).

  • Vapor Molhado
  • Vapor seco
  • Vapor superaquecido

Esta classificação de vapor tem sua limitação. Considere o comportamento do sistema que é aquecido à pressão, que é maior que a pressão crítica . Nesse caso, não haveria alteração na fase do líquido para o vapor. Em todos os estados, haveria apenas uma fase. A vaporização e a condensação podem ocorrer apenas quando a pressão é menor que a pressão crítica. Os termos líquido e vapor tendem a perder seu significado.

Veja também: Saturação

Propriedades do Steam – Tabelas Steam

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de aquecimento, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

 

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é vapor superaquecido – definição

Vapor superaquecido é um vapor a uma temperatura superior ao seu ponto de ebulição à pressão absoluta. As propriedades do vapor seco são tabuladas em tabelas de vapor. Engenharia Térmica

Vapor superaquecido

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Como pode ser visto no diagrama de fases da água, nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura sozinha definirá a pressão e a pressão especificada definirá a temperatura.

  • A curva de vapor de saturação é a curva que separa o estado de duas fases e o estado de vapor superaquecido no diagrama Ts.
  • A curva líquida saturada é a curva que separa o estado líquido sub-resfriado e o estado de duas fases no diagrama Ts.

Se um vapor existe inteiramente como vapor na temperatura de saturação, é chamado vapor saturado ou vapor saturado ou vapor seco . O vapor saturado seco é caracterizado pela qualidade do vapor, que é igual à unidade. Vapor superaquecido ou vapor superaquecido é um vapor a uma temperatura superior ao seu ponto de ebulição à pressão absoluta em que a temperatura é medida. A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, pois a temperatura pode aumentar enquanto a pressão permanece constante. Na verdade, as substâncias que chamamos de gases são vapores superaquecidos.

termodinâmica de engenharia
Ciclo de Rankine – Termodinâmica como ciência de conversão de energia

O processo de superaquecimento do vapor de água no diagrama Ts é fornecido na figura entre o estado E e a curva de vapor de saturação. Como pode ser visto, as turbinas a vapor úmidas usam vapor superaquecido, especialmente na entrada dos estágios de baixa pressão. Para avaliar a eficiência térmica do ciclo, a entalpia deve ser obtida nas tabelas de vapor superaquecido .

O processo de superaquecimento é a única maneira de aumentar a temperatura de pico do ciclo Rankine (e aumentar a eficiência) sem aumentar a pressão da caldeira. Isso requer a adição de outro tipo de trocador de calor chamado superaquecedor , que produz o vapor superaquecido .

No superaquecedor, o aquecimento adicional a pressão fixa resulta em aumentos de temperatura e volume específico. O processo de superaquecimento no diagrama Ts é fornecido na figura entre o estado E e a curva de vapor de saturação .

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D). O vapor deve ser reaquecido ou superaquecidopara evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O alto conteúdo de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, o que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

 

Qualidade de Vapor – Fração de Secura

superaquecido-vapor-minComo pode ser visto no diagrama de fases da água , nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura por si só definirá a pressão e a especificação da pressão definirá a temperatura. Mas esses parâmetros não definirão o volume e a entalpia, pois precisaremos conhecer a proporção relativa das duas fases presentes.

fração de massa do vapor em uma região de vapor líquido de duas fases é chamada qualidade do vapor (ou fração de secura), x , e é dada pela seguinte fórmula:

qualidade de vapor

O valor da qualidade varia de zero a unidade . Embora definida como uma proporção, a qualidade é frequentemente fornecida como uma porcentagem. Deste ponto de vista, distinguimos entre três tipos básicos de vapor. Deve ser adicionado, em x = 0, estamos falando de estado líquido saturado (monofásico).

Esta classificação de vapor tem sua limitação. Considere o comportamento do sistema que é aquecido à pressão, que é maior que a pressão crítica . Nesse caso, não haveria alteração na fase do líquido para o vapor. Em todos os estados, haveria apenas uma fase. A vaporização e a condensação podem ocorrer apenas quando a pressão é menor que a pressão crítica. Os termos líquido e vapor tendem a perder seu significado.

Veja também: Saturação

Propriedades do Steam – Tabelas Steam

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de aquecimento, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

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O que é vapor seco – Definição

O vapor seco, ou vapor saturado, é caracterizado pela qualidade do vapor, que é igual à unidade. As propriedades do vapor seco são tabuladas nas chamadas tabelas de vapor. Engenharia Térmica

Vapor seco – vapor saturado

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

O vapor seco , ou vapor saturado , é caracterizado pela qualidade do vapor , que é igual à unidade . Quando a qualidade do vapor é igual a 0, é chamado de estado líquido saturado (monofásico). Por outro lado, quando a qualidade do vapor é igual a 1, é chamado estado de vapor saturado ou vapor seco (monofásico). Entre esses dois estados, falamos sobre mistura líquido-vapor ou vapor úmido (mistura bifásica). A pressão constante, uma adição de energia não altera a temperatura da mistura, mas a qualidade do vapor e o volume específico mudam. No caso de secovapor (100% de qualidade), contém 100% do calor latente disponível a essa pressão. A água líquida saturada, que não possui calor latente e, portanto, 0% de qualidade, conterá apenas calor sensível .

