19221

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГАЗЕ

Лекция

Физика

Лекция 2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГАЗЕ Одним из известных подходов к описанию плазмы является ее сопоставление с термодинамической системой. При этом состояние плазмы характеризуется такими величинами как температура энтропия и т.д. В термодинамик...

Русский

2013-07-11

101.5 KB

10 чел.

Лекция 2

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В ГАЗЕ

      Одним из известных подходов к описанию плазмы является ее сопоставление с термодинамической системой. При этом состояние плазмы характеризуется такими величинами, как, температура, энтропия и т.д. В термодинамике вводится понятие равновесной системы, причем достижение равновесных параметров осуществляется по прошествию определенного времени. Условия для существования равновесной системы в лабораторных условиях реализуются, как правило, очень редко. Достаточно известными подходами к описанию плазмы с использованием термодинамики являются модели: полного термодинамического равновесия (ПТР) и локального термического равновесия (ЛТР). Обсудим их применение для лабораторной и природной плазмы.

       Для модели ПТР требуется выполнение следующих требований: 1) распределения Максвелла по скоростям частиц (ионов и электронов), 2) распределения Больцмана для населенностей уровней частиц, 3) распределения Планка для излучения, 4) распределения Саха для концентрации заряженных частиц. В качестве примера лабораторного источника плазмы, для которого пригодна модель ПТР, можно отнести капиллярный разряд конструкции Подмошенского. В хорошем соответствии с моделью ПТР находится фотосфера Солнца.

       Для модели ЛТР не требуется выполнение необходимых условий во всем объеме плазмы. Подразумевается выполнение следующих распределений в небольшом локальном объеме плазмы: 1) распределения Максвелла по скоростям частиц, 2) распределения Больцмана для населенностей уровней частиц, 3) распределения Саха для концентрации заряженных частиц.  Модель ЛТР широко применяется для разных видов лабораторной и космической плазмы.

       Изложим понятия, необходимые для определения соответствия изучаемой плазмы той или иной модели. Рассмотрим вопрос, связанный с определением оптической толщины плазмы. Для этой цели вводится величина – длина свободного пробега фотона  lп. Ее значение обычно определяется экспериментально, т.к. расчет достаточно сложен. В зависимости от соотношения длины пробега  lп и размеров плазмы  L, плазменная среда может быть оптически тонкая и толстая. Для оптически тонкой плазмы длина пробега фотона должна быть больше размеров плазмы:  lп >L. В случае оптически толстой плазмы реализуется обратная ситуация:  lп <L. Условие оптически толстой плазмы означает, что фотон, возникший во внутренней области плазмы на пути к поверхности, может испытать многократные поглощения, т.е. возникает процесс переизлучения фотона. Анализ контуров спектральных линий в данном случае может дать информацию о сильном искажении контура линии, как, например, об уменьшении интенсивности и провале в центре линии. В случае ПТР плазма должна быть обязательно оптически толстой.

       При ЛТР обычно требуется получить экспериментальное подтверждение о выполнении для исследуемой плазмы распределения Больцмана.  В экспериментах с капиллярным разрядом, при наличии в излучении плазмы водородных линий (серии Бальмера), возможен графический анализ относительных интенсивностей данных линий.   

       Для количественного описания ионизационного равновесия известным индийским астрофизиком Мегнадом Саха в 1920 г. была получена формула, характеризующая зависимость концентрации плазмы от температуры и энергии ионизации в случае водородной плазмы. При выводе данной формулы предполагается, что плазма достигла состояния термодинамического равновесия. Допустим, что ионизация водорода осуществляется из основного состояния (n=1) в непрерывный спектр (рис.1). Это, конечно, является упрощенным подходом, т.к. не учитывается ионизация из других состояний (n>1). Для вероятности нахождения электрона в состоянии с энергией En считается справедливым распределение Гиббса:

                        

                                                                               

                                                                      Рис.1

                                                                                    

                                                                                                                      

Для отношения вероятностей нахождения электрона в состоянии непрерывного спектра с энергией E2 и в основном состоянии с энергией E1 можно записать следующее соотношение:

              

В данной формуле основное состояние считается невырожденным и его статистический вес равен g1=1. Для нахождения g2 воспользуемся формулой для числа состояний фазового пространства непрерывного спектра:

              

Где s – число степеней свободы. Числитель данной формулы записывается следующим образом:

               ,        ,                   

Запишем g2 с учетом этих формул:

             

При данном рассмотрении предполагается, что для плазмы реализуется распределение Больцмана. Поэтому концентрация частиц в определенном состоянии пропорциональна вероятности, т.е. можно записать следующее отношение:

             

В результате формула Саха для концентрации водородной плазмы записывается в следующем виде:

                    

Ввиду квазинейтральности плазмы (neni) данную формулу часто переписывают, перенося величину  ne из правой части в левую. Тогда в правой части остаются величины, зависящие от Т, т.е. множитель с температурой в степени 3/2 и экспоненциальный множитель, содержащий температуру.

       Рассмотрим основные предположения, которые используются для вывода формулы Саха для ионов. Допускается наличие распределения Больцмана для населенностей иона с зарядностью  z  и с зарядностью  z+1. Предполагается, что прямая ионизация может происходить как из основного состояния иона (n=1), так и из других состояний с большей энергией (n>1). Поэтому в окончательную формулу подставляется статистическая сумма G, содержащая произведения статистических весов отдельных уровней и экспоненциального множителя из распределения Больцмана.

                   

          В результате формула Саха для ионов будет иметь вид:                 

                  

                       

       Зависимость концентрации плазмы от температуры в случае равновесной плазмы, т.е. формула Саха, позволяет получить количественное выражение для такой важной характеристики как степень ионизации плазмы. Формула для степени ионизации плазмы имеет вид:

                     

        - концентрация электронов, - концентрация атомов

Случаю высокотемпературной плазмы, т.е. практически полностью ионизованной соответствует значение 1. Для низкотемпературной, т.е. слабоионизованной плазмы полагается диапазон <<1. Рассмотрим выражение для степени ионизации, которое получается с использованием формулы Саха:

                 

                   ,         [n]=см-3,    []=эВ

                                

                                                                 Рис.2

                                                                                                                  

Представим графические зависимости степени ионизации от температуры, полученные с помощью данной формулы для цезия, водорода и гелия (рис.2). Для расчетов использовалась концентрация газа равная n=1016 см-3. Самым легко ионизуемым газом является цезий, у которого полная ионизация (1) наступает практически при Т1 эВ. Для водорода полная ионизация осуществляется при Т1,8 эВ, а для гелия при Т3 эВ. Для большей концентрации  n=1017 см-3 полная ионизация водорода  1 согласно расчету наступает даже при Т0,16 эВ=1850 К. Приведенные расчеты температур являются несколько завышенными относительно реальных экспериментов, т.к. не учитывается влияние примесей, существующих в плазме и приводящих к уменьшению реальных значений температуры.                                                                              

       Рассмотрим содержание формулы Эльверта для соотношений констант ионизации и рекомбинации. В высокотемпературной плазме при термодинамическом равновесии может реализоваться случай, когда процессы ионизации и рекомбинации уравновешивают друг друга.  Представим формулы для данных процессов:                                          

                     

                     

Скорость ионизации ([Qi ]= (част/cсм3)) имеет выражение:

                           

Где  ki  константа ионизации, na – концентрация атомов, ne – концентрация электронов.                   

Скорость рекомбинации ([Qr]= (част/cсм3)) запишется в виде:

                     

Где  kr константа рекомбинации, ni – концентрация ионов.

В стационарном состоянии, когда реализуется равновесие между процессами ионизации и рекомбинации, данные скорости можно приравнять:

                                         

В результате отношение концентраций ионов к концентрации атомов равно отношению констант ионизации  и рекомбинации, что составляет формулу Эльверта:                      

                                           

Следует заметить, что данные константы имеют зависимость от температуры    и.

