O que é volume – Física – Definição

O que é Volume – Física. Volume é uma quantidade física básica. Volume é uma quantidade derivada e expressa a extensão tridimensional de um objeto. Engenharia Térmica

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.

 

O que é volume específico

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

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).

A densidade (ρ) de uma substância é recíproca do seu volume específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

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

ρ = m / V

Volume de um átomo e núcleo

Estrutura da Matéria.
Estrutura da Matéria.

O átomo consiste em um núcleo pequeno, mas maciço, cercado por uma nuvem de elétrons em movimento rápido . O núcleo é composto de prótons e nêutrons . 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

Se usarmos essa aproximação, esperamos, portanto, que o volume do núcleo seja da ordem de 4 / 3πr 3 ou 7,23 × 10 −45 m 3 para os núcleos de hidrogênio ou 1721 × 10 −45 m 3 para os núcleos de 238 U. Estes são volumes de núcleos e os núcleos atômicos (prótons e nêutrons) contêm cerca de 99,95% da massa do átomo.

Um átomo é um espaço vazio?

volume atômico-núcleo-min
Uma representação figurativa do átomo de hélio-4 com a nuvem de elétrons em tons de cinza. É provável que prótons e nêutrons sejam encontrados exatamente no mesmo espaço, no ponto central. Fonte wikipedia.org Licença CC BY-SA 3.0

O volume de um átomo é cerca de 15 ordens de magnitude maior que o volume de um núcleo. Para o átomo de urânio , o raio de Van der Waals é de cerca de 186 pm = 1,86 × 10-10 m . O raio de Van der Waals, r w , de um átomo é o raio de uma esfera imaginária disco que representa a distância de aproximação mais próxima para um outro átomo. Assumindo uma forma esférica, o átomo de urânio tem um volume de cerca de   26,9 × 10-30 m 3 . Mas esse espaço “enorme” é ocupado principalmente por elétrons, porque o núcleo ocupa apenas cerca de 1721 × 10 −45 m 3 do espaço. Esses elétrons juntos pesam apenas uma fração (digamos 0,05%) do átomo inteiro.

Pode parecer que o espaço e, de fato, o assunto esteja vazio , mas não está . Devido à natureza quântica dos elétrons , os elétrons não são partículas pontuais, são espalhados por todo o átomo. A descrição clássica não pode ser usada para descrever coisas na escala atômica. Na escala atômica, os físicos descobriram que a mecânica quântica descreve as coisas muito bem nessa escala. Os locais das partículas na mecânica quântica não estão na posição exata; são descritos por uma função de densidade de probabilidade . Portanto, o espaço em um átomo (entre elétrons e um núcleo atômico) não está vazio, mas é preenchido por uma função de densidade de probabilidade dos elétrons (geralmente conhecida como “ nuvem de elétrons ”).

Volume de líquido de refrigeração no sistema de líquido de refrigeração do reator

Reator nuclear - WWER 1200
Reator nuclear e sistema de refrigeração primária da WWER-1200.
Fonte: gidropress.podolsk.ru
usado com permissão de АО ОКБ “ГИДРОПРЕСС”

Nos modernos reatores de água pressurizada (PWRs) modernos , o Sistema de Líquido Refrigerante do Reator (RCS), mostrado na figura, consiste em:

Todos os componentes do RCS estão localizados dentro do prédio de contenção .

Em operação normal, há água líquida comprimida dentro do vaso do reator, loops e geradores de vapor. A pressão é mantida em aproximadamente 16MPa . A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). A temperatura de entrada da água é de cerca de 290 ° C (554 ° F). A água (refrigerante) é aquecida no núcleo do reator a aproximadamente 325 ° C (617 ° F) à medida que a água flui através do núcleo. Como pode ser visto, o reator contém aproximadamente 25 ° C de líquido refrigerante sub-resfriado (distância da saturação).sistema de volume de refrigerante do reatorEssa alta pressão é mantida pelo pressurizador , um recipiente separado que é conectado ao circuito primário (perna quente) e parcialmente preenchido com água (parcialmente com vapor saturado ) que é aquecido até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por aquecedores elétricos submersos . A temperatura no pressurizador pode ser mantida a 350 ° C. Em condições normais, cerca de 60% do volume do pressurizador ocupa a água comprimida e cerca de 40% do volume ocupa o vapor saturado .

Os volumes de PWR típico estão na tabela a seguir.

É um exemplo ilustrativo, os dados a seguir não correspondem a nenhum projeto de reator.

Deve-se notar que o volume do líquido de refrigeração muda significativamente com a temperatura do líquido de refrigeração. A massa total do líquido de refrigeração permanece sempre a mesma, uma mudança no volume de água não é uma mudança no estoque de água. O volume do líquido de refrigeração do reator muda com a temperatura devido a alterações na densidade . A maioria das substâncias se expande quando aquecidas e contraem quando resfriadas . No entanto, a quantidade de expansão ou contração varia, dependendo do material. Esse fenômeno é conhecido como expansão térmica . A mudança no volume de um material que sofre uma mudança de temperatura é dada pela seguinte relação:

expansão térmica

em que AT é a alteração de temperatura, V é o volume original, AV, é a alteração de volume, e α V é o coeficiente de expansão de volume .

Gráfico - densidade - água - temperatura
Densidade da água líquida (comprimida) em função da temperatura da água

coeficiente de expansão térmica volumétrico para a água não é constante na faixa de temperatura e aumenta com a temperatura ( especialmente a 300 ° C ); portanto, a mudança na densidade não é linear com a temperatura (como indicado na figura).

Veja também: Tabelas Steam

Em condições normais, o volume total de refrigerante no sistema de refrigeração do reator é quase constante. Por outro lado, durante condições de carga transitória, o volume pode mudar significativamente . Essas mudanças são naturalmente refletidas em uma alteração no nível da água do pressurizador. Quando a temperatura média do líquido de refrigeração do reator diminui gradualmente, o volume total de água também diminui, o que diminui o nível do pressurizador. Em uma captação gradual de carga, o aumento da temperatura média do líquido de refrigeração do reator faz com que o volume total de água se expanda, o que aumenta o nível do pressurizador. Esses efeitos devem ser controlados pelo sistema de controle de nível do pressurizador.

Controle de volume – Análise de volume de controle

Conservação do Momento - FluidosUm volume de controle é uma região fixa no espaço escolhido para o estudo termodinâmico de balanços de massa e energia para sistemas de fluxo. O limite do volume de controle pode ser um envelope real ou imaginário . A superfície de controle é o limite do volume de controle.

Uma análise de volume de controle pode ser usada, por exemplo, para determinar a taxa de mudança de momento de um fluido. Nesta análise, consideraremos um tubo de fluxo ( volume de controle ) como fizemos para a equação de Bernoulli . Nesse volume de controle, qualquer alteração no momento do fluido dentro de um volume de controle é devida à ação de forças externas no fluido dentro do volume.

Veja também: Fórmula Momentum

Como pode ser visto na figura, o método de controle de volume pode ser usado para analisar a lei de conservação do momento no fluido. O volume de controle é uma superfície imaginária que encerra um volume de interesse. O volume de controle pode ser fixo ou móvel, e pode ser rígido ou deformável. Para determinar todas as forças que atuam nas superfícies do volume de controle, temos que resolver as leis de conservação nesse volume de controle.

Escolhendo um volume de controle

Um volume de controle pode ser selecionado como qualquer volume arbitrário através do qual o fluido flui. Esse volume pode ser estático, em movimento e até deformar durante o fluxo. Para resolver qualquer problema, precisamos resolver as leis básicas de conservação neste volume. É muito importante conhecer todas as velocidades de fluxo relativas à superfície de controle e, portanto, é muito importante definir exatamente os limites do volume de controle durante uma análise.

Exemplo: jato de água atingindo uma placa estacionária

Equação de Momentum - Jato de ÁguaUma placa estacionária  (por exemplo, lâmina de um moinho de água) é usada para desviar o fluxo de água a uma velocidade de  1 m / se  a um ângulo de  90 ° . Ocorre à pressão atmosférica e a vazão mássica é igual a  Q = 1 m 3 / s .

  1. Calcule a força da pressão.
  2. Calcule a força do corpo.
  3. Calcule a força total.
  4. Calcule a força resultante.

Solução

  1. A  força da pressão  é zero, pois a pressão na entrada e nas saídas do volume de controle é atmosférica.
  2. Como o volume de controle é pequeno, podemos ignorar a força do  corpo  devido ao peso da gravidade.
  3. x  = ρ.Q. (w 1x  – w 2x ) = 1000. 1 (1 – 0) =  1000 N
    y  =  0
    F  =  (1000, 0)
  4. A  força resultante  no plano é da mesma magnitude, mas na direção oposta à força total  F  (atrito e peso são negligenciados).

O jato de água exerce sobre a placa a força de 1000 N na direção x.

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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.