Dióxido de uranio | Densidad, punto de fusión, conductividad térmica

Acerca del dióxido de uranio

El dióxido de uranio es un compuesto de uranio refractario cerámico, en muchos casos utilizado como combustible nuclear. La mayoría de los LWR utilizan el combustible de uranio, que se encuentra en forma de dióxido de uranio (químicamente UO2). El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con una conductividad térmica muy baja. Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y un comportamiento bien conocido. El dióxido de uranio tiene una densidad significativamente menor que el uranio en forma metálica. El dióxido de uranio tiene una densidad de 10,97 g / cm3, pero este valor puede variar con el quemado del combustible, porque a un quemado bajo se puede producir una densificación de los gránulos y con un quemado más alto se produce un hinchamiento.

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Resumen

Nombre	Dióxido de uranio
Fase en STP	sólido
Densidad	10970 kg / m3
Resistencia a la tracción	N / A
Límite de elastacidad	N / A
Módulo de Young	N / A
Dureza Brinell	N / A
Punto de fusion	2847 ° C
Conductividad térmica	8,68 W / mK
Capacidad calorífica	235 J / g K
Precio	60 $ / kg

Densidad del dióxido de uranio

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen: ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es kilogramos por metro cúbico ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico ( lbm / ft ³ ).

La densidad del dióxido de uranio es 10970 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de dióxido de uranio, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,45 m .

Densidad de materiales

Tabla de materiales - Densidad de materiales

Propiedades térmicas del dióxido de uranio

Dióxido de uranio – Punto de fusión

Punto de dióxido de uranio de fusión es de 2847 ° C .

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.

Dióxido de uranio: conductividad térmica

La conductividad térmica del dióxido de uranio es de 8,68 W / (m · K) .

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción . Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo que también se define para líquidos y gases.

La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Dióxido de uranio – Calor específico

El calor específico de dióxido de uranio es 235 J / g K .

El calor específico, o capacidad calorífica específica, es una propiedad relacionada con la energía interna que es muy importante en termodinámica. Las propiedades intensivas c _v y c _p se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la energía interna u (T, v) y la entalpía h (T, p) , respectivamente:

donde los subíndices v y p denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades c _v y c _p se denominan calores específicos (o capacidades caloríficas ) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son J / kg K o J / mol K .

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Dióxido de Uranio con una conductividad térmica de k ₁ = 8,68 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente de transferencia de calor general está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente de transferencia de calor general se puede calcular como: