Термодинамика - Базаров И.П.
Скачать (прямая ссылка):
Однако устойчивость равновесного излучения можно характеризовать адиабатным коэффициентом ((iPIcV)s, так как при адиабатном расширении излучения отсутствует обмен частицами между ним и окружающими его белыми сгенками. 'Іаким образом, устойчивость излучения определяется одним из условий (6.17), а именно:
Зная уравнение адиабаты излучения (10.75), нетрудно убедиіь-ся, что это условие его усюйчивосіи выполняется. Действительно, используя уравнение (10.75), находим
§ 55. ТЕРМОДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
Высокоионизованный газ. большинство частиц которого электрически заряжено противоположными зарядами, так что полный заряд равен нулю, называется плазмой.
214Такое состояние вещества встречается в звездах, в ионосфере Земли, при газовом разряде, в газах, нагретых до очень высокой температуры, в пламени, при взрывах и т. д.
Плазма во многих отношениях резко отличается от обычного газа, обнаруживая в некоторых явлениях сходство с электролитами и твердыми проводниками (металлами, полупроводниками), и обладает рядом специфических свойств, вследствие чего ее называют четвертым состоянием вещества.
Эти особенности плазмы определяются в основном дальнодей-ствующим характером электрических сил взаимодействия между составляющими ее частицами. Действительно, в то время как в обычном газе потенциал Фм межмолекулярных сил быстро спадает с расстоянием г (в случае ван-дер-ваальсовых сил притяжения Фм~ 1/г6) и движущиеся частицы заметно взаимодействуют только во время ударов, потенциал Фе взаимодействия между частицами плазмы изменяется по закону Кулона обратно пропорционально первой степени расстояния ф„ ~ 1 /г, что приводит к взаимодействию частиц и на больших расстояниях (и поэтому к длительному взаимодействию).
Таким образом, каждая частица одновременно взаимодействует с целым коллективом соседних частиц и. следовательно, плазма представляет собой, по существу, не газ, а своеобразную систему, стянутую дальнодействующими силами. Благодаря дальнодействию кулоновских сил и большой подвижности легких электронов в плазме определяющую роль играют коллективные процессы, т. е. колебания и волны различных типов.
Большая часть наших знаний о плазме получена из исследований газового разряда. В настоящее время интерес к изучению плазмы резко возрос в связи с проблемой энергетического использования термоядерных реакций синтеза легких ядер, а также в связи с использованием плазмы в качестве «пара» (рабочего вещества) в МГД-генераторах. При большой температуре газа, когда он находится в состоянии плазмы и частицы движутся с большими скоростями, становятся возможными преодоление кулоновского потенциального барьера при столкновениях атомных ядер и их синтез. Практически особо важное значение представляет возбуждение термоядерных реакций в дейтерии, так как в этом случае такие реакции должны идти при относительно меньших температурах (Гл 106 К). «Горение» ядер дейтерия в результате их синтеза в а-чаегицы приводит к выделению большой энергии.
Рассмотрим термодинамически равновесную плазму, состоящую из двух сортов противоположно заряженных частиц (е и -с). Вследствие дальнодействия кулоновских сил даже при умеренной степени ионизации а газа взаимодействие между его заряженными компонентами преобладает пад взаимодействием с нейтральными частицами, поэтому во многих случаях плазму
215можно рассматривать как полностью ионизованным газ, Как видно из формулы Саха <10.38')
" = [, +(JTyverorrP" (10.80)
для того чтобы получить высокую степень ионизации а, необходимо прежде всего понизить даплеїтие р. Разреженность плазмы определяется условием: средняя энергия кулоновского взаимодействия между двумя частицами e2j(j) (<г>—среднее расстояние между часгица-ми) мала но сравнению с энергией кТ теплового движения частиц:
Для получения^ полностью ионизованной плазмы необходимо нагреть газ до такой температуры Т, чтобы средняя энергия тепловою движения аюма была равна или больше энергии его ионизации / {условие полной ионизации):
кТ>1. (10.81)
В случае водорода или дейтерия потенциал ионизации равен 13,595 эВ, поэтому полносіью ионизованная водородная плазма будет получаться при температуре
^'.!^!^'».¦"к^шооок.
При такой высокой темпера іуре плазму уже нельзя рассматривать как систему, состоящую только из заряженных частиц. Необходимо учитывать и содержащееся в пей излучение. Исследуя термодинамические свойства систем вплоть до 1000 К. мы не учи т ываем всегда имеющееся в них излучение, так как его энергия мала по сравнению с внутренней энергией іеплового движения часіиц системы. При весьма высокой температуре такой подход является неправильным Нетрудно найти температуру. при koi орон плотность энергии а/4 излучения становится равной плотности энергии 3'2кТп іеплового движения частиц (п—концентрация частиц):
сТ* = 3/2кТп, У = /ЗЬ/(2а). Для достаточно разреженной плазмы, когда концентрация частиц «a102im"\ эта температура 7^3 • IO4 К.
Таким образом, при температуре полной ионизации плазмы (7? IO5 К) плотность энергии излучения в ней становится преобладающей. Это приводит к весьма важному, практически нежелательному при термоядерных реакциях следствию—трудности адиабатной изоляции такой плазмы