什么是物质守恒定律-定义

物质/质量守恒定律。物质守恒定律或质量守恒原理表明质量既不能被创造也不能被毁灭。优德app热能工程

物质守恒定律-质量守恒

物质守恒定律或者,物质守恒原理认为,一个物体或一组物体的质量永远不会随着时间的推移而改变,无论组成部分如何重新排列。

质量既不能产生,也不能消灭。

法律要求在任何核反应放射性衰变化学反应在孤立系统中,总反应物的质量或起始材料必须等于产品质量

大规模保护的概念广泛用于许多领域,如化学,力学和流体动力学优德体育w88官网手机版。在化学中,物质守恒定律可以用下列方法来解释(见甲烷燃烧图)。广大的群众甲烷氧气 在一起一定等于二氧化碳和水的质量。换句话说,在化学反应中,你必须以一开始的东西结束,但它可能看起来不同。
物质守恒定律

从历史上看,已经古希腊人已经提出了这个想法物质总量在宇宙中常数。质量守恒原理是由米哈伊尔·罗蒙诺索夫在1748年。然而,物质守恒定律(或原理)质量/环保问题)是物理学的基本原理安东尼·拉瓦锡在18世纪晚期。这对进步非常重要从炼金术到现代化学。在此发现之前,有问题如:

  • 为什么一块木头燃烧后变轻了?
  • 可能是一个或某些部分消失吗?

就烧过的木头来说,问题是重量的测量释放的气体。测量释放气体的重量是复杂的,因为浮力效应地球对气体重量的气氛。曾经理解,物质守恒对从炼金术到现代化学的现代自然科学的进展至关重要。

例:堆芯流量守恒
在本例中,我们将计算流量通过A.反应堆堆芯连续性方程。它是一个说明性示例,后面的数据不代表任何反应堆设计。

=ṁ

(ρav)=(ρAv)

____________________________

图-密度-水温
密度是水温度的函数

压水反应堆被冷却和调节高压液体水如16 mpa)。在这个压力下,水大约在350°C(662°F)。进水温度约为290°C.⍴~ 720kg /m3.)。反应堆堆芯中的水(冷却剂)被加热到大约325°C⍴~ 654 kg/m3.)随着水流过核心。

典型的一次电路压水式反应堆分为4个独立回路(管径~ 700mm),每个回路由一个蒸汽发生器和一个主冷却液泵。在反应堆压力容器(RPV)内部,冷却剂首先流向反应堆堆芯外(通过下水管)。从压力容器的底部,流量是反向通过核心冷却剂通过燃料棒和由燃料棒组成的组件时,温度会上升。

计算:

  • 主管道体积流量(m3./秒),
  • 主要管道流速(M / s),
  • 岩心入口流速(m/s),
  • 岩心出口流速(m/s)

  • 一次管道热段的质量流量等于4648 kg / s
  • 反应堆核心流横截面等于5米2
  • 一次管道流量截面(单回路)等于0.38米2

结果:

连续性方程 - 反应堆流速
反应器中流速的例子。这是一个说明性的例子,数据并不代表任何反应堆设计。

冷腿容积流量:

问:= ṁ /⍴= 4648 / 720 = 6.46米3./ s =23240米3./煤斗

冷腿流速:

一种1=π.d.2/ 4.

V.=问:/ 一种1= 6.46 / (3.14 x 0.72/ 4) = 6.46 / 0.38 =17米/秒

热腿体积流量:

问:热的= ṁ /⍴= 4648/654 = 7.11米3./ s =25585米3./煤斗

热腿流速:

一个=π.d2/ 4.

V.热的=问:热的/ 一种1= 7.11 / (3.14 x 0.72/ 4) = 7.11 / 0.38 =18日,7米/秒

或根据连续性方程

1。一种1。V.1=⍴2。一种2。V.2

V.热的= v。⍴/⍴热的= 17 x 720 / 654 =18.7米/秒

核心入口流速:

一种核心= 5米2

一种管道= 4 x A1= 4 x 0.38 = 1.52米2

入口=⍴

根据连续性方程

入口。一种核心。V.入口=⍴。一种管道。V.

