Оглавление:
Термодинамика плазмы. Состояние плазмы
- В настоящее время электродвигатель является наиболее перспективным для длительного полета в солнечной системе. Они могут использоваться для изменения орбит спутников Земли. Во многих других случаях. Внутри электродвигателя сначала может быть размещен плазменный двигатель, в котором поток плазмы генерирует реактивный двигатель. Энергия подается в плазму нагреванием (джоулевым нагревом плазмы током, протекающим через плазму) или ускорением плазмы с помощью магнитного поля. Магнитное поле плазменного магнитогидродинамического двигателя(МГД) не только ускоряет плазму, но и препятствует контакту со стенками камеры и выходным соплом.
Длительное удержание плазмы за счет магнитных полей выполнить сложно, поэтому плазменный двигатель работает в импульсном режиме. Плазма называется ионизированным газом. Во время ионизации электроны удаляются от атома. Атомы и молекулы, потерявшие электроны, приобретают положительный заряд и становятся ионами. Плазма состоит из ионов и electrons. By количество Суммарный заряд положительно и отрицательно заряженных частиц в плазме равен нулю. Это квази-нейтральная плазма. Однако плазма не является полностью ионизированным газом. Если ионизация в Газе произведена легкой ионизацией добавки щетки, то газ едва ли ионизирован и только часть атомов добавки ionized.
Установившийся ламинарный поток через круглую трубу является одним из многих случаев, для которого можно получить простое, точное решение уравнений Навье — Стокса. Людмила Фирмаль
В этом случае плазма частично ионизируется. Между плазмой и газом нет резкой границы. Плазма следует законам газа и во многом ведет себя подобно газу. Но поскольку свободно движущиеся электроны в плазме могут переносить ток, то плазма проявляет ряд свойств, которыми обладают электролиты и твердые проводники (металлы, полупроводники). Когда сильное магнитное поле воздействует на плазму, в ней появляются определенные свойства. Особенности этих плазм определяются далекой природой электрических сил взаимодействия между составляющими их частицами.
Поэтому в Газе в случае силы притяжения потенциал межмолекулярной силы®пропорционален 1 / g *(r-расстояние между молекулами), а потенциал взаимодействия между частицами плазмы следует закону кулона f(g) −1 / g для долгосрочного долгосрочного взаимодействия. В газах, происходит большое количество столкновений между молекулами, поэтому равновесное состояние быстро устанавливается. Столкновения редки в разреженной плазме и менее вероятны для установления состояния равновесия, которое уменьшается с увеличением температуры. Высокая плотность, особенно слабо ионизированная плазма, должна находиться в термическом равновесии.
Разреженная, полностью ионизированная плазма может находиться в неравновесном состоянии длительное время. time. In это плазма, термодинамическое описание состояния которой неуместно. В состоянии теплового равновесия, распределение энергии газа следует закону Максвелла. Согласно этому закону средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от ее свойств и пропорциональна абсолютной температуре газа (21.1） Где k-постоянная Больцмана. Для одноатомного газа с 3 степенями свободы в поступательном движении среднее значение энергии на 1 степень свободы равно-kT.
Аналогичные соотношения применимы и к полностью ионизированной плазме, а электроны и ионы могут совершать только поступательные движения. При температурах до 2500 ° С газ не считается плазмой. В диапазоне температур 2500-6000°к Свойства плазмы проявляются в газах, содержащих легкоионизируемые добавки, такие как натрий, калий и др. cesium. In в такой частично ионизированной плазме концентрация электронов достаточна, поэтому электрическое и магнитное поля оказывают заметное влияние на движение газа. В интервале температур 6000-25 000°К в Газе наблюдается значительная концентрация электронов, а при температурах до 1000°с 0°К происходит разделение атомного ядра и свободных электронов.
To чтобы получить полностью ионизированную плазму, необходимо нагреть газ до такой температуры, чтобы средняя тепловая энергия атома была больше его ионизационного потенциала. Один уз. (21.2） Для водорода или дейтерия 3 = 13,54 эВ получается полностью ионизированная плазма при температуре Т> » 1°к- 1.37 10-» Поскольку плазма обладает многими специфическими свойствами, в понятии температуры существует множество определений, и из-за их разнообразия невозможно оставаться в текущем и считать его единственно правильным one. In в случае плазмы, находящейся в частичном термодинамическом равновесии, электрон Te и Ион T могут быть distinguished. Temperature.
В этом случае плазму можно считать смесью электрона и ионного газа, а распределение скоростей частиц каждого газа является распределением Максвелла(хотя и электрон, и ионный газ не находятся в равновесии).при достаточно высокой плотности плазма будет находиться в термическом равновесии, Т,= Т|.Такая плазма называется isothermal. At очень низкие плотности, плазма не входит в состояние теплового равновесия, и понятие температуры не принимается. Для плазмы в магнитном поле вводятся 2 температуры, соответствующие продольным и поперечным движениям плазмы вдоль и поперек магнитного поля. 1. одним из важнейших параметров ионизированного газа является давление.
Если давление превышает 10-1 бар, то среда считается непрерывной. в области p =(10-10-10 бар) газ не является сплошной средой, а представляет собой простой набор независимых particles. At при более низком давлении газ можно считать серией частиц, которые движутся независимо друг от друга. Если энергия взаимодействия между частицами мала по сравнению с кинетической энергией частицы, то давление в плазме (в барах) можно определить из уравнения состояния идеального газа. П =(л,+₍) кт = 1.6(нэ+₁) т-ы-м (21.3） Где ps и N ₍- концентрация электронов и ионов(число этих частиц меньше 1). При значительном увеличении плотности плазма перестает вести себя как идеальный газ.
- Отклонения от законов идеальных газов связаны с явлением электростатического взаимодействия частиц плазмы и денатурацией плазмы. Внутренняя энергия плазмы в этом случае представляет собой сумму внутренней кинетической энергии, равной внутренней энергии идеального газа E «» n = um и средней энергии электростатического взаимодействия (/«). У (21-4)） IL = — | — («Т,+₁₁₁).
Энергия электростатического взаимодействия определяется электростатической формулой двух типов противоположно заряженных частиц、 ИГ = — Ы, (21.6） Где E-заряд частицы. N-количество частиц этого типа в объеме U. g-радиус устройства, определяющий глубину проникновения внешнего электрического поля в плазму. Для некогда полностью или частично ионизированной плазмы (n » = P; = n） (21.7） Следовательно, внутренняя энергия плазмы, уравнение И=и»я-нет.» Используя дифференциальные уравнения термодинамики, значения внутренней энергии могут быть использованы для определения изоволюмического-изотермического потенциала, энтропии, теплоемкости и других параметров плазмы.
При росте значений критерия Рейнольдса сверх указанной величины длина участка стабилизации сначала быстро сокращается приблизительно до 4, а затем начинает снова увеличиваться. Людмила Фирмаль
Из Формулы (18.27) Откуда / = ■ = — м ^ — ^ — — АТН-ст. Из теоремы Нернста, мы можем доказать, что c = 0. Уравнение теплового состояния плазмы, ее энтропия могут быть определены из соотношения (18-26). П=-= ————（21.11） Память от Н/ Г и 3 в КТУ * ⁵ — — — (Tg), 121121 Равная теплоемкость su = — Tt⁰ s * = BH + tL, s * 1 / ’5 ^ r — ⁽2NZ⁾ Энтальпию плазмы можно определить с помощью зависимости/ = I / + pU. (21.14） Давление плазмы и Энтропия меньше энтропии идеального газа из-за доминирующего влияния гравитационного притяжения. Энергия расходуется в 2-х направлениях, поэтому теплоемкость плазмы больше теплоемкости идеального газа.
Это происходит потому, что изменяется кинетическая энергия частицы, а также потому, что изменяется средняя потенциальная энергия взаимодействия между противоположно заряженными частицами. Рассматривая электрическое взаимодействие таким образом, становится очень трудно определить взаимодействие многих частиц, поэтому могут быть сделаны только приблизительные расчеты. Применение законов термодинамики ограничено высокой плотностью, при которой Энергия плазмы и ее давление определяются не электрическим взаимодействием, а вырождением phenomena.
Кроме того, когда вырожденная энергия (энергия Ферми) больше тепловой и электростатической энергии, Энергия плазмы и давление определяются энергией и давлением вырожденного электронного газа. Энергия и давление вырожденных электронных газов определяются методом статистической физики. При расчете свойств плазмы при высоких температурах необходимо учитывать излучение account. At низкие температуры, энергия излучения меньше, чем кинетическая энергия particles. In При высоких температурах лучистая энергия сравнима со всей внутренней энергией, а нарушение радиального равновесия приводит к отклонению от равновесного распределения энергии частиц.
Исследование термодинамических свойств газов до 1000°к не учитывает имеющееся в них излучение. Температуру, при которой следует учитывать излучение частиц, можно определить следующим образом: Полная плотность энергии равновесного излучения определяется законами Стефана Больцмана (21.15)） Где o-экспериментально или статистически определенная постоянная Стефана Больцмана. о = 5.68-10_watt /(degrpa). Если плотность энергии равновесного излучения равна плотности энергии теплового движения частиц при kTn, то при ’= ^ k. (21.16） Таким образом, при полной температуре ионизации плазмы T = 100 000°к плотность лучистой энергии становится доминирующей.
Эго приводят к трудностям в изолирующем плазменном разделении при температуре термоядерной реакции (T » 1 000 000°K).Если интенсивность излучения полного черного тела однозначно определяется его температурой (закон Стефана Больцмана), то плазма термически уравновешена. Но в редких случаях плазма излучается как черное тело, и радиационный баланс нарушается из-за наличия»холодной» стенки. Стенки не только поглощают лучистую энергию, но и обеспечивают каталитический эффект и электрическое воздействие на плазменный процесс.
Наличие градиента температуры на стенке вызывает концентрационную диффузию и восстанавливает локальное равновесие только тогда, когда скорость реакции выше скорости диффузии. И, наконец, дисбаланс может быть вызван наличием электромагнитных гидродинамических эффектов, обусловленных наличием заряженных частиц. В полностью ионизированной плазме скорость процесса ионизации равна скорости процесса рекомбинации. Такое стационарное состояние совпадает с состоянием термодинамического равновесия замкнутого system.
Открытая система, она не энергетически изолирована(она может подавать или отводить энергию) и установившееся состояние ионизации не всегда совпадает с состоянием термодинамического равновесия. Поэтому при термодинамическом расчете плазмы необходимо учитывать как излучение плазмы, так и степень ее ионизации. Несмотря на различные явления, связанные с плазмой, ее состояние в настоящее время определяется Разделить от статистических зависимостей.
Смотрите также:
| Влияние температуры на скорость химической реакции | Термодинамика необратимых процессов |
| Активация | Виды теплообмена |