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D). O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O aquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

 

Qualidade de Vapor – Fração de Secura

vapor seco-vapor saturado-minComo pode ser visto no diagrama de fases da água , nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura por si só definirá a pressão e a especificação da pressão definirá a temperatura. Mas esses parâmetros não definirão o volume e a entalpia, pois precisaremos conhecer a proporção relativa das duas fases presentes.

fração de massa do vapor em uma região de vapor líquido de duas fases é chamada qualidade do vapor (ou fração de secura), x , e é dada pela seguinte fórmula:

qualidade de vapor

O valor da qualidade varia de zero a unidade . Embora definida como uma proporção, a qualidade é frequentemente fornecida como uma porcentagem. Deste ponto de vista, distinguimos entre três tipos básicos de vapor. Deve ser adicionado, em x = 0, estamos falando de estado líquido saturado (monofásico).

Esta classificação de vapor tem sua limitação. Considere o comportamento do sistema que é aquecido à pressão, que é maior que a pressão crítica . Nesse caso, não haveria alteração na fase do líquido para o vapor. Em todos os estados, haveria apenas uma fase. A vaporização e a condensação podem ocorrer apenas quando a pressão é menor que a pressão crítica. Os termos líquido e vapor tendem a perder seu significado.

Veja também: Saturação

Propriedades do Steam – Tabelas Steam

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de aquecimento, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

Mesas de vapor

Links especiais:
 www.nist.gov – Mesas de vapor – Saturação (temperatura)
 www.nist.gov – Mesas de vapor – Saturação (pressão)
 www.nist.gov – Mesas de vapor – Água comprimida – Vapor superaquecido

 

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O que é vapor úmido – definição

O vapor úmido é caracterizado pela qualidade do vapor, que varia de zero a unidade. As propriedades do vapor úmido são tabuladas nas chamadas tabelas de vapor. Engenharia Térmica

Vapor Molhado

molhado-vapor-vapor-líquido-mistura-minO vapor úmido é caracterizado pela qualidade do vapor , que varia de zero a unidade – intervalo aberto (0,1). Quando a qualidade do vapor é igual a 0, é chamado de estado líquido saturado (monofásico). Por outro lado, quando a qualidade do vapor é igual a 1, é chamado estado de vapor saturado ou vapor seco (monofásico). Entre esses dois estados , falamos sobre mistura líquido-vapor ou vapor úmido (mistura bifásica). A pressão constante, uma adição de energia não altera a temperatura da mistura, mas a qualidade do vapor e o volume específico mudam. No caso de secovapor (100% de qualidade), contém 100% do calor latente disponível a essa pressão. A água líquida saturada, que não possui calor latente e, portanto, 0% de qualidade, conterá apenas calor sensível .

termodinâmica de engenharia
Ciclo de Rankine – Termodinâmica como ciência de conversão de energia

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D). O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O aquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Entalpia específica do vapor úmido

entalpia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor. No caso de vapor úmido , a entalpia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, xe as entalpias específicas da água líquida saturada e do vapor seco:

molhado = h s x + (1 – x) h l

Onde

úmido = entalpia do vapor úmido (J / kg)

s = entalpia do vapor “seco” (J / kg)

l = entalpia de água líquida saturada (J / kg)

Como pode ser visto, o vapor úmido sempre terá menor entalpia do que o vapor seco.

Entropia específica de vapor úmido

Da mesma forma, a entropia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor. No caso de vapor úmido, a entropia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, x, e as entropias específicas de água líquida saturada e vapor seco:

molhado = s s x + (1 – x) s l              

Onde

úmido = entropia de vapor úmido (J / kg K)

s = entropia do vapor “seco” (J / kg K)

l = entropia da água líquida saturada (J / kg K)

Volume específico de vapor úmido

Da mesma forma, o volume específico de água líquida saturada (x = 0) e vapor seco (x = 1) pode ser escolhido nas tabelas de vapor. No caso de vapor úmido, o volume específico real pode ser calculado com a qualidade do vapor, xe os volumes específicos de água líquida saturada e vapor seco:

molhado = v s x + (1 – x) v l              

Onde

úmido = volume específico de vapor úmido (m 3 / kg)

s = volume específico de vapor “seco” (m 3 / kg)

l = volume específico de água líquida saturada (m 3 / kg)

Exemplo:

Um estágio de alta pressão da turbina a vapor opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto C). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 1,15 MPa, 186 ° C ex = 0,87 (ponto D). Calcule a diferença de entalpia entre esses dois estados.

A entalpia para o estado C pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado D deve ser calculada usando a qualidade do vapor:

1, molhado = 2785 kJ / kg

2, molhado = h 2, s x + (1 – x) h 2, l  = 2782. 0,87 + (1 – 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg

Δh = 262 kJ / kg

Qualidade de Vapor – Fração de Secura

molhado-vapor-vapor-líquido-mistura-minComo pode ser visto no diagrama de fases da água , nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura por si só definirá a pressão e a especificação da pressão definirá a temperatura. Mas esses parâmetros não definirão o volume e a entalpia, pois precisaremos conhecer a proporção relativa das duas fases presentes.

fração de massa do vapor em uma região de vapor líquido de duas fases é chamada qualidade do vapor (ou fração de secura), x , e é dada pela seguinte fórmula:

qualidade de vapor

O valor da qualidade varia de zero a unidade . Embora definida como uma proporção, a qualidade é frequentemente fornecida como uma porcentagem. Deste ponto de vista, distinguimos entre três tipos básicos de vapor. Deve ser adicionado, em x = 0, estamos falando de estado líquido saturado (monofásico).

Esta classificação de vapor tem sua limitação. Considere o comportamento do sistema que é aquecido à pressão, que é maior que a pressão crítica . Nesse caso, não haveria alteração na fase do líquido para o vapor. Em todos os estados, haveria apenas uma fase. A vaporização e a condensação podem ocorrer apenas quando a pressão é menor que a pressão crítica. Os termos líquido e vapor tendem a perder seu significado.

