Курсовая работа: Термодинамическое равновесие гетерогенных плазменных систем с существенной ионизацией компонентов
Курсовая работа: Термодинамическое равновесие гетерогенных плазменных систем с существенной ионизацией компонентов
Министерство образования и науки Украины
Одесский
Национальный Университет им. И.И. Мечникова
Физический
факультет
Кафедра
теплофизики
Термодинамическое
равновесие гетерогенных плазменных систем с существенной ионизацией
компонентов
«допустить к
защите» Курсовая работа
зав. кафедры
теплофизики студентки IV курса
профессор_____Калинчак
В.В. физического факультета
«__» _________
2004г. Кобзаренко Л.А.
Научный руководитель
доцент Маренков В.И.
Одесса 2004
г.
Содержание
Введение
1.
Идеально-газовый
подход при описании ионизации в плазме
с конденсированными частицами
1.1. Ионизация в идеальном газе и плазмозоле. Система идентичных
частиц в буферном газе. Учет ионизации атомов легкоионизируемой присадки
2.
Дебаевский подход
моделирования гетерогенных кулоновских
систем
2.1.
Объемный заряд и
потенциал в плазмозоле. Зависимость электронной концентрации от определяющих
параметров плазмы
3. Ячеечные модели плазмы, содержащей частицы
3.1. Ионизация
системы газ – частицы в модели Гибсона
3.2. Режим слабого
экранирования
Выводы
Список
литературы
Введение
Термодинамика рабочих тел МГД-генераторов на твердом
топливе, электрические воздействия на процесс горения с целью его
интенсификации и управления, высокотемпературная конденсация оксидов в
продуктах сгорания металлизированных топлив, проблемы защиты окружающей среды,
поведение пылегазованных образований в атмосфере и космосе, плазмохимия – все
это далеко не полный перечень областей науки и техники, где требуется знание
свойств плазмы с КДФ в различных состояниях.
Плазма с КДФ – ионизированный газ, содержащий малые
частицы или кластеры, при чем эти частицы могут влиять на некоторые свойства
плазмы.
В области температур Т ,
характерной для приложений НТП с КДФ, важную роль играют процессы переноса
заряда; поглощение электромагнитных волн в гетерогенной плазме непосредственно
зависит от ее ионизации. Явление переноса – это кинетические процессы, но как
известно из статистической физики [1] и физической кинетики [2], их скорости
определяются градиентами соответствующих величин, т.е. в конечном счете их
полем.
Существующие модели ГПС основываются на известных
подходах (Саха, Дебая, а также, появившихся в последнее время,
ячеечных),которые выходят из предположения о малости потенциальных
взаимодействий ГПС, сравнительно с кинетической энергией теплового движения
частиц. Однако, как показывает эксперимент в плотной и высокотемпературной ГПС
ионизации макрочастиц и газовой фазы становится существенней, и в результате
потенциальная энергия заряда плазм в самосогласованном поле сравнивается
больше kT. В этом случаи применение результатов разработанных
ранней моделью становится не корректным и требуется их усовершенствование с
целью охватить интересную для приложения область высоких концентраций и
температур. В работе рассматривается “аналитическая” продолжение статистической
ячеечной модели плазмы на эту область термодинамических параметров. В первом
разделе рассмотрены существующие подходы к описанию состояния ГПС. Второй
раздел посвящен вопросам модификации и распространению статистической модели
квазинейтральных ячеек на область высоких температур и концентраций ГПС.
Идеально-газовый подход при описании ионизации в плазме
с
конденсированными частицами.
Ионизационное
равновесие идеальных газов в термодинамических равновесных системах
определено термодинамическими параметрами газа (Т, Р, V) и рассчитывается методам статистической физики. В системах,
находящихся в равновесии, средние концентрации газовых частиц с течением
времени не изменяются. Это значит, что скорости прямых и обратных химических
реакций равны и выполняется закон действующих масс [1]. Рассматривая
равновесную термическую ионизацию идеальных газов как баланс различных реакций
ионизации и рекомбинации, Саха получил выражение для константы ионизационного
равновесия в разреженном газе [3]. В настоящей главе рассмотрены основные
физические аспекты такого подхода и его распространение на системы, содержащие
частицы конденсированной дисперсной фазы (КДФ).
