Расчет и исследование термодинамических свойств атомарной плазмы

Расчет и исследование  

термодинамических свойств  

атомарной плазмы

Учебно-методическое пособие

Ю.М. Гришин, С.В. Рыжков

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

2-е издание

УДК 533.9, 536.7, 537.5, 621.1.016.7
ББК 22.333
 
Г85

ISBN 978-5-7038-5087-9

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Г85 
     Расчет и исследование термодинамических свойств атомарной плазмы : учебно-методическое пособие / Ю. М. Гри- 
шин, С. В. Рыжков. — 2-е изд. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 47, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5087-9

Описана методика расчета термодинамических параметров плазмы 

в широком диапазоне изменений температуры и давления. Даны краткие теоретические сведения в помощь к выполнению курсового проекта, приведены пример расчета и необходимый справочный материал.

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана всех специальностей.

УДК 533.9, 536.7, 537.5, 621.1.016.7
ББК 22.333

Издание доступно в электронном виде по адресу 

ebooks.bmstu.press/catalog/219/book1957.html

Факультет «Энергомашиностроение»  

Кафедра «Теплофизика»

Рекомендовано Научно-методическим советом

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

 
Гришин, Ю. М.

Предисловие

Издание содержит основные теоретические сведения из курса 

«Термодинамика» и указания к выполнению курсового проекта по 
теме «Расчет и исследование термодинамических свойств атомарной плазмы». Описаны общие свойства плазмы и условия ионизационного равновесия в ней, приведены методики расчетов состава и основных параметров атомарной плазмы в области однократной ионизации.

Сформулированы задачи курсового проекта, в котором требу
ется выполнить теоретическую часть и рассчитать основные термодинамические свойства атомарной однократно ионизованной 
плазмы. Приведены необходимые справочные материалы и пример 
выполнения расчетной части.

Выполнив курсовой проект, студенты научатся «чувствовать» 

порядок величин отдельных параметров плазмы, эффективно применять аппарат термодинамики к решению конкретных теплофизических задач и овладеют знаниями, необходимыми для последующего изучения специфических вопросов, связанных с физикой 
и техникой высокотемпературных энергетических установок.

Условные обозначения

 
А0 — химический символ нейтрального атома

 
Аz — химический символ иона с зарядовым числом z 

 
B j  — химический символ компонента реакции

 cvm , cpm  — удельные массовые теплоемкости плазмы соответственно при постоянных объеме и давлении

 
d  —  пространственный масштаб разделения зарядов, или 

дебаевский радиус

 
Fm   — удельная массовая свободная энергия (функция Гельм
гольца) плазмы

 
Gm  —  удельная массовая свободная энтальпия (функция Гиббса) плазмы

 
Fпл , Gпл   —  удельные мольные функции Гельмгольца (свободной 

энергии) и Гиббса (свободной энтальпии) плазмы

 
Jz+1 — энергия, или потенциал, ионизации z-кратного иона

K nz , K nzи  — константы равновесия соответственно z-реакций ионизации электронным ударом и фотоионизации

 
K pq  — константа равновесия q-реакции

 
ne, nz  —  средние концентрации соответственно свободных 

электронов и ионов с зарядовым числом z

 
ng  — суммарная  концентрация всех атомов и ионов

 
p  — полное давление плазмы

 
pi  —  парциальное давление i-го компонента

 
re, rz  —  объемные (мольные) доли соответственно электронного и ионного компонентов

 
ρпл  —  плотность плазмы

 Sпл, Sпл   — удельные массовая и мольная энтропии плазмы
 
Т  — температура

 
Tэф   —  температура эффективной ионизации

 Ui, Hi   — удельные (мольные) внутренняя энергия и энтальпия 

i-го компонента

 Ui0, Hi0   — удельная (мольная) внутренняя энергия и энтальпия 

i-го компонента при температуре Т0 = 298 K

 U z0, H z0  — внутренняя энергия и энтальпия моля z-кратных ионов 
при температуре Т0 = 298 K

U пл, Hпл  
— удельные (мольные) внутренняя энергия  и энтальпия 

плазмы

 U пл, Hпл  — удельные массовые внутренняя энергия и энтальпия 

плазмы
 
X i  — число молей i-й частицы

 
X e, X z  — средние числа молей соответственно электронов и 

ионов с зарядовым числом z в плазме объемом v
 
X g  —  полное число молей всех атомов и ионов

 
z  — остаточный заряд

 
zm  — атомный номер химического элемента

 
α  —  степень ионизации плазмы

 
αz  —  относительная концентрация z-кратных ионов

 
γид  —  параметр неидеальности

∆ H i
0
298
,
, Si, 298
0
 — стандартные теплота и энтропия образования i-го ве
щества (при стандартных условиях T = T0 = 298 K,  
p = pатм = 0,1013 МПа)

 
∆ H z   —  удельный тепловой эффект реакции образования 

z-кратного иона

 
µсv, µсp  —  удельные мольные теплоемкости плазмы соответствен
но при постоянных объеме и давлении

 
µпл, Rпл  —  молярная масса и газовая постоянная плазмы

 
νiq  —  стехиометрические коэффициенты i-х компонентов  

в q-реакции
 
e = 1,6 · 10–19 Кл — заряд электрона

 
NA = 6,023 · 1023 моль–1 — число Авогадро

Ro = 8314 Дж/(кмоль · К ) — универсальная газовая постоянная
 
ε0 = 8,85 · 10–12 Ф/м — диэлектрическая постоянная