Veja também: Saturação

Veja também: Limitação do vapor

Propriedades do Steam – Tabelas Steam

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de aquecimento, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

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O que é vapor supercrítico – Definição

O que é o vapor supercrítico? O vapor supercrítico é na verdade água supercrítica, porque a pressões supercríticas o fluido é considerado uma substância monofásica. Engenharia Térmica

O que é o vapor supercrítico

O “vapor” supercrítico é na verdade água supercrítica , porque a pressões supercríticas o fluido é considerado uma substância monofásica. No entanto, esse termo é amplamente (e incorretamente) utilizado na literatura em relação a geradores e turbinas supercríticas de “vapor”.

Veja também: Água supercrítica

Água supercrítica

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Na pressão, que é  maior que a pressão crítica, a   água está em um estado especial, conhecido como estado de fluido supercrítico . Um fluido supercrítico é um fluido que está sob pressões mais altas que seus valores críticos termodinâmicos. Nas pressões críticas e supercríticas, um fluido é considerado uma substância monofásica, apesar de todas as propriedades termofísicas sofrerem alterações significativas nas regiões críticas e pseudocríticas.

Veja também: Ponto crítico da água

 

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O que é pressão – Física – Definição

O que é pressão. A pressão é uma propriedade intensiva da matéria. A unidade padrão de pressão no sistema SI é o Newton por metro quadrado ou pascal (Pa). Engenharia Térmica

O que é pressão

manômetro-pressão-medidaPressão é uma medida da força exercida por unidade de área nos limites de uma substância. A unidade padrão de pressão no sistema SI é o Newton por metro quadrado ou pascal (Pa) . Matematicamente:

p = F / A

Onde

  • p é a pressão
  • F é a força normal
  • A é a área do limite

Pascal é definido como a força de 1N exercida na área da unidade.

  • 1 Pascal = 1 N / m 2
No entanto, para a maioria dos problemas de engenharia, é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa , a barra e o MPa .

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

Em geral, a pressão ou a força exercida por unidade de área nos limites de uma substância é causada pelas colisões das moléculas da substância com os limites do sistema. Quando as moléculas atingem as paredes, elas exercem forças que tentam empurrar as paredes para fora. As forças resultantes de todas essas colisões causam a pressão exercida por um sistema em seu entorno. A pressão como variável intensiva é constante em um sistema fechado. Realmente só é relevante em sistemas líquidos ou gasosos.

O que é pressão[snippet xyz-ihs = ”pressão”]

Balanças de pressão – Unidades de pressão

Pascal – Unidade de Pressão

Como foi discutido, a unidade SI de pressão e estresse é o pascal .

  • 1 pascal 1 N / m 2 = 1 kg / (ms 2 )

Pascal é definido como um newton por metro quadrado. No entanto, para a maioria dos problemas de engenharia, é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa , a barra e o MPa .

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

A unidade de medida denominada atmosfera padrão ( atm ) é definida como:

  • 1 atm = 101,33 kPa

A atmosfera padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. Observe que há uma diferença entre a atmosfera padrão (atm) e a atmosfera técnica (em).

Uma atmosfera técnica é uma unidade de pressão não SI igual a um quilograma-força por centímetro quadrado.

  • 1 a = 98,67 kPa

Tabela - Conversão entre unidades de pressão - pascal, bar, psi, atmosfera

Libras por polegada quadrada – psi

A unidade padrão no sistema inglês é a libra-força por polegada quadrada (psi) . É a pressão resultante de uma força de uma libra-força aplicada a uma área de uma polegada quadrada.

  • 1 psi 1 lbf / in 2 = 4,45 N / (0,0254 m) 2 ≈ 6895 kg / m 2

Portanto, uma libra por polegada quadrada é aproximadamente 6895 Pa.

A unidade de medida denominada atmosfera padrão (atm) é definida como:

  • 1 atm = 14,7 psi

A atmosfera padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. Observe que há uma diferença entre a atmosfera padrão (atm) e a atmosfera técnica (em).

Uma atmosfera técnica é uma unidade de pressão não SI igual a um quilograma-força por centímetro quadrado.

  • 1 a = 14,2 psi

Bar – Unidade de Pressão

barra é uma unidade métrica de pressão . Não faz parte do Sistema Internacional de Unidades (SI). A barra é comumente usada na indústria e na meteorologia , e um instrumento usado na meteorologia para medir a pressão atmosférica é chamado barômetro.

Uma barra é exatamente igual a 100 000 Pa e é ligeiramente menor que a pressão atmosférica média na Terra ao nível do mar ( 1 bar = 0,9869 atm). A pressão atmosférica é geralmente dada em milibares, onde a pressão padrão do nível do mar é definida como 1013 mbar, 1,013 bar ou 101,3 (kPa).

Às vezes, “Bar (a)” e “bara” são usados ​​para indicar pressões absolutas e “bar (g)” e “barg” para pressões de manômetro.

Pressão absoluta vs. pressão manométrica

pressão absoluta versus manômetroA pressão como discutido acima é chamada pressão absoluta . Frequentemente, será importante distinguir entre pressão absoluta e pressão manométrica . Neste artigo, o termo pressão refere-se à pressão absoluta, a menos que seja explicitamente indicado o contrário. Porém, na engenharia, geralmente lidamos com pressões medidas por alguns dispositivos. Embora pressões absolutas devam ser usadas em relações termodinâmicas, os dispositivos de medição de pressão geralmente indicam a diferença entre a pressão absoluta em um sistema e a pressão absoluta da atmosfera existente fora do dispositivo de medição. Eles medem a pressão do manômetro .