Ионизация в идеальном газе и
плазмозоле.
Согласно определению идеальный газ – это система,
состоящая из точечных молекулярных частиц, взаимодействующих только при
столкновении, т.е. при их сближении на расстояния, сравнимые с их собственными
размерами, которые пренебрежимо малы по сравнению с межчастичными расстояниями.
Если молекулы газа ионизовать, то в газовой фазе
появляются заряды – электроны и ионы, которые взаимодействуют между собой
кулоновскими силами. Эти силы дальнодействующие [4], и каждый атомарный заряд
(электрон, ион) в данном случае подвергается действию всех других зарядов в
системе. Однако, если его электростатическое взаимодействие с полем,
создаваемым в месте локализации этого заряда всеми другими зарядами системы,
мало по сравнению со средней кинетической энергией его поступательного движения
(κТ), свойства ионизованного газа приближаются к свойствам идеального, а
поправки на неидеальность также оказываются малыми [1, с.264].
Моделирование равновесных
электрофизических свойств газа направлено прежде всего на получение
зависимостей концентрации заряженных частиц от определяющих параметров системы
– температуры Т, исходных концентраций компонентов nj (j нумеруют сорт молекул и атомов, потенциалы ионизации
компонентов Iaj).
Действительно, с точки зрения практического
использования, электронная и ионная концентрации в газе – наиболее интересные
величины, так как ими определяются процессы переноса заряда. Газ содержит
электроны, ионы, нейтральные молекулы и атомы. Характерной особенностью такого
ионизованного газа является его квазинейтральность, т.е. вследствие
электростатических взаимодействий в достаточно малых областях, занятых газом,
наблюдается компенсация положительных и отрицательных зарядов (суммарный заряд
такой области с точностью до флуктуации равен нулю).
Квазинейтральность – основное свойство плазменных сред
и частично ионизованный газ в состоянии равновесия также обладает этим
свойством. Согласно принципу детального равновесия, каждый канал ионизации
(процесс, приводящий к появлению свободных электронов в объеме) скомпенсирован
противоположным ему процессом рекомбинации так, что средние концентрации
атомарных зарядов сохраняются. Таким образом, в газовой плазме непрерывно идут
конкурирующие процессы: ионизация – рекомбинация, причем генерация и
исчезновение электронов вследствие этих процессов скомпенсированы, а движение
молекулярных зарядов происходит так, что в плазме наблюдается
квазинейтральность. Обратимая реакция ионизации нейтрального
атома:
 , (1.1.1)
где А – нейтральный атом;
М – произвольная частица (молекула, электрон, фотон, другой атом и т.д.), А+
- положительный ион, е- - электрон.
Аналогичным образом можно записать все прочие
реакции, сопровождающиеся генерацией и исчезновением заряженных частиц в
плазме. Для реакции (1.1.1) условие равновесия принимает вид
 ,
(1.1.2)
где μа, μi, μe-химические потенциалы соответственно атома, иона и
электрона, μm
входят справа и слева в равенство (1.1.2) и могут быть сокращены.
Пренебрегая взаимодействием между компонентами газовой
плазмы, химический потенциал компонента α определим по формуле для
идеального газа [1]:
 ,
(1.1.3)
где Sα – статистическая сумма;
 ;
(1.1.4)
 - число частиц сорта α в объеме
плазмы V.
В (1.1.4) суммирование
распространено на все состояния n
частиц сорта α; qαn – статистический вес, а множитель exp(-Eαn/kT) определяет
относительную вероятность состояния частицы с энергией Eαn (величина Eαn должна отсчитываться от общего
уровня энергии группы частиц, участвующих в рассматриваемой реакции).`
Подставляя (1.1.3) в (
1.1.2), получаем условие равновесия
или
 .
(1.1.5)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 |