 


n=2

n=1

1, g1

E2, g2

Eи

4

3

2

1

T, эВ

1,0

0

3

2

1

0,5

     n=1016 см-3

1) Cs (E1=3,9 эВ)

2) H (E2=13,6 эВ)

3) He (E3=24,5 эВ)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28187. Интерференционные схемы с делением волн по амплитуде. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и полосы равного наклона. Кольца Ньютона. Применение интерференции света 134 KB
  Пусть на тонкую прозрачную пластинку постоянной толщины рисунок 1 из вакуума падает волна с плоским фронтом ей соответствует пучок параллельных лучей сформированная с помощью точечного источника и линзы в фокусе которой источник находится. Так как условия распространения всех лучей падающих на пластинку в этом опыте одинаковы то для лучей и а также других пар лучей одинаковых с ними по происхождению оптическая разность хода будет одинаковой: 1 где n показатель преломления материала...
28188. Двухлучевые интерферометры. Интерферометры Рэлея, Жамена, Майкельсона, Линника. Многолучевые интерферометры (интерферометр Фабри-Перо, пластинка Люммера-Герке). Интерференционные фильтры 110 KB
  Если зеркало М1 расположено так что М´1 и М2 параллельны образуются полосы равного наклона локализованные в фокальной плоскости объектива О2 и имеющие форму концентрических колец. Если же М1 и М2 образуют воздушный клин то возникают полосы равной толщины локализованные в плоскости клина М2 М1 и представляющие собой параллельные линии. Если поверхность исследуемого образца имеет дефект в виде впадины или выступа высотой l то интерференционные полосы искривляются. Если то интерференционная полоса искривляется так что занимает...
28189. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Дифракция света на круглом отверстии, на круглом препятствии и прямолинейном крае экрана 97.5 KB
  Дифракция света на круглом отверстии на круглом препятствии и прямолинейном крае экрана Дифракция волн от лат. diffractus разломанный преломлённый в первоначальном узком смысле огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. При таком общем толковании дифракция волн переплетается с явлениями распространения и рассеяния волн в неоднородных средах.
28190. Дифракция света на щели. Дифракция света от многих щелей. Дифракционная решетка и ее характеристики 123 KB
  Дифракционная решетка и ее характеристики Дифракция волн от лат. diffractus разломанный преломлённый в первоначальном узком смысле огибание волнами препятствий. В современном более широком смысле под дифракцией понимают любое отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Вследствие дифракции волны могут попадать в область геометрической тени.
28191. Распространение света в анизотропных средах. Двойное лучепреломление. Построение Гюйгенса для одноосных кристаллов 81.5 KB
  Даже если первичный пучок перпендикулярен к естественной грани кристалла преломленный пучок разделяется на два рисунок 2 причем один из них представляет продолжение первичного а второй уклоняется так что угол преломления отличен от нуля. При вращении кристалла необыкновенный луч перемещается вокруг обыкновенного по окружности рисунок 2. Для любого кристалла можно найти три таких направления главные направления кристалла в которых при этом . Направления перпендикулярные таким сечениям называют оптическими осями кристалла...
28192. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ 1.63 MB
  Потенциальность электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда системы точечных зарядов и непрерывно распределенного заряда. Молекулярная картина поляризации диэлектриков. Поляризованность вектор поляризации.
28193. Физика атомного ядра и Элементарных частиц 1.51 MB
  Ядерная физика наука о строении свойствах и превращениях атомного ядра. Во всей области масштабов физики ядра вещество встречаются только в двух формах: в форме атомных ядер и в форме элементарных частиц. В ядерной физике приходится иметь дело с различными по порядку временами так например среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии а время жизни ядра урана .
28194. Вклад У. Джеймса в развитие психологической науки 34.5 KB
  Функционализм психологическое направление появившееся в США в конце ХIХ в исследующее процессы сознания с точки зрения их функции в приспособлении организма к среде. С позиций функционализма психология понималась как наука о функциях или деятельностях сознания в их отношениях к нуждам организма и в связи с задачей его эффективной адаптации к изменяющемуся природному и социальному окружению. Задача функционализма изучить каким образом индивид посредством психических функций приспосабливается к изменчивой среде исследование...
28195. Бихевиоризм и необихевиоризм (Дж.Уотсон, Э.Толмен, Б.Скиннер и др.) 38.5 KB
  Бихевиоризм и необихевиоризм Дж. Предметом психологии бихевиоризм считает не сознание а поведение. Бихевиоризм от англ. Манифестом бихевиоризма считается статья его основателя американского психолога Дж.