  • Pressão absoluta. Quando a pressão é medida em relação a um vácuo perfeito, é chamada pressão absoluta (psia). Libras por polegada quadrada absoluta (psia) são usadas para deixar claro que a pressão é relativa ao vácuo e não à pressão atmosférica ambiente. Como a pressão atmosférica ao nível do mar é de cerca de 101,3 kPa (14,7 psi), isso será adicionado a qualquer leitura de pressão feita no ar ao nível do mar.
  • Pressão manométrica. Quando a pressão é medida em relação à pressão atmosférica (14,7 psi), é chamada pressão manométrica (psig). O termo pressão manométrica é aplicado quando a pressão no sistema é maior que a pressão atmosférica local, p atm . A última escala de pressão foi desenvolvida porque quase todos os manômetros registram zero quando abertos para a atmosfera. As pressões do manômetro são positivas se estiverem acima da pressão atmosférica e negativas se estiverem abaixo da pressão atmosférica.

gauge = p absoluto – p absoluto; atm

  • Pressão atmosférica. Pressão atmosférica é a pressão no ar circundante na – ou “próximo” da – superfície da terra. A pressão atmosférica varia com a temperatura e a altitude acima do nível do mar. A pressão atmosférica padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. A pressão atmosférica padrão é definida ao nível do mar a 273 o K (0 o C) e é:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • Pressão negativa do manômetro – Pressão de vácuo. Quando a pressão atmosférica local é maior que a pressão no sistema, o termo pressão de vácuo é usado. Um vácuo perfeito corresponderia à pressão zero absoluta. Certamente é possível ter uma pressão manométrica negativa, mas não é possível ter uma pressão absoluta negativa. Por exemplo, uma pressão absoluta de 80 kPa pode ser descrita como uma pressão manométrica de -21 kPa (ou seja, 21 kPa abaixo de uma pressão atmosférica de 101 kPa).

vácuo = p absoluto; atm – p absoluto

Por exemplo, um pneu de carro bombeado até 2,5 atm (36,75 psig) acima da pressão atmosférica local (digamos 1 atm ou 14,7 psia localmente), terá uma pressão absoluta de 2,5 + 1 = 3,5 atm (36,75 + 14,7 = 51,45 psia ou 36,75 psig).

Por outro lado, as turbinas a vapor de condensação  (em usinas nucleares ) descarregam o vapor a uma pressão bem abaixo da atmosférica (por exemplo, a 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) e em um estado parcialmente condensado. Em unidades relativas, é uma pressão manométrica negativa de cerca de – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.

Lei do gás ideal

Qualquer equação que relacione a pressão, a temperatura e o volume específico de uma substância é chamada de equação de estado . A equação de estado mais simples e mais conhecida para substâncias na fase gasosa é a equação de estado do gás ideal . Foi declarado pela primeira vez por Émile Clapeyron em 1834 como uma combinação da lei empírica de Boyle, da lei de Charles e da lei de Avogadro. Esta equação prevê o comportamento pvT de um gás com bastante precisão para gases diluídos ou de baixa pressão. Num gás ideal, as moléculas não têm volume e não interagem. De acordo com a lei ideal dos gases, a pressão varia linearmente com a temperatura e a quantidade e inversamente com o volume .

pV = nRT

Onde:

  • p é a pressão absoluta do gás
  • n é a quantidade de substância
  • T é a temperatura absoluta
  • V é o volume
  • R  é a constante de gás ideal, ou universal,igual ao produto da constante de Boltzmann e da constante de Avogadro,

Nesta equação, o símbolo R é uma constante chamada constante universal de gás que tem o mesmo valor para todos os gases – ou seja, R = 8,31 J / mol K.

O poder da lei do gás ideal está em sua simplicidade . Quando quaisquer duas das variáveis ​​termodinâmicas, p, ve T são dadas , a terceira pode ser facilmente encontrada. Um gás ideal é definido como aquele em que todas as colisões entre átomos ou moléculas são perfeitamente elásticas e nas quais não há forças de atração intermoleculares. Um gás ideal pode ser visualizado como uma coleção de esferas perfeitamente duras que colidem, mas que de outra forma não interagem umas com as outras. Na realidade, nenhum gás real é como um gás ideal e, portanto, nenhum gás real segue completamente a lei ou a equação do gás ideal. Em temperaturas próximas ao ponto de ebulição dos gases, o aumento da pressão causa a condensação e diminui drasticamente o volume. Em pressões muito altas, as forças intermoleculares de um gás são significativas. No entanto, a maioria dos gases está de acordo aproximado a pressões e temperaturas acima do seu ponto de ebulição.

Pressões típicas em engenharia – Exemplos

pascal (Pa) como uma unidade de medida de pressão é amplamente utilizado em todo o mundo e substituiu amplamente a unidade de libras por polegada quadrada (psi) , exceto em alguns países que ainda usam o sistema de medição imperial, incluindo os Estados Unidos. Para a maioria dos problemas de engenharia, o pascal (Pa) é uma unidade relativamente pequena, portanto, é conveniente trabalhar com múltiplos do pascal: o kPa, o MPa ou a barra. A lista a seguir resume alguns exemplos:

  • Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Essas turbinas descarregam vapor a uma pressão bem abaixo da atmosférica (por exemplo, 0,08 bar ou 8 kPa ou 1,16 psia) e em um estado parcialmente condensado. Em unidades relativas, é uma pressão manométrica negativa de cerca de – 0,92 bar, – 92 kPa ou – 13,54 psig.
  • pressão atmosférica padrão aproxima-se da pressão média ao nível do mar na latitude de 45 ° N. A pressão atmosférica padrão é definida ao nível do mar a 273 o K (0 o C) e é:
    • 101325 Pa
    • 1.01325 bar
    • 14.696 psi
    • 760 mmHg
    • 760 torr
  • A sobrepressão de pneus de carro é de cerca de 2,5 bar, 0,25 MPa ou 36 psig.
  • Caldeira de tubos de incêndio para locomotivas a vapor: 150–250 psig
  • Um estágio de alta pressão da turbina a vapor de condensação na usina nuclear opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa (60 bar ou 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
  • Um reator de água fervente é resfriado e moderado por água como um PWR, mas a uma pressão mais baixa (por exemplo, 7MPa, 70 bar ou 1015 psig), que permite que a água ferva dentro do vaso de pressão produzindo o vapor que aciona as turbinas.
  • Os reatores de água pressurizada são resfriados e moderados por água líquida de alta pressão (por exemplo, 16MPa, 160 bar ou 2320 psig). A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), o que fornece margem de sub-resfriamento de cerca de 25 ° C.
  • reator de água supercrítico (SCWR) é operado a pressão supercrítica . O termo supercrítico neste contexto refere-se ao ponto crítico termodinâmico da água (T CR = 374 ° C; p CR = 22,1 MPa)
  • Injeção direta de combustível em trilho comum: em motores a diesel, ele possui um trilho de combustível de alta pressão (acima de 1 000 bar ou 100 MPa ou 14500 psi).

Perda de pressão – Fluidos

Resumo de: Perda de Cabeça – Perda de Pressão

  • Perda de carga ou perda de pressão  são a redução na carga total (soma da cabeça potencial , cabeça de velocidade , e cabeça de pressão ) de um fluido causado pelo atrito presente no movimento do fluido.
  • Perda de carga e perda de pressão representam o mesmo fenômeno – perdas por atrito em tubulações e perdas em componentes hidráulicos, mas são expressas em unidades diferentes .
  • A perda de carga do sistema hidráulico é dividida em duas categorias principais :
  • Moody Diagram
    Fonte: Donebythesecondlaw no idioma inglês Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
    https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

    A equação de Darcy pode ser usada para calcular grandes perdas .

  • Uma forma especial da equação de Darcy pode ser usada para calcular pequenas perdas .
  • fator de atrito para o fluxo de fluido pode ser determinado usando um gráfico Moody .
  • fator de atrito  para o fluxo laminar é independente da rugosidade da superfície interna do tubo. f = 64 / Re
  • fator de atrito  para escoamento turbulento  depende fortemente da rugosidade relativa. É determinado pela equação de Colebrook. Deve-se notar que, em números muito grandes de Reynolds , o fator de atrito é independente do número de Reynolds.

Pressão crítica da água

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Na pressão, que é  maior que a pressão crítica, a   água está em um estado especial, conhecido como estado de fluido supercrítico . Um fluido supercrítico é um fluido que está sob pressões mais altas que seus valores críticos termodinâmicos. Nas pressões críticas e supercríticas, um fluido é considerado uma substância monofásica, apesar de todas as propriedades termofísicas sofrerem alterações significativas nas regiões críticas e pseudocríticas.

Para a água, os parâmetros críticos são os seguintes:

  • cr = 22,09 MPa
  • cr = 374,14 ° C (ou 647,3 K)
  • cr = 0,003155 m3 / kg
  • f = u g = 2014 kJ / kg
  • f = h g = 2084 kJ / kg
  • f = s g = 4,406 kJ / kg K

Veja também: Ponto crítico da água

Veja também: Fluido supercrítico

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O que é energia – Física – Definição

O que é energia? Energia é uma quantidade física escalar. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor. A energia total não pode ser criada ou destruída. Engenharia Térmica

O que é energia

O sol
O Sol gera sua energia por fusão nuclear de núcleos de hidrogênio em hélio. Em sua essência, o Sol funde 620 milhões de toneladas métricas de hidrogênio a cada segundo.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

O termo energia é muito, muito amplo e possui muitas definições. Tecnicamente, energia é uma quantidade física escalar que está associada ao estado de um ou mais objetos. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor . Às vezes, é como a “moeda” para realizar o trabalho. Você deve ter energia para realizar o trabalho. Para executar 1 quilojoule de trabalho, você deve gastar 1 kilojoule de energia. É preciso acrescentar que essa interpretação pode ser enganosa porque a energia não está necessariamente disponível para o trabalho.

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro. Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Por exemplo, queimar gasolina para abastecer carros é um processo de conversão de energia em que confiamos. A energia química da gasolina é convertida em energia térmica , que é convertida em energia mecânica que faz o carro se mover. A energia mecânica foi convertida em energia cinética . Quando usamos os freios para parar um carro, essa energia cinética é convertida por fricção de volta ao calor, ou energia térmica .

Unidades de energia

A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor. Essa definição faz com que a unidade SI para energia seja igual à unidade de trabalho – o joule (J) . Joule é uma unidade derivada de energia e é nomeado em homenagem a James Prescott Joule e seus experimentos sobre o equivalente mecânico do calor. Em termos mais fundamentais, 1 joule é igual a:

1 J = 1 kg.m 2 / s 2

Como a energia é uma quantidade física fundamental e é usada em vários ramos físicos e de engenharia, existem muitas unidades em física e engenharia. Essas unidades estão resumidas nos seguintes pontos:

  • Joule (unidade: J)
  • Calorias (unidade: cal)
  • Unidade Térmica Britânica (unidade: BTU)
  • Força da libra-pé (unidade: ft.lbf)
  • Quilowatt-hora (unidade: kWh)
  • Megawatt-dia (unidade: MWd)
  • Electronvolt (unidade: eV)

Exemplos de energia de 1 Joule

Um joule na vida cotidiana e na ciência corresponde aproximadamente a:

  • A energia cinética de um objeto com massa 1 kg movendo-se a √2 ≈ 1,4 m / s .
  • A energia cinética de um objeto de 50 kg (por exemplo, humano) se move muito lentamente – aproximadamente 0,72 km / h .
  • A energia necessária para levantar uma maçã de tamanho médio ( 100 g ) 1 metro verticalmente da superfície da Terra.
  • O calor necessário para aumentar a temperatura de um g de água de 0,24 ° C .
  • O calor necessário para evaporar de 0,00044 g de água no estado líquido a 100 ° C.
  • A quantidade de eletricidade necessária para acender um LED de 1 watt por 1 s .
  • É liberado por aproximadamente 3,1 × 10 10 fissões em um reator nuclear.

Formas de energia

A energia existe de várias formas. As formas comuns de energia incluem energia mecânica classicamente dividida em energia cinética e energia potencial . A energia cinética está relacionada à velocidade de um objeto em movimento . A energia potencial está relacionada à posição de um objeto em um campo de força (gravitacional, elétrico ou magnético). A tensão em uma mola ou tensão na superfície do filme são outras formas de energia mecânica potencial (energia elástica). Existem muitas outras formas de energia, incluindo energia elétrica, magnética, química e nuclear .

Na termodinâmica, o conceito de energia é ampliado para dar conta de outras mudanças observadas. A termodinâmica lida com outro tipo de energia chamado ” energia térmica ” ou ” energia interna “. As únicas maneiras pelas quais a energia de um sistema fechado pode ser alterada são através da transferência de energia pelo trabalho ou pelo calor . Além disso, com base nos experimentos de Joule e outros, um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Este princípio é conhecido como a primeira lei da termodinâmica . Em geral, energia é um conceito fundamental da termodinâmica e um dos aspectos mais significativos da análise de engenharia.

 

Equivalência de energia em massa

Um dos resultados impressionantes da teoria da relatividade de Einstein é que massa e energia são equivalentes e conversíveis , uma na outra. A equivalência entre massa e energia é descrita pela famosa fórmula de Einstein:

E = MC2

, onde M é a pequena quantidade de massa e C é a velocidade da luz.

O que isso significa? Se a energia nuclear é gerada (divisão de átomos, fusão nuclear), uma pequena quantidade de massa (economizada na energia de ligação nuclear ) se transforma em energia pura (como energia cinética, energia térmica ou energia radiante).

O equivalente energético de um grama (1/1000 de um quilograma) de massa é equivalente a:

  • 89,9 terajoules
  • 25,0 milhões de quilowatt-hora (≈ 25 GW · h)
  • 21,5 bilhões de quilocalorias (≈ 21 Tcal)
  • 85,2 bilhões de BTUs

ou à energia liberada por combustão do seguinte:

  • 21,5 quilotons de energia equivalente à TNT (≈ 21 kt)
  • 568.000 galões americanos de gasolina automotiva

Sempre que a energia é gerada, o processo pode ser avaliado da perspectiva E = mc 2 .

Princípio de Conservação de Energia

Uma das propriedades mais maravilhosas do universo é que a energia pode ser transformada de um tipo para outro e transferida de um objeto para outro . Além disso, quando transformado de um tipo para outro e transferido de um objeto para outro, a quantidade total de energia é sempre a mesma . É uma das propriedades elementares do universo.

Na termodinâmica, o conceito de energia é ampliado para dar conta de outras mudanças observadas, e o princípio de conservação de energia é estendido para incluir uma ampla variedade de maneiras pelas quais os sistemas interagem com seus arredores. As únicas maneiras pelas quais a energia de um sistema fechado pode ser alterada são através da transferência de energia pelo trabalho ou pelo calor . Além disso, com base nos experimentos de Joule e outros, um aspecto fundamental do conceito de energia é que a energia é conservada. Este princípio é conhecido como  a primeira lei da termodinâmica . A primeira lei da termodinâmica pode ser escrita de várias formas:

Em palavras:

primeira lei da termodinâmica em palavras

conservação de energia em termodinâmica
Layout físico dos quatro principais dispositivos utilizados no ciclo Rankine e transferências básicas de energia.

Forma da equação:

IntE int = Q – W

onde int representa a energia interna do material, que depende apenas do estado do material (temperatura, pressão e volume). Q é o calor líquido adicionado ao sistema e W é o trabalho líquido realizado pelo sistema. Devemos ser cuidadosos e consistentes ao seguir as convenções de sinal para Q e W. Como W na equação é o trabalho realizado pelo sistema, se o trabalho for realizado no sistema, W será negativo e E int aumentará.

Da mesma forma, Q é positivo para o calor adicionado ao sistema; portanto, se o calor sai do sistema, Q é negativo. Isso nos diz o seguinte: A energia interna de um sistema tende a aumentar se o calor for absorvido pelo sistema ou se um trabalho positivo for feito no sistema. Por outro lado, a energia interna tende a diminuir se o calor for perdido pelo sistema ou se for feito um trabalho negativo no sistema. Deve-se adicionar Q e W dependem do caminho, enquanto E int é independente do caminho.

Forma diferencial:

dE int = dQ – dW

A energia interna E int de um sistema tende a aumentar se a energia é adicionada como calor Q e tende a diminuir se a energia é perdida como o trabalho W realizado pelo sistema.

