حجم چیست - فیزیک

حجم یک مقدار فیزیکی اساسی است. حجم یک مقدار مشتق شده است و میزان سه بعدی یک شی را بیان می کند. حجم اغلب با استفاده از واحد مشتق شده ، کنتور مکعب عددی اندازه گیری می شود.

به عنوان مثال ، حجم داخل یک کره (یعنی حجم یک توپ) از V = 4/3πr 3 حاصل می شود ، جایی که r شعاع کره است. به عنوان نمونه دیگر ، حجم یک مکعب برابر با زمان های جانبی است. از آنجا که هر طرف یک مربع یکسان است ، می تواند به سادگی طول یک طرف مکعب باشد.

اگر یک مربع دارای یک طرف 3 متر باشد ، این حجم 3 متر 3 متر بار 3 متر یا 27 متر مکعب خواهد بود.

حجم خاص چیست

تراکم معمولی مواد مختلف در فشار جوی.

حجم خاص یک متغیر فشرده است ، در حالی که حجم یک متغیر گسترده است. واحد استاندارد سیستم SI برای حجم خاص متر مکعب در هر کیلوگرم (متر 3 /کیلوگرم) است. واحد استاندارد در سیستم انگلیسی فوت مکعب در هر پوند (FT 3 /lbm) است.

چگالی (ρ) یک ماده متقابل حجم خاص آن (ν) است.

ρ = m/v = 1/ρ

چگالی به عنوان جرم در واحد حجم تعریف می شود. همچنین یک خاصیت فشرده است ، که از نظر ریاضی به عنوان انبوه تقسیم بر حجم تعریف می شود:

ρ = m/v

از آنجا که هسته ها (پروتون ها و نوترون ها) بیشتر جرم اتم های معمولی را تشکیل می دهند ، چگالی ماده طبیعی با توجه به اینکه چقدر می توانیم این هسته ها را بسته بندی کنیم محدود می شود و به ساختار اتمی داخلی یک ماده بستگی دارد. متراکم ترین ماده موجود در زمین اسمیوم فلزی است. با این وجود ، چگالی آن در مقایسه با تراکم اشیاء نجومی عجیب و غریب مانند ستاره های کوتوله سفید و ستاره های نوترونی لکه دار است.

1. اسمیوم - 22. 6 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
2. Iridium - 22. 4 x 10 3 kg/m 3
3. پلاتین - 21. 5 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
4. Rhenium - 21. 0 x 10 3 kg/m 3
5. پلوتونیوم - 19. 8 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
6. طلا - 19. 3 x 10 3 kg/m 3
7. تنگستن - 19. 3 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
8. اورانیوم - 18. 8 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
9. Tantalum - 16. 6 x 10 3 kg/m 3
10. عطارد - 13. 6 x 10 3 کیلوگرم در متر 3
11. Rhodium - 12. 4 x 10 3 kg/m 3
12. توریم - 11. 7 x 10 3 kg/m 3
13. سرب - 11. 3 x 10 3 kg/m 3
14. نقره - 10. 5 x 10 3 kg/m 3

لازم به ذکر است ، پلوتونیوم یک ایزوتوپ تولیدی است و از اورانیوم در راکتورهای هسته ای ایجاد می شود. اما دانشمندان مقادیر اثری از پلوتونیوم طبیعی را پیدا کرده اند.

اگر عناصر تولیدی را درج کنیم ، متراکم ترین تاکنون حسیوم است. Hassium یک عنصر شیمیایی با نماد HS و شماره اتمی 108 است. این یک عنصر مصنوعی (برای اولین بار در Hasse در آلمان سنتز شده است) و رادیواکتیو است. پایدارترین ایزوتوپ شناخته شده ، 269 HS ، تقریباً 9. 7 ثانیه نیمه عمر دارد. چگالی تخمین زده شده از 40. 7 10 10 3 کیلوگرم در متر 3 است. چگالی حسیوم ناشی از وزن بالای اتمی آن و کاهش قابل توجه شعاع یونی عناصر موجود در سری لانتانید ، معروف به لانتانید و انقباض اکتینید است.

