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

80954. План вивчення теми: «Українські землі наприкінці ХУІІ— у першій половині ХУІІІ ст.» (8 клас) 36.43 KB
  Першою темою Гетьманщина наприкінці XVII на початку XVIII ст. Метою цього уроку характеризувати політичне становище Гетьманщини наприкінці XVII на початку XVIIІ ст.№2 Правобережна Україна наприкінці XVII на початку XVIII ст.
80956. Теоретичний матеріал в історичних курсах 34.9 KB
  Пояснюючий виклад історичних даних теоретичного характеру орієнтує учнів на репродуктивний спосіб роботи на просте відтворення їх з допомогою прийомів якими при викладенні користувався вчитель. Перші навчають учнів засвоювати і відтворювати в образній формі зовнішні ознаки історичних подій. Другі сприяють формуванню уміння осмислювати сутність фактичного матеріалу засвоювати теоретичні дані у вигляді історичних понять різної складності.
80957. Проведення тематичного оцінювання знань учнів з історії України 35.46 KB
  Тема на вибір студента Основною навчальною метою уроку є проведення тематичного оцінювання рівня знаньумінь і навичок. При цьому оцінювані доцільно використовувати такі форми оцінюванняякі не вимагають від п’ятикласників довгих розгорнутих відповідей. Тематичне оцінювання розглядають як підсумкову роботу кожного учня.
80958. Емпіричний і теоретичний рівні засвоєння учнями навчального історичного матеріалу 35.82 KB
  Емпіричний (від гр. еmреіrіа – досвід) рівень знання – це знання, отримане безпосередньо з досвіду з деякою раціональною обробкою властивостей і відношень обєкта, що пізнається. На емпіричному рівні школярі працюють з фактами, представленими в підручниках
80959. Методика написання плану-конспекту з історії 36.2 KB
  Молоді вчителі у конспекті зазначають: способи прийоми актуалізації опорних знаньосновних понять визначень висновків формул які учні засвоїли раніше і застосовують у практичній діяльності необхідних для сприймання учнями нового змісту; Після підготовчого етапу в конспекті описують зміст активного навчання шляхом взаємодії вчителя та учнів: виділяють логічно пов’язані етапи організації спільної навчально пізнавальної діяльності вчителя та учнів; зазначають нові факти положення уміння та навички якими повинні оволодіти школярі;...
80960. Поняття про вміння в методиці навчання історії 36.44 KB
  Пізнавальні вміння в методиці навчання історії визначають як підготовленість до свідомих і точних дій розумових і практичних і здатність учня послідовно застосовувати всю сукупність навчальних і розумових дій. Ознакою сформованого вміння є здатність учнів переносити відомі їм навчальні або розумові дії прийом в нову ситуацію вибирати і використовувати адекватні прийоми для розвязання оригінальних задач. У будьякому випадку вміння завжди буде свідомою дією адекватною цілям її застосування і змісту навчального історичного матеріалу.
80961. Складіть календарний план з історії України (Вступ до історії України, 5 клас) 36.37 KB
  Вступ до історії у 5 класі Головною метою курсу є підготовка учнів до успішного опанування систематичних курсів історії України та всесвітньої історії прищеплення інтересу до історії отримання знань у наступних класах через формування в них початкових уявлень про історію як науку та про історію України як складову світової історії елементарних вмінь з історії; поглиблення загальних дидактичних вмінь необхідних для успішного засвоєння історичної інформації в подальшому; прагнення викликати захоплення минулим України. Зміст курсу...
80962. Види пізнавальних умінь, що формуються у шкільних курсах історії 37.59 KB
  Більш складною є класифікація пізнавальних умінь за змістом. До спеціальних умінь належать ті що потрібні у навчанні конкретного предмета споріднених навчальних дисциплін. Загальновизнаною і стабільною групою спеціальних пізнавальних умінь у навчанні історії є хронологічні і картографічні вміння.