Fontes de energia

Fornecimento total de energia primária
Fornecimento total de energia primária por recurso 1993, 2011 e previsão para 2020.
Fonte: World Energy Resources – Pesquisa de 2013
Usado com permissão do Conselho Mundial da Energia

As fontes de energia sempre desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da sociedade humana. Desde a revolução industrial, a energia tem sido uma força motriz para o desenvolvimento da civilização moderna. O desenvolvimento tecnológico e o consumo de energia primária , juntamente com o aumento da população mundial, são interdependentes. Nos últimos 20 anos, o mundo ao nosso redor mudou significativamente. A tecnologia tornou-se um dos principais motores do desenvolvimento econômico e social. O rápido avanço da Tecnologia da Informação (TI) em todo o mundo transformou não apenas a maneira como pensamos, mas também a maneira como agimos. Deve-se notar que praticamente todas as tecnologias funcionam com energia elétrica e, portanto, a parcela de eletricidade está aumentando rapidamente, mais rapidamente do queFornecimento total de energia primária (TPES – soma da produção e importações subtraindo as exportações e as mudanças de armazenamento).

Atualmente, o combustível fóssil ainda é a fonte de energia predominante no mundo e sua extração, produção e uso não são consideradas eficientes, independentemente das novas tecnologias disponíveis para melhorar seu uso e extração. Ao estudar os recursos energéticos, precisamos distinguir as fontes de energia primária e secundária .

Fontes de energia primária

fontes de energia primária - tabela
Principais indicadores para 1993, 2011 e previsão para 2020.
Fonte: World Energy Resources – Pesquisa de 2013
Utilizada com permissão do Conselho Mundial da Energia

A energia primária (PE) é um recurso energético encontrado na natureza que não foi submetido a nenhum processo de conversão ou transformação. É a energia contida nos combustíveis brutos e outras formas de energia recebidas como insumo para um sistema. As fontes de energia primária assumem várias formas, incluindo energia nuclear, energia fóssil – como petróleo, carvão e gás natural – e fontes renováveis ​​como eólica, solar, geotérmica e hidrelétrica. Essas fontes primárias podem ser convertidas em fonte de energia secundária, os chamados portadores de energia . As fontes de energia primária podem ser divididas em:

  • Fontes não renováveis
    • Combustíveis fósseis
      • Óleo
      • Carvão
      • Gás natural
    • Combustíveis minerais
      • Urânio natural
      • Tório natural
  • Fontes renováveis
    • Energia solar
    • Energia eólica
    • Energia hídrica e das marés
    • Energia geotérmica
    • Energia de biomassa (se explorada de forma sustentável)

Fontes de energia secundárias – Transportadoras de energia

Fontes de energia secundárias , também chamadas de portadoras de energia , são derivadas da transformação de fontes de energia primária. Eles são chamados portadores de energia, porque movem energia de uma forma utilizável de um lugar para outro. Os portadores de energia conhecidos são:

  • Eletricidade
  • Gasolina
  • Hidrogênio

Eletricidade e hidrogênio produzidos a partir de fontes de energia primária, como carvão, gás natural, energia nuclear, petróleo e fontes de energia renováveis. A eletricidade é particularmente útil, pois possui baixa entropia (é altamente solicitada) e pode ser convertida em outras formas de energia com muita eficiência. Simplesmente, não podemos dizer que o hidrogênio tenha potencial para compensar os combustíveis fósseis.

Fontes de energia secundárias são usadas, porque seu uso é mais fácil do que usar uma fonte de energia primária. Por exemplo, usar eletricidade para iluminação é mais seguro do que usar petróleo em velas ou lâmpadas de querosene.

Por outro lado, qualquer conversão de energia primária em transportadora de energia está associada a alguma ineficiência. Portanto, ao lidar com fonte de energia secundária, devemos sempre considerar o caminho, como a transportadora foi fabricada.

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O que é energia cinética – definição

A energia cinética, K, é definida como a energia armazenada em um objeto por causa de seu movimento. É chamado energia cinética, da palavra grega kinetikos – movimento. Engenharia Térmica

O que é energia cinética

conservação do pêndulo de energia mecânica

A energia cinética, K , é definida como a energia armazenada em um objeto por causa de seu movimento. Um objeto em movimento tem a capacidade de fazer o trabalho e, portanto, pode-se dizer que possui energia. É chamado de energia cinética, da palavra grega kinetikos, que significa “movimento”.

energia cinética depende da velocidade de um objeto e é a capacidade de um objeto em movimento de trabalhar em outros objetos quando colide com eles. Por outro lado, a energia cinética de um objeto representa a quantidade de energia necessária para aumentar a velocidade do objeto do repouso (v = 0) para sua velocidade final. A energia cinética também depende linearmente da massa, que é uma medida numérica da inércia do objeto e a medida da resistência de um objeto à aceleração quando uma força é aplicada.

Definimos a quantidade:

K = ½ mv 2

ser a energia cinética translacional do objeto. É preciso acrescentar que é chamada energia cinética “translacional” para distingui-la da energia cinética rotacional.

 

Conservação de Energia Mecânica

Primeiro, o princípio da Conservação de Energia Mecânica foi declarado:

A energia mecânica total (definida como a soma de seu potencial e energias cinéticas) de uma partícula que é acionada apenas por forças conservadoras é constante .

exemplo de conservação-de-energia-mecânica

Veja também: Conservação de energia mecânica

Um sistema isolado é aquele em que nenhuma força externa causa mudanças de energia. Se apenas forças conservadoras atuam em um objeto e U é a função potencial de energia para a força conservadora total, então

mech = U + K

A energia potencial, U , depende da posição de um objeto sujeito a uma força conservadora.

equação de energia potencial

É definida como a capacidade do objeto de fazer o trabalho e é aumentada à medida que o objeto é movido na direção oposta à direção da força.

A energia potencial associada a um sistema que consiste na Terra e em uma partícula próxima é  a energia potencial gravitacional .

equação gravitacional do potencial de energia

A energia cinética, K , depende da velocidade de um objeto e é a capacidade de um objeto em movimento de trabalhar em outros objetos quando colide com eles.