V.入口= v。一种管道/ 一种核心= 17 x 1.52 / 5 =5.17米/秒

核心出口流速:

入口=⍴

出口=⍴热的

根据连续性方程

出口。一种核心。V.出口=⍴入口。一种核心。V.入口
V.出口= v入口。⍴入口/⍴出口= 5.17 x 720 / 654 =5.69米/秒

狭义相对论中的物质守恒定律

在20世纪初,大众的概念经历了一次彻底的修正。失去了它的质量绝对。最显著的结果之一爱因斯坦的相对论是,质量和能量是等价的和可转换的一个变成另一个。等价质量和能量的关系可以用爱因斯坦著名的公式来描述E = MC.2。的话说,活力=质量乘以光速的平方。因为光速是一个非常大的数字,这个公式意味着任何少量的物质都包含着非常大的能量。人们认为,一个物体的质量等同于能量,可以与能量相互转换,并以接近光速的极快速度显著增加。这总能量一个物体被理解是由它组成的静止质量以及它的增加质量由此引起的增加动能

在特殊的相对论中某些类型的物质可以创造,也可以毁灭而是在所有这些过程中,与这些物质相关的质量和能量数量保持不变。它是在一个原子核的静止质量比组成它的质子、中子和电子的静止质量之和要小得多。在封闭系统中,质量不再被认为是不可改变的。差异是衡量核结合能使原子核保持在一起。根据爱因斯坦关系(E = MC.2)这个结合能正比于这个质量差,它被称为质量缺陷

例如:63Cu的质量缺陷
计算质量缺陷A.63原子核的实际质量63铜在其核基态为62.91367 u。

63铜原子核有29个质子,还有(63 - 29)34个质子中子

质子的质量是1.00728 U.和一个中子是1.00867 u

合质量为:29个质子x (1.00728 u/质子)+ 34个中子x (1.00867 u/中子)=63.50590 u

质量缺陷是Δm = 63.50590 u - 62.91367 u =0.59223 u

将质量缺陷转化为能量(核结合能)。

(0.59223 u/核)x (1.6606 x 10-27年kg / u)=9.8346 x 10-28年公斤/核

ΔE =Δmc2

ΔE = (9.8346 x 10-28年kg / nucleus)x(2.9979 x 108.米/秒)2=8.8387 x 10-11年J / Nucleus.

在前面的例子中计算的能量是核结合能。然而,核结合能量可以表示为KJ / mol(以便更好地理解)。

计算1摩尔的核结合能量63铜:

(8.8387 x 10-11年j / nucleus)x(1 kj / 1000 j)x(6.022 x 1023核/ mol)=5.3227 x 1010焦每摩尔的细胞核。

一摩尔的63Cu(〜63克)受核绑定能量的约束(5.3227 x 1010KJ / MOL)相当于:

  • 1480万千瓦时(≈15gw·h)
  • 336,100美加仑的汽车汽油
示例:反应器芯的质量缺陷
计算质量缺陷3000兆瓦th 反应堆堆芯经过一年的运作。

它是已知的平均值每个裂变的可收回能量是关于200伏等于总能量减去的能量反中微子它们被辐射出去。

反应速率每整3000兆瓦th堆芯是关于9.33×1019裂缝/第二次

整体能量释放焦耳的单位是:

200×106.(eV) x 1.602×10-19年(j / ev)x 9.33×1019(年代1) x 31.5×106.(年的秒数)=9.4×1016J /年

大规模缺陷计算为:

Δm =ΔE / c2

Δ米= 9.4×1016/(2.9979 x 108.2=1.046公斤

这意味着典型3000年mwth大约1公斤物质的反应堆核心是转换进入纯粹的能量。

注意,典型的年度为A负载3000年mwth堆芯是关于20吨浓缩铀(即关于22.7吨UO2)。整个反应器核心可能含有约80吨的富含铀。

质量缺陷直接来自E=mc2

质量缺陷可以直接从爱因斯坦关系(E = MC.2):

Δm =ΔE / c2

Δm = 3000×106.(w = j / s)x 31.5×106.(秒)/ (2.9979 x 108.2=1.051公斤

原子核结合能曲线。
原子核结合能曲线。
来源:HyperphySics.phy-Astr.gsu.edu.

