ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Анализ газоразрядной системы из "Термодинамический расчет высокотемпературного газа" Рассмотрим условия и результат взаимодействия системы, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц и нейтральных атомов, с внешним электрическим полем. Результат этого взаимодействия будет принципиально разным в зависимости от того, изолирована (термически и механически) система или нет. [c.11] Если система термически изолирована от внешней среды и находится в жесткой оболочке, препятствующей ее расширению, то до взаимодействия с электрическим полем эта система будет нахо- диться в термодинамическом равновесии и, следовательно, полностью определяется термодинамическими параметрами. Если же к этой системе подвести разность потенциалов, т. е. сообщить ей сопряженную внешнюю электрическую степень свободы (предполагается, что существует внутренняя степень свободы — наличие заряженных частиц), то произойдет электрическое взаимодействие рассматриваемой системы с внешним электрическим полем. Это взаимодействие, как известно, характеризуется переносом электрических зарядов. [c.11] Наличие в системе определенного сопротивления влечет за собой диссипацию электрической энергии в тепловую (рост температуры) и в механическую (рост давления). Вследствие того, что система изолирована и из нее нет излучения, рост всех потенциалов (давления, температуры) должен быть неограничен. Снимая с системы внешнюю изоляцию, мы даем возможность диссипированной энергии выходить в окружающую среду. При этом обязательно наступит стационарный режим, т. е. равенство подвода и отвода энергии. [c.11] Далее рассмотрим внутренние, физические процессы, протекающие в системе при ее взаимодействии с внешним электрическим полем. [c.11] При соударении частицы теряют энергию, пропорциональную полной энергии, которой они обладали к моменту соударения. При упругом столкновении тяжелые частицы (ионы) передают практически всю энергию, приобретенную от поля. Что касается электронного газа, то отдаваемая им энергия, как известно, будет Дес = б8е, где 6 = 2п1е/Мт, т. е. при огромной разнице масс передача энергии электронным газом очень мала. Это приводит к тому, что энергия электронов сильно возрастает. При неупругом соударении сброс энергии происходит почти полностью, но доля неупругих соударений мала по сравнению с числом упругих, поэтому всегда 6 с1 и неупругими соударениями при давлениях выше 1 мм рт. ст. можно пренебречь [9]. [c.12] Таким образом, электрическое поле, воздействуя на заряженные частицы, увеличивает их энергию, а последние отдают ее другим частицам и стенке. При этом наступает такой момент, когда то же количество энергии, которое электрон (ион) получил от поля на длине свободного пробега, он отдает другим частицам и стенке — наступает стационарный процесс переноса тепла, где электроны и ионы выступают как преобразователи одной формы движения материи в другую. В этом случае электронный, ионный и атомный газы представляют собой статистические системы (подсистемы), поведение которых подчиняется определенным статистическим закономерностям. Эти подсистемы обладают определенной функцией распределения по энергиям (импульсу) частиц. [c.12] В момент достижения стационарного состояния статистические температуры Те и Гг фиксированы. При этом установилась вполне определенная напряженность электрического поля. Следовательно, при фиксированной плотности газа в системе устанавливается определенная напряженность Е электрического поля и определенные средние уровни энергии газа (ее бг еа). Предел роста энергии тяжелых частиц (атомов и ионов) и электронов определяется теплоотводом при постоянной мощности источника. Характер кривой насыщения при выходе системы на стационарный режим Г°К. показан на рис. 1. [c.13] С момента Тнас энергетические уровни электронного, ионного и атомного газов остаются неизменными с вполне определенной энергией, с определенной функцией распределения, при этом ( Д/ Зт = 0. [c.13] Таким образом, в системе, состоящей из заряженных частиц и находящейся под действием электрического поля, имеет место температурное расслоение. В этом, с точки зрения классической термодинамики, и заключается суть нового качества, о котором мы говорили выше. Отметим еще один факт так как в стационарном состоянии через нашу систему переносится заряд (течет ток), то направленные скорости электронов и ионов (скорости дрейфа Не и отличны от нуля, т. е. 7е 0, /г 0. [c.13] Все эти выводы мы получили в предположении, что плотность газа постоянна и достаточно мала. При повышении плотности газа длина свободного пробега уменьшается, вследствие чего энергия, воспринимаемая электроном (ионом) от поля, тоже уменьшается, а отдача растет (увеличивается число столкновений). Это приводит к малой температурной разнице между компонентами, которой в практических расчетах можно пренебречь и рассматривать систему электрически, а следовательно, термически и механически изолированной, т. е. квазнравновесной. [c.13] Таким образом, теплоотвод и плотность действуют диаметрально противоположно. Примером влияния плотности (давления) газа на величину температурного расслоения может служить график (рис. 2), полученный Эленбаасом [24] для разряда в парах ртути, который наглядно подтверждает рассуждения, проведенные при анализе системы. Из графика видно, что при некоторой плотности газ становится изотермичным. [c.13] Вернуться к основной статье