Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Следовательно, плазма — это электрически нейтральная в мвкроскопическом масштабе смесь, в каждом кубическом сантимет- ре которой содержится п, электронов, и, положительных ионов, а в низкотемпературной плазме еще и п, нейтральных атомов или молекул. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества, так как ее свойства резко отличаются от свойств тех же веществ, находящихся во всех других известных состояниях. Если Е„р„, — энергия притяжения между атомами и молекулами вещества, Е„„и Е„„„— энергия колебаний и кинетическая энергия атомов и молекул, Е„„— энергия ионизации вещества (энергия свя'- зи электронов с ядром), то с энергетической точки зрения все состоя- ния вещества характеризуются следующими соотношениями: твердое состояние — Е д ~ Еярцу ) Е жидкое состояние — Е „, ) Е„р„, ) Е„„„; газообразное состояние — Е„„) Е„„„) Е р„, плазменное состояние — Е , ~ Е„,„. Переход вещества из одного состояния в другое определяется коли- чеством теплоты, подведенной к веществу.
При сообщении твердому телу достаточного количества теплоты оно превращается в жидкость, а затем в пар (газ). дальнейшее нагревание и рост температуры приво. чят вначале к диссоциации сложных молекул, а затем к ионизацни ве- щества, т. е. к образованию плазмы. Плазма является не только нормальной формой существования ве. ществз'при температурах, больших 10' К, но и самым высокоэнерге- тичным состоянием, в котором средняя кинетическая энергия в расчете на одну частицу Е „такая же нли больше энергии ионизации.
Воз- можный диапазон этой энергии для плазмы очень велик и составля- ет 1 эВ ~ Е„„„< 2 10' эВ, тогда как для всем других состояний ве- ,щества (твердое, жидкое, газообразное) 0 < Е„„„( 1 эВ. ' йсз Рнс. !71. Дуговые электродные плавыотроны постоянного тока: о — с вихревой головой стлбилиээ. коей электрической дуги; б — с комбииировеииой 1вихревой и алек.
троиегиитиойу стебилиэекией дуги Во Вселенной плазма составляет более 99% — это вещество звезд,', Солнца, газов межзвездного и межпланетного пространства. На Земле из-за низкой' температуры и высокой плотности земного вещества и нижних слоев атмосферы естественной плазы практически нет и ее приходится создавать искусственно. Получение плазмы низкотемпературной и особенно высокотемпературной связано с большими техническими трудностями.
Лля по-; лучения низкотемпературной плазмы широко применяют так называемые генераторы плазмы, или плазмотроиы (рис. 17!). л уо Электрический ток (рис. 171, а) от 2 источника питания 1 подводится к .стержневому катоду 2 и цилиндрическому аноду 5, между которыми горит электрический разряд (дуга) 6. Рабочее вещество 3 в газообразном состоянии подается тангенциально в камеру 4 и, проходя через зону разряда, стабилизирует электрическую дугу, нагревается ф~' ',т ., г. у.д' у до высоких температур и переходит в э плазменное состояние.,В плазмотроне .е с комбинированной стабилизацией дуги (рис.!71,'б) магнитная катушка 7, уста. новленная на аноде, создает внутри анода небольшое магнитное поле (обычно 8000 — 40 000 Аг'м), взаимодействие 'которого с электрическим полем разряда обеспечивает дополнительное вращение и стабилизацию дуги.
Такие плазмотроны обеспечивают получение максимальных температур на уровне (5 —:8) 10" К, а среднемассовых — 10' К. Всевозрастающий йнтерес ученых, инженеров и технологов к физике плазмы связан с необходимостью решения ряда важнейших фундаментаяьных и прикладных задач, в которых плазма должна выполнять сложную роль и высокотемпературного рабочего тела, и носителя электрических зарядов, н источника электромагнитных излучений в широком диапазоне длин волн, и электромагнитной силовой динамической системы, и активной среды с инверсной населенностью.
К таким задачам-относятся создание управляемых термоядерных реакторов, магнитогидродинамических преобразователей тепловой энергии в электрическую, электрореактивных плазменных двигателей для космических аппаратов, мощных лазеров на основе низкотемпературной плазмы, сложного состава в качестве активной среды, плазмохимических реакторов, плазменно-технологических установок для плавки, резки, сварки и пайки металлов, нанесения пазличных по- крытий н др.. ' ' Перспективность плазмы как рабочего вещества для различных энергетических и энерготехнологических процессов и устройств (известных и еце не разработанных) хорошо видна из диаграммы, изображенной на рис.
