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. Гришин, 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 требуется 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 Гельмгольца) 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 вещества (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 соответственно 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