核分裂核聚变,一些质量的核被转化为大量的能量,因此从原始颗粒的总质量中除去该质量,并且在所得细胞核中缺少质量。核结合能它们是巨大的,它们的数量级是原子的电子结合能的一百万倍。

一般来说,在两个化学核反应,发生休息质量和能量之间的一些转化,使得产物通常比反应物更小或更大。因此,新的保护原则是储蓄质量能量

参见:从裂变中释放

大众缺陷

物质 - 建立反物质
物质和反物质-比较-反物质反物质 创建自然地发生在高能过程包括宇宙射线,以及地球加速器的高能实验。高能宇宙射线撞击地球大气层(或太阳系中的任何其他物质),在产生的粒子喷流中产生极少量的反粒子,这些反粒子在与附近物质接触时立即湮灭。每次正电子与附近物质湮灭时产生的两束伽马射线(511 keV)都能探测到反物质的存在。

反物质创造也很常见核衰变许多同位素。让我们假设衰变40。自然发生的是由三种同位素组成的40K是放射性。的痕迹40K存在于所有钾元素中,是最常见的放射性同位素人体40K是钾的一种放射性同位素,其半衰期很长,为1.251×109.岁月和经历这两种类型β衰变

  • 大约89.28%的时间(10.72%是通过电子捕获),它衰变为钙-40 (40加利福尼亚州)β粒子(β.(一个电子)的最大能量为1.33兆电子伏特和一个反中微子,这是一个反粒子中微子
  • 很少(0.001%的时间)它将腐烂40通过发射a正电子(β+)和一个中微子。

反物质的另一个有趣的来源是核反应堆核反应堆主要来源是人为产生的吗反中微子。这是由于抗内乳芽孢杆菌在负面产生的事实β衰变。在核反应堆中,尤其是β腐烂,是因为共同的特征裂变片段是过量的中子。请注意每秒有数十亿太阳中微子经过(几乎没有任何互动)通过每平方厘米(~6×1010),而反中微子辐射绝不是危险的。

最后,反物质是非常多的更常见的,而不是看起来的那样。

2011年1月,美国天文学会发现的研究反物质(积极)原始上面雷雨云层。建议在陆地伽马射线闪光(TGF)中形成这些正水。这些正弦在由云中的强电场加速的电子产生的伽马射线闪烁产生。TGFS是在雷暴中发生的简要爆发,与闪电相关联。在大气中,正弦和电子沿着抗碰撞,以产生更多的伽马射线。大约500个TGFS可能每天都在全球范围内发生,但主要是未被发现。

参见:电子正电子对生产

参见:反应堆作为反中微子的来源

物质-反物质湮灭
正电子湮没
当一个正电子(反物质粒子)静止时,它与一个电子相互作用,导致两个粒子的湮灭,并以两个方向相反的0.511 MeV光子的形式将它们的静止质量完全转化为纯能量。

正如上面所写的,一个粒子和它的反粒子具有相同的质量,但电荷相反,在量子数上有其他不同。也就是说,一个质子带正电荷,而一个反质子带负电荷,因此它们相互吸引。已知任何粒子与其反粒子的碰撞都会导致它们的相互作用毁灭自差饷和反物质携带巨大的能量(由于E = MC.2),它们的相互湮灭与强烈的产生有关光子伽马射线),中微子,有时也有质量较小的粒子-反粒子对。

其中一个最著名的过程是电子-正电子湮灭。当一个带负电荷的电子和一个带正电荷的正电子相撞时,电子-正电子湮灭就发生了。当一个低能电子湮灭一个低能正电子(电子的反粒子)时,它们只能产生两个或更多的光子(伽马射线)。的生产只有一个光子是禁止的因为线性动量和总能量守恒。另一种粒子的产生也被禁止,因为这两种粒子(电子-正电子)一起不能携带足够的质能来产生更重的粒子。当一个电子和一个正电子碰撞时,它们湮灭,导致它们的静止质量完全转化为纯能量(根据E=mc)2公式)以两种相反方向的0.511 MeV伽玛射线(光子)的形式出现。