172, где в координатах и, Е (плотность плазмы — энергия частицы) показана совокупность всех устройств, используемых для ускорения вешества. В течение тысячелетий человечество осваивало только область 1 (механические и газодинамические ' устройства), характеризуемую широким диапазоном плотности рабо- чего вещества и низки- я ~~ ми значениями энергии 17тгснЧ частиц, и область П гз' и .4- (ускорители заряженных частиц, в которых Юн плотность рабочего ве. 7 цгн! Лг 1 "т' 1 щества чрезвычайно мала, а энергия частиц ве- 1 лика). ~~в Плазма, как четвер- Х тое состояние вещества, 41 1 1з я' я' хаг я' м а на этой диаграмме зани- мает область Ш, при. Рнс.
!72. Диаграмма «»нергня частицы Š— плотчем все термоядерные ность н» системы занимают на диаграмме небольшой «островок» Т, а дуговые и высокочастотные установки и генераторы низкотемпературной плазмы укладываются в узкую область П!-К. Пути освоения и использования областей Л/ и )г пока не известны. Различные плазмодинамические системы, принципы действия которых определены, определяются в настоящее время или будут определены в будущем, обладая уникальными параметрами рабочего вещества (высокие плотности и энергии частиц), обеспечат : научно-технический прогресс не только в энергетике, но и во многих : других областях науки и техники.
$444. Общие свойства плазмы Процесс образования плазмы — это процесс ионизации нейтраль- 1 ных атомов и процесс последующей ионизации уже имеюшихся ионов. ', Для превращения нейтрального атома в ион необходимо затратить , определенную энергию, называемую энергией ионизации Е,, которая обычно выражается в электрон-вольтах (1 эВ = 1,6 10-т» Дж).
Если электрон, проходя в электрическом поле какую-то разность потенциалов, приобретает энергию, равную энергии ионизации данного элемента, то такая разность потенциалов называется потенциалом ионизации. Энергия (потенциал) ионизации атомов любого вешества. зависит от химической природы вешества и энергетического состояния атомов. Слабее всего связаны электроны в атомах одновалентных щелочных металлов, у которых один внешний электрон находится на далекой орбите. Прочнее всего связаны электроны в атомах инертных газов, 13 Згн 285 385 так как у них электроны образуют замкнутые электронные оболоч В общем случае энергия ионизации атомов тем меньше, чем больше атомная масса. Это объясняется тем, что в тяжелых атомах мн„ внутренних электронов, экранирующих поле ядра.
При ионизац., атомов с большим числом электронов (г = 1) возможен процесс посл довательной ступенчатой ионизации с образованием многозарядн ионов: однозарядный ион теряет следующий электрон, превраща в двухзарядный ион, и т. д. При этом энергия каждой последую ионизации больше предыдущей. Значения энергии (потенциалов) однократной Е„двукратной, н других ступеней ионизации некоторых элементов приведены табл. !6. Таблица 16 Энергия 1логенцнал) ноннаацнн Е! аа Элемент 46,5 121,9 41,0 54,9 72,0 82,0 77,2 109,2- 73,5 47,2 40,7 63,2 97,4 Существует несколько процессов ионизации, но наиболее распро странеиными являются процессы термической ионизации, ионизацк электрическим разрядом и фотоионизации (ионизации излучением Если атом находится в основном энергетическом состоянии, то во зс случаях для его ионизации энергия, подводимая к этому атому, должн' быть равна или большеего энергии ионизации.
Для термической ион зации лТ ) еЕ,; для ионизации электрическим разрядом е(Е„- ) еЕ;; для фотоионизации Аа ) еЕ!. Здесь й и й — постояннь Больцмана и Планка соответственно; Т вЂ” температура плазмы; длина свободного пробега электрона в электрическом разряде; Е, напряженность электрического поля; ч — частота излучения. Ес же атом находится.в возбужденном энергетическом состоянии, то дл его ионизации достаточно энергии, меньшей Е, на величину энерги возбуждения. Процесс ионизации удобнее записывать в элементарной фор' взаимодействия частиц. Так, процесс ионизации атома А с основ" Цезий Рубидий Калий Натрий Литий Ртуть Ксенон Кислород О (атомарный) Водород Н (атомарный) Водород Н, Криптон Азот (атомарный! Азот (Че Аргон Неон Гелий 3,87 4,2 4,32 5,12 5,37 10,4 12,! 13,6 13,5 !5,4 Н,О 14,5 15,8 15,7 21,5 24,5 23,5 16,0 31,7 47,5 75,3 18,7 24,0 34,9 26,4 29„5 27,8 40,8 54,2 ,таяния при взаимодействии с электроном е можно представить дующим образом: А + е-э А++ в+ е, (760) фотоионизации— А + /ю -~ А+ + е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
