Termodinâmica
O conhecimento da termodinâmica é essencial para os engenheiros nucleares , que lidam com reatores de energia nuclear . Uma usina nuclear ( usina nuclear) se parece com uma usina termelétrica padrão, com uma exceção. A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em muitas centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade.
Termodinâmica é a ciência que lida com produção, armazenamento, transferência e conversão de energia. Ele estuda os efeitos do trabalho , calor e energia em um sistema. Apesar de ser um assunto muito amplo que afeta a maioria dos campos da ciência, incluindo biologia e microeletrônica, nos preocuparemos principalmente com observações em larga escala. Interações em pequena escala serão descritas na teoria cinética dos gases.Historicamente, a termodinâmica nasceu no século 19, quando os cientistas descobriram como construir e operar motores a vapor . Particularmente através do trabalho do físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot, que introduziu o conceito do ciclo do motor térmico e o princípio da reversibilidade em 1824. O físico escocês Lord Kelvin foi o primeiro a formular uma definição concisa da termodinâmica em 1854. O trabalho de Carnot dizia respeito à limitações na quantidade máxima de trabalho que pode ser obtida de um motor a vapor operando com uma transferência de calor a alta temperatura como força motriz. Nos anos posteriores, as leis da termodinâmica foram desenvolvidas. Termodinâmicabaseia-se principalmente em um conjunto de quatro leis que são universalmente válidas quando aplicadas a sistemas que se enquadram nas restrições implícitas por cada uma.
A termodinâmica é um ramo da física e uma ciência da engenharia . O físico normalmente está interessado em obter uma compreensão fundamental do comportamento físico e químico de quantidades fixas de matéria em repouso e usa as leis da termodinâmica para relacionar as propriedades da matéria. Os engenheiros geralmente estão interessados em estudar sistemas de energia e como eles interagem com o ambiente. Para facilitar isso, os engenheiros estendem o assunto da termodinâmica ao estudo de sistemas abertos , nos quais calor, trabalho e massa podem ser direcionados para dentro ou fora do volume de controle.
Nosso objetivo aqui será introduzir a termodinâmica como ciência da conversão de energia , introduzir alguns dos conceitos e definições fundamentais que são usados no estudo da termodinâmica de engenharia . Esses conceitos e definições fundamentais serão aplicados posteriormente a sistemas de energia e, finalmente, a usinas térmicas ou nucleares .
Uma usina nuclear típica tem uma capacidade de geração elétrica de 1000 MWe . A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em todas as centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade. As turbinas são motores térmicos e estão sujeitas às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . Nas usinas nucleares modernas, a eficiência termodinâmica geral é de cerca de um terço (33%), de modo que são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica.
Nas seções seguintes, trataremos do problema, como transformar a energia térmica gerada dentro do reator em energia elétrica da maneira mais eficaz .
Leis da Termodinâmica
Existem quatro leis da termodinâmica que definem quantidades físicas fundamentais (temperatura, energia e entropia) e que caracterizam os sistemas termodinâmicos em equilíbrio térmico . Essas são consideradas uma das leis mais importantes de toda a física. As leis são as seguintes:
Se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estão em equilíbrio térmico entre si.
Esta lei fornece uma definição e método para definir temperaturas, talvez a propriedade intensiva mais importante de um sistema ao lidar com problemas de conversão de energia térmica.
Primeira lei da termodinâmica:
O aumento da energia interna de um sistema fechado é igual ao calor fornecido ao sistema menos o trabalho realizado por ele.
Esta lei é o princípio da conservação de energia . É a lei mais importante para análise da maioria dos sistemas e a que quantifica como a energia térmica é transformada em outras formas de energia . Daqui resulta que máquinas de movimento perpétuo do primeiro tipo são impossíveis.
A entropia de qualquer sistema isolado nunca diminui. Em um processo termodinâmico natural, a soma das entropias dos sistemas termodinâmicos em interação aumenta.
Esta lei indica a irreversibilidade dos processos naturais . Processos reversíveis são uma ficção teórica útil e conveniente, mas não ocorrem na natureza. A partir desta lei, é impossível construir um dispositivo que opere em um ciclo e cujo único efeito seja a transferência de calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Daqui resulta que máquinas perpétuas de movimento do segundo tipo são impossíveis.
Terceira lei da termodinâmica:
A entropia de um sistema se aproxima de um valor constante, à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto.
Com base em evidências empíricas, essa lei afirma que a entropia de uma substância cristalina pura é zero no zero absoluto da temperatura , 0 K e que é impossível por meio de qualquer processo, não importa o ideal, reduzir a temperatura de um sistema para zero absoluto em um número finito de etapas. Isso nos permite definir um ponto zero para a energia térmica de um corpo.
Versão popular das leis da termodinâmica
0. Você deve jogar o jogo.
1. Você não pode vencer; você só pode empatar.
2. Você só pode empatar no zero absoluto.
3. Você não pode alcançar o zero absoluto.
Propriedades extensivas – propriedades intesivas
O que é energia
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
O termo energia é 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 executar 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 .
Motores térmicos
As fontes de energia sempre desempenharam um papel muito importante no desenvolvimento da sociedade humana. A energia é geralmente definida como o potencial de trabalhar ou produzir calor . Às vezes, é como a “moeda” para executar 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 .
Em geral, é fácil produzir energia térmica realizando trabalhos , por exemplo, por qualquer processo de atrito. Mas conseguir trabalho com energia térmica é mais difícil . Está intimamente associado ao conceito de entropia . Por exemplo, a eletricidade é particularmente útil, pois possui entropia muito baixa (é altamente ordenada) e pode ser convertida em outras formas de energia com muita eficiência .
Às vezes, a energia mecânica está diretamente disponível, por exemplo, energia eólica e hidrelétrica. Mas a maior parte de nossa energia vem da queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) e de reações nucleares . Atualmente, o combustível fóssil ainda é a fonte de energia predominante no mundo. Mas a queima de combustíveis fósseis gera apenas energia térmica , portanto, essas fontes de energia são chamadas de “ fontes de energia primária ”, que devem ser convertidas em fonte de energia secundária , chamadas de portadores de energia ( energia elétrica etc.). Para converter energia térmica em outra forma de energia, um motor térmico deve ser usado.
Em geral, um motor térmico é um dispositivo que converte energia química em calor ou energia térmica e depois em energia mecânica ou em energia elétrica.
O ciclo Rankine descreve de perto os processos em motores térmicos a vapor comumente encontrados na maioria das usinas termelétricas.
Muitos motores térmicos operam de maneira cíclica, adicionando energia na forma de calor em uma parte do ciclo e usando essa energia para realizar trabalhos úteis em outra parte do ciclo.
Por exemplo, como é típico em todas as usinas térmicas convencionais , o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade. Geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico , sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . Nas modernas usinas nucleares, a eficiência termodinâmica geral é de cerca de um terço (33%), então são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica.
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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: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.
