O que é propriedade termodinâmica – definição

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 .

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

• Propriedades extensivas : uma propriedade extensiva depende da quantidade de massa presente ou do tamanho ou extensão de um sistema . Por exemplo, as seguintes propriedades são extensas:
  • Entalpia
  • Entropia
  • Gibbs Free Energy
  • Capacidade de calor
  • Energia interna
  • Massa
  • Volume

• Propriedade intensiva : uma propriedade intensiva é independente da quantidade de massa e pode variar de um lugar para outro no sistema a qualquer momento. Por exemplo, as seguintes propriedades são extensas:
  • Compressibilidade
  • Densidade
  • Entalpia específica
  • Entropia específica
  • Capacidade específica de calor
  • Pressão
  • Temperatura
  • Condutividade térmica
  • Expansão térmica
  • Qualidade do vapor
  • Volume específico

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 , C _p , e a massa do sistema. Dividindo estas propriedades extensivas dá a capacidade de calor específico , c _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.

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

Volume 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 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).

Veja também: Como a densidade influencia a reatividade do reator

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

Pressão 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

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

Veja também: Libra por polegada quadrada – psi

Veja também: Bar – Unidade de pressão

Vide também: Pressões típicas em engenharia

Pressão absoluta vs. pressão manométrica

A 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.

p _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).

p _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

O 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.
• 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
• 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.
• O 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

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”.

Balanças de temperatura

Ao 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).