چگالی حسیوم توسط meitnerium (عنصر 109 ، نامگذاری شده به فیزیکدان لیز میتنر) دنبال می شود ، که دارای چگالی تخمین زده شده از 37. 4 10 10 3 کیلوگرم در متر 3 است.

به طور کلی ، چگالی و در نتیجه حجم خاص را می توان با تغییر فشار یا دما تغییر داد. افزایش فشار همیشه چگالی یک ماده را افزایش می دهد. تأثیر فشار بر تراکم مایعات و مواد جامد بسیار اندک است. از طرف دیگر ، چگالی گازها به شدت تحت تأثیر فشار قرار می گیرد. این با تراکم پذیری بیان می شود. تراکم پذیری تغییر حجم نسبی یک سیال یا جامد را به عنوان پاسخ به تغییر فشار اندازه گیری می کند.

تأثیر دما بر تراکم مایعات و مواد جامد نیز بسیار مهم است. بیشتر مواد هنگام گرم شدن گسترش می یابند و هنگام خنک شدن منقبض می شوند. با این حال ، میزان انبساط یا انقباض بسته به ماده متفاوت است. این پدیده به عنوان انبساط حرارتی شناخته می شود. تغییر حجم ماده ای که دما را تحت تأثیر قرار می دهد با رابطه زیر آورده شده است:

جایی که تغییر دما است ، V حجم اصلی است ، ∆V تغییر حجم و α است_Vضریب گسترش حجم است.

لازم به ذکر است و استثنائاتی در این قانون وجود دارد. به عنوان مثال ، آب با اکثر مایعات متفاوت است زیرا با یخ زدن کمتر متراکم می شود. حداکثر چگالی 3. 98 درجه سانتیگراد (1000 کیلوگرم در متر 3) دارد ، در حالی که چگالی یخ 917 کیلوگرم در متر 3 است. حدود 9 ٪ متفاوت است و بنابراین یخ روی آب مایع شناور می شود

حجم یک اتم و هسته

ساختار ماده.

اتم از یک هسته کوچک اما عظیم تشکیل شده است که توسط ابری از الکترونهای به سرعت در حال حرکت احاطه شده است. هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است. شعاع هسته ای معمولی از سفارش 10 - 14 متر است. شعاع هسته ای را می توان با توجه به فرمول زیر با فرض شکل کروی محاسبه کرد:

جایی که r₀= 1. 2 x 1 0-15 m = 1. 2 fm

بنابراین، اگر از این تقریب استفاده کنیم، انتظار داریم حجم هسته به ترتیب 4/3πr 3 یا 7, 23 × 10-45 m 3 برای هسته های هیدروژن یا 1721 × 10 - 45 m 3 برای 238 U باشد. هسته هااینها حجم هسته هستند و هسته های اتمی (پروتون ها و نوترون ها) حدود 99. 95٪ از جرم اتم را شامل می شوند.

آیا اتم فضای خالی است؟

تصویری تصویری از اتم هلیوم-4 با ابر الکترونی در سایه های خاکستری. پروتون ها و نوترون ها به احتمال زیاد در یک فضا، در نقطه مرکزی یافت می شوند. منبع wikipedia. org مجوز CC BY-SA 3. 0

حجم یک اتم حدود 15 مرتبه بزرگتر از حجم یک هسته است. برای اتم اورانیوم، شعاع واندروالس در حدود 186 pm = 1. 86 × 10-10 متر است. شعاع واندروالس، r_w، یک اتم شعاع یک کره سخت خیالی است که نشان دهنده فاصله نزدیکترین نزدیک برای اتم دیگر است. اتم اورانیوم دارای حجمی در حدود 26. 9 × 10-30 متر مکعب است، با فرض یک شکل کروی. اما این فضای "عظیم" عمدتاً توسط الکترون ها اشغال می شود زیرا هسته فقط حدود 1721×10-45 متر مکعب از فضا را اشغال می کند. این الکترون ها با هم تنها کسری (مثلاً 0. 05٪) از کل اتم را وزن می کنند.

شاید به نظر برسد که فضا و ماده خالی است اما اینطور نیست . به دلیل ماهیت کوانتومی الکترون ها، الکترون ها ذرات اشاره گر نیستند و روی کل اتم پخش می شوند. توصیف کلاسیک را نمی توان برای توصیف چیزها در مقیاس اتمی استفاده کرد. در مقیاس اتمی، فیزیکدانان دریافته اند که مکانیک کوانتومی چیزها را به خوبی در آن مقیاس توصیف می کند. مکان های ذرات در مکانیک کوانتومی در موقعیت دقیقی نیستند و با تابع چگالی احتمال توصیف می شوند. بنابراین فضای یک اتم (بین الکترون ها و هسته اتم) خالی نیست. با این حال، تابع چگالی احتمال الکترون ها (معمولاً به عنوان "ابر الکترونی" شناخته می شود) پر می شود.

حجم مایع خنک کننده در سیستم خنک کننده راکتور

راکتور هسته ای و سیستم خنک کننده اولیه WWER-1200. منبع: gidropress. podolsk. ru با اجازه AO OKB "ГИДРОПРЕС" استفاده می شود

• کشتی راکتور حاوی سوخت هسته ای است
• چهار حلقه انتقال حرارت موازی متصل به یک مخزن راکتور.
• هر حلقه شامل یک پمپ خنک کننده اصلی و یک مولد بخار است.
• این سیستم شامل یک فشار دهنده و سیستم های کمکی آن است

تمام اجزای RCS در داخل ساختمان محفظه قرار دارند.

آب مایع فشرده شده در داخل کشتی راکتور ، حلقه ها و ژنراتورهای بخار در عملکرد عادی وجود دارد. فشار در حدود 16MPa حفظ می شود. در این فشار ، آب تقریباً 350 درجه سانتیگراد (662 درجه فارنهایت) جوش می یابد. دمای ورودی آب در حدود 290 درجه سانتیگراد (554 درجه فارنهایت) است. آب (خنک کننده) در هسته راکتور تا حدود 325 درجه سانتیگراد (617 درجه فارنهایت) گرم می شود زیرا آب از طریق هسته جریان می یابد. همانطور که مشاهده می شود ، راکتور حاوی خنک کننده های زیر قشر تقریباً 25 درجه سانتیگراد (فاصله از اشباع) است. این فشار زیاد توسط فشار دهنده ، یک کشتی جداگانه که به مدار اولیه (پای گرم) وصل می شود و تا حدی پر از آب (جزئی با بخار اشباع شده) است که برای فشار مورد نظر گرم می شود (تا حدی با بخار اشباع)بخاری های برقی غوطه ور. دمای موجود در فشار را می توان در دمای 350 درجه سانتیگراد حفظ کرد. حدود 60 ٪ از حجم فشار دهنده آب فشرده شده را در شرایط عادی اشغال می کند و حدود 40 ٪ از حجم بخار اشباع را اشغال می کند.

حجم PWR معمولی در جدول زیر قرار دارد.

این یک مثال مصور است و داده های زیر با هیچ طراحی راکتور مطابقت ندارند.

لازم به ذکر است که حجم خنک کننده با دمای خنک کننده به طور قابل توجهی تغییر می کند. جرم کل مایع خنک کننده همیشه یکسان است. تغییر در حجم آب تغییر موجودی آب نیست. حجم خنک کننده راکتور به دلیل تغییر در چگالی با دما تغییر می کند. بیشتر مواد در هنگام خنک شدن ، گرم می شوند و منقبض می شوند. با این حال ، میزان انبساط یا انقباض بسته به ماده متفاوت است. این پدیده به عنوان انبساط حرارتی شناخته می شود. تغییر حجم ماده ای که دما را تحت تأثیر قرار می دهد با رابطه زیر آورده شده است:

جایی که تغییر دما است ، V حجم اصلی است ، ∆V تغییر حجم و α است_Vضریب گسترش حجم است. چگالی آب مایع (فشرده شده) به عنوان تابعی از دمای آب

ضریب انبساط حرارتی حجمی برای آب در محدوده دما ثابت نیست و با درجه حرارت (به خصوص در دمای 300 درجه سانتیگراد) افزایش می یابد. بنابراین تغییر چگالی با دما خطی نیست (همانطور که در شکل نشان داده شده است).