 K = ½ mv 2

A definição acima mencionada ( mech = U + K ) assume que o sistema está livre de atritos e outras forças não conservadoras . A diferença entre uma força conservadora e uma não conservadora é que, quando uma força conservadora move um objeto de um ponto para outro, o trabalho realizado pela força conservadora é independente do caminho.

Em qualquer situação real, forças de atrito e outras forças não conservadoras estão presentes, mas em muitos casos seus efeitos no sistema são tão pequenos que o princípio de conservação de energia mecânica pode ser usado como uma aproximação justa. Por exemplo, a força de atrito é uma força não conservadora, porque atua para reduzir a energia mecânica em um sistema.

Observe que forças não conservadoras nem sempre reduzem a energia mecânica. Uma força não conservadora altera a energia mecânica; existem forças que aumentam a energia mecânica total, como a força fornecida por um motor ou motor, também é uma força não conservadora.

Bloco deslizando por uma ladeira sem atrito

O bloco de 1 kg inicia uma altura H (digamos 1 m) acima do solo, com energia potencial mgH e energia cinética igual a 0. Desliza para o chão (sem atrito) e chega sem energia potencial e energia cinética K = ½ mv 2 . Calcule a velocidade do bloco no chão e sua energia cinética.

mech = U + K = const

=> ½ mv 2 = mgH

=> v = √2gH = 4,43 m / s

=> K 2 = ½ x 1 kg x (4,43 m / s) 2 = 19,62 kg.m 2 .s -2 = 19,62 J

Pêndulo

conservação-do-pêndulo-de-energia-mecânicaSuponha um pêndulo (bola de massa m suspensa em uma corda de comprimento L que têm puxado para cima de modo a que a bola é uma altura H <G acima do seu ponto mais baixo do arco do seu movimento corda esticada. O pêndulo é submetido ao conservador força gravitacional, onde forças de atrito como o arrasto aéreo e o atrito no pivô são desprezíveis.

Nós o liberamos do descanso. Quão rápido está indo no fundo?

conservação-de-energia-mecânica-pêndulo2

O pêndulo atinge a maior energia cinética e menos energia potencial quando na posição vertical , porque terá a maior velocidade e estará mais próximo da Terra neste ponto. Por outro lado, terá sua energia menos cinética e maior energia potencial nas posições extremas de seu balanço, porque possui velocidade zero e está mais distante da Terra nesses pontos.

Se a amplitude é limitada a pequenas oscilações, o período T de um pêndulo simples, o tempo necessário para um ciclo completo, é:

período-de-pêndulo-conservação-de-energia

onde L é o comprimento do pêndulo eg é a aceleração local da gravidade. Para balanços pequenos, o período de oscilação é aproximadamente o mesmo para balanços de tamanhos diferentes. Ou seja,  o período é independente da amplitude .

Energia cinética relativística

energia cinética relativística
À medida que a velocidade de um objeto se aproxima da velocidade da luz, a energia cinética relativista se aproxima do infinito. É causada pelo fator de Lorentz, que se aproxima do infinito para v → c.

A relação anterior entre trabalho e energia cinética é baseada nas leis do movimento de Newton . Quando generalizamos essas leis de acordo com o princípio da relatividade, precisamos de uma generalização correspondente da equação para a energia cinética . Se a velocidade de um objeto é próxima da velocidade da luz, é necessário usar a mecânica relativística para calcular sua energia cinética .

Na mecânica clássica , energia cinética e momento são expressos como:

momento clássico e energia cinética

A derivação de suas relações relativísticas é baseada na relação energia-momento relativista :

relação energia-momento

Pode-se derivar, a energia cinética relativística e o momento relativístico são:

energia cinética relativística - fórmula

O primeiro termo ( ɣmc 2 ) da energia cinética relativística aumenta com a velocidade v da partícula. O segundo termo ( mc 2 ) é constante; é chamado de energia restante  (massa restante) da partícula e representa uma forma de energia que uma partícula possui mesmo quando em velocidade zero . À medida que a velocidade de um objeto se aproxima da velocidade da luz, a energia cinética se aproxima do infinito . É causada pelo fator de Lorentz , que se aproxima do infinito para v → c . Portanto, a velocidade da luz não pode ser alcançada por partículas maciças.

O primeiro termo (ɣmc 2 ) é conhecido como energia total E da partícula, porque é igual à energia restante mais a energia cinética:

E = K + mc 2

Para uma partícula em repouso, ou seja, K é zero, então a energia total é sua energia de repouso:

E = mc 2

Este é um dos resultados marcantes da teoria da relatividade de Einstein é que massa e energia são equivalentes e conversíveis um no outro. A equivalência entre massa e energia é descrita pela famosa fórmula de Einstein E = mc 2 . Este resultado foi confirmado experimentalmente inúmeras vezes na física de partículas nuclear e elementar. Por exemplo, consulte Produção de pares de pósitrons com elétrons ou conservação de energia em reações nucleares .

Veja também: Massa relativística

Exemplo: energia cinética do próton

O que é próton - físicaUm próton ( m = 1,67 x 10-27 kg ) viaja a uma velocidade v = 0,9900c = 2,968 x 10 8 m / s . Qual é a sua energia cinética ?

De acordo com um cálculo clássico, que não está correto, obteríamos:

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

Com a correção relativística, a energia cinética relativística é igual a:

K = (ɣ – 1) mc 2

onde o fator de Lorentz

ɣ = 7.089

Portanto

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

Isso é cerca de 12 vezes mais energia do que no cálculo clássico. De acordo com essa relação, a aceleração de um feixe de prótons para 5,7 GeV requer energias da ordem diferente.

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