Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 2
de producir materiales para armamentos nucleares. Cuando un átomo de uranio-
235 absorbe un neutrón y se divide durante un proceso de fisión, produce un
átomo de cesio-140, un átomo de rubidio-93, 3 neutrones y 3.2 10 11 J de
energía. En términos prácticos, la fisión completa de 1 kg de uranio-235 libera
6.73 10 10 kJ de calor, lo que equivale a una cantidad superior al calor desprendido
por quemar 3 000 toneladas de carbón. Por lo tanto, con una misma
cantidad de combustible, una reacción de fisión nuclear genera varios millones
más de energía que una reacción química. Sin embargo, aún es un problema
desechar los residuos del combustible nuclear en un lugar seguro.
La energía nuclear por fusión se libera al combinar dos núcleos pequeños
en uno más grande. La enorme cantidad de energía que irradian el Sol y las
otras estrellas se origina a partir de procesos de fusión en los que dos átomos
de hidrógeno se combinan para formar un solo átomo de helio. Cuando dos
núcleos de hidrógeno pesado (deuterio) se combinan durante un proceso de
fusión, producen un átomo de helio-3, un neutrón libre y 5.1 10 13 J de
energía (Fig. 2-8).
En la práctica, las reacciones de fusión son mucho más difíciles de lograr
debido a la fuerte repulsión entre los núcleos con carga positiva, llamada repulsión
de Coulomb. Para vencer esta fuerza repulsiva y conseguir que se fusionen
los dos núcleos, el nivel de energía de éstos debe elevarse calentándolos hasta
cerca de los 100 millones de °C. Sin embargo, temperaturas tan altas sólo se
encuentran en las estrellas o en las explosiones de bombas atómicas (bomba-A).
De hecho, la reacción de fusión fuera de control en una bomba de hidrógeno
(bomba-H) se inicia por la explosión de una bomba atómica pequeña. La reacción
de fusión no controlada se logró a principios de la década de los cincuenta,
pero desde entonces, para lograr la fusión controlada, han fallado todos los
esfuerzos para generar energía realizados mediante rayos láser masivos, potentes
campos magnéticos y corrientes eléctricas.
Uranio
U-235
n
neutrón
a) Fisión de uranio
H-2
H-2
b) Fusión de hidrógeno
3.2 × 10 –11 J
Ce-140
n
n
n
Rb-93
n
He-3
3 neutrones
neutrón
5.1 × 10 –13 J
FIGURA 2-8
Fisión de uranio y fusión de hidrógeno
en las reacciones nucleares, con su consecuente
liberación de energía nuclear.
EJEMPLO 2-1 Automóvil accionado con combustible nuclear
En promedio, un automóvil consume alrededor de 5 L de gasolina por día y la
capacidad de su depósito de combustible es de 50 L. Por lo tanto, es necesario
reabastecer un automóvil una vez cada 10 días. Asimismo, la densidad
de la gasolina varía entre 0.68 y 0.78 kg/L, y su poder calorífico inferior es
aproximadamente de 44 000 kJ/kg (es decir, cuando se quema por completo
1 kg de gasolina se liberan 44 000 kJ de calor). Suponga que están resueltos
todos los problemas relacionados con la radiactividad y la eliminación de
los desechos producidos por los combustibles nucleares, y que un automóvil
nuevo utilizará como combustible U-235. Si el carro viene equipado con 0.1
kg de U-235, determine si este automóvil requerirá ser reabastecido en condiciones
de manejo promedio (Fig. 2-9).
Combustible
nuclear
FIGURA 2-9
Esquema para el ejemplo 2-1.
Solución Se tiene un automóvil que utiliza combustible nuclear y es necesario
determinar si alguna vez el automóvil requerirá ser reabastecido de combustible.
Suposiciones 1 La gasolina es una sustancia no compresible con una densidad
promedio de 0.75 kg/L. 2 El combustible nuclear se convierte por completo en
energía térmica.
Análisis La masa de gasolina que el automóvil usa por día es
m gasolina 1rV 2 gasolina 10.75 kg >L 2 15 L >día 2 3.75 kg >día
Observe que el poder calorífico de la gasolina es de 44 000 kJ/kg, por lo que
la energía proporcionada por día al automóvil es de
E 1m gasolina 21Poder calorífico 2
13.75 kg >día 2 144 000 kJ >kg 2 165 000 kJ >día