در شرایط عادی ، حجم کل خنک کننده در سیستم خنک کننده راکتور تقریباً ثابت است. از طرف دیگر ، در شرایط بار گذرا ، حجم می تواند به طور قابل توجهی تغییر کند. این تغییرات به طور طبیعی در تغییر در سطح آب فشار دهنده منعکس می شود. هنگامی که میانگین دمای خنک کننده راکتور به تدریج کاهش می یابد ، حجم کل آب نیز کاهش می یابد که باعث کاهش سطح فشار می شود. در وانت تدریجی ، افزایش در دمای متوسط خنک کننده راکتور باعث می شود که حجم کل آب کل افزایش یابد و سطح فشار را بالا ببرد. این اثرات باید توسط یک سیستم کنترل سطح فشار دهنده کنترل شود.

حجم کنترل - تجزیه و تحلیل حجم کنترل

حجم کنترل یک منطقه ثابت در فضا است که برای مطالعه ترمودینامیکی تعادل جرم و انرژی برای سیستم های جاری انتخاب شده است. مرز حجم کنترل ممکن است یک پاکت واقعی یا خیالی باشد. سطح کنترل مرز حجم کنترل است.

به عنوان مثال ، از تجزیه و تحلیل حجم کنترل می توان برای تعیین میزان تغییر حرکت برای یک سیال استفاده کرد. این تجزیه و تحلیل همانطور که برای معادله Beoulli انجام دادیم ، یک لوله جریان (حجم کنترل) را در نظر می گیرد. در این حجم کنترل ، هرگونه تغییر در حرکت مایعات در یک حجم کنترل به دلیل عملکرد نیروهای خارجی بر روی مایع در حجم است.

همانطور که از تصویر مشاهده می شود ، می توان از روش حجم کنترل برای تجزیه و تحلیل قانون حفاظت از حرکت در مایعات استفاده کرد. حجم کنترل یک سطح خیالی است که حجم مورد علاقه را محصور می کند. حجم کنترل می تواند ثابت یا در حال حرکت باشد و می تواند سفت و سخت یا تغییر شکل باشد. برای تعیین کلیه نیروهایی که بر روی سطوح حجم کنترل عمل می کنند ، باید قوانین حفاظت را در این حجم کنترل حل کنیم.

انتخاب حجم کنترل

یک حجم کنترل را می توان به عنوان هر حجم دلخواه که از طریق آن سیال جریان می یابد ، انتخاب کرد. این حجم می تواند در طول جریان استاتیک ، متحرک و حتی تغییر شکل باشد. برای حل هر مشکلی ، ما باید قوانین اساسی حفاظت را در این جلد حل کنیم. دانستن همه سرعت جریان نسبی به سطح کنترل بسیار مهم است. بنابراین تعریف دقیقاً مرزهای حجم کنترل در طی یک تحلیل بسیار مهم است.

مثال: جت آب که به یک صفحه ثابت حمله می کند

1. فشار فشار به عنوان فشار در ورودی صفر است و رسانه ها به حجم کنترل جوی هستند.
2. از آنجا که حجم کنترل کوچک است ، می توانیم به دلیل وزن گرانش ، نیروی بدن را نادیده بگیریم.
3. F_x= ρ. q. (w_1x w_2x) = 1000. 1.(1 - 0) = 1000 N F_y= 0 f = (1000 ، 0)
4. نیروی حاصل در هواپیما همان بزرگی است اما در جهت مخالف به عنوان نیروی کل F (اصطکاک و وزن مورد غفلت قرار می گیرد).

H جت آب در صفحه X در صفحه X در صفحه اعمال می شود.