E.+ e+→γ + γ (2x 0.511 MeV)

这个过程必须满足一些守恒定律,包括:

  • 保护电荷。之前和之后的净充电为零。
  • 线性动量守恒和总能量守恒。T
  • 角动量守恒。

流体动力学守恒守则优德体育w88官网手机版

质量既不能产生,也不能消灭。
连续性方程-定义
连续性方程-定义

这一原则通常被称为物质守恒原理并指出,一个物体或一组物体的质量永远不会随着时间改变,无论组成部分如何重新排列。这一原理可用于分析流动的液体。群众养育优德体育w88官网手机版国家所有的质量流量进入一个控制音量是相等的输出质量流量控制体积加上控制体积内的质量变化率。这一原理在数学上可以用以下方程表示:

=ṁ+∆米/∆t

单位时间内进入的质量=单位时间内离开的质量+单位时间内控制体积内质量的增加

连续性方程 - 反应堆流速
反应器中流速的例子。这是一个说明性的例子,数据并不代表任何反应堆设计。

这个方程描述了nonsteady-state流。非稳态流动是指系统中任意一点的流体性质随时间变化的情况。稳态流量指流体性质(温度,压力和速度)在系统的任何单点不随时间改变。但是在稳态流动系统中恒定的最重要的特性之一是系统质量流量。这意味着有没有积累在系统中的任何组件内的质量。

参见:连续性方程

连续性方程

连续性方程只是质量守恒原理的数学表达式。对于控制音量有单入口和一个单一的出口,质量守恒原理的状态,为稳态流,进入体积的质量流量必须等于输出的质量流量。

=ṁ

每单位时间进入群众=每单位时间留下

这个方程叫做连续性方程对于稳定的一维流动。对于通过有许多入口和出口的控制量的稳定流动,净质量流量必须为零,其中流入是负的,流出是正的。

这个原理可以应用于廉管道如上面所示。没有流体流过边界流线所以质量只通过流管的两端进入和离开。

流体运动时,必须以质量守恒的方式运动。为了了解质量守恒如何对速度场施加限制,考虑流体通过管道的稳定流动(即进出口流动不随时间变化)。

连续性方程的微分形式

一般连续性方程也可以写入微分形式

∂⍴/∂t+∇。(⍴͞v) = σ

在哪里

  • ∇。分歧,
  • ρ是q的密度,
  • ⍴⍴v是数量Q的磁通量,
  • σ是每单位体积每单位时间产生的q。产生(σ > 0)或去除(σ < 0) q的术语分别称为“源”和“汇”。如果q是一个守恒量(如能量),则σ等于0。
参考:
核与反应堆物理学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论导论,第二版,Addison-Wesley,雷丁,MA(1983)。
  2. J. R. Lamarsh, A. J. Baratta,核工程导论,3d版,prentices - hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1。
  3. W. M. Stacey,核反应堆物理,约翰瓦里和SONS,2001,ISBN:0-471-39127-1。
  4. Glasstone Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,施普林格;第4版,1994,ISBN: 978-0412985317
  5. W.S.C.威廉姆斯。核子与粒子物理。克拉伦登出版社;1版,1991,ISBN: 978-0198520467
  6. G.R.Keepin。核子动力学物理。addison - wesley酒吧。有限公司;第1版,1965年
  7. 罗伯特·里德·伯恩,《核反应堆运行导论》,1988年。
  8. 美国能源、核物理和反应堆理论部。美国能源部基础手册,卷1和2。1993年1月。

先进反应堆物理:

  1. K. O. Ott, W. A. Bezella,核反应堆静力学导论,美国核学会,修订版(1989),1989,ISBN: 0-894-48033-2。
  2. 《核反应堆动力学概论》,美国核学会,1985,ISBN: 0-894-48029-4。
  3. 李国强,核反应堆动力学,中国核科学研究院,1993,ISBN: 0-894-48453-2。
  4. E. E. Lewis,W.F.F. Miller,中子运输计算方法,美国核协会,1993年,ISBN:0-894-48452-4。

参见:

法律的保护

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