ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы УДАРНЫЕ ТРУБЫ Использование ударной трубы для изучения физико-химической кинетики (2(Щ. 2. Принцип действия из "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений " Общая схема термодинамического описания плотного газа при высоких температурах в рамках модели Томаса — Ферми была изложена в начале предыдущего параграфа. Обобщение уравнений модели холодной атомной ячейки на случай отличной от нуля температуры производится элементарно. В основе лежит уравнение Пуассона (3.97) для электростатического потенциала в ячейке ф (г) ), который по-прежнему удовлетворяет граничным условиям (3.99) и (3.100), а также полагается равным нулю на границе ячейки для целесообразного отсчета потенциальной энергии. Однако вместо простого соотношения (3.96), связывающего электронную плотность п (г) с потенциалом, теперь появляется интегральное соотношение (3.93) с функцией распределения / р), зависящей от температуры по формуле (3.91), где энергия электрона выражается, как и раньше, формулой (3.95). [c.198] По-прежнему справедливо нормировочное условие (3.101). Полная кинетическая энергия ячейки вычисляется путем интегрирования плотности кинетической энергии (3.94) по объему ячейки, а потенциальная энергия выражается через электронную плотность и потенциал формулой (3.109). [c.198] Можно показать, что при Т О выражение в скобке стремится к нулю быстрее, чем Т, так что 5 О в соответствии с теоремой Нернста. [c.199] Систему уравнений для определения функций ф (г) и ге (г), а также выражения для энергии, давления и энтропии можно преобразовать к безразмерным переменным (в качестве масштаба длины вводится радиус ячейки Го), причем, как и при нуле температуры, модель допускает преобразование подобия относительно Z. При нуле температуры распределение плотности выражалось формулой (3.105), откуда следует, что плотность на границе ячейки можно представить в виде п (го) = Z F (V Z) (roZVз7-2), давление согласно (3.107) — в виде Р = у-2), а энергию согласно (3.108) — в виде Е = ( -2). [c.199] Энтропия и химический потенциал всегда фигурируют в виде комбинаций 8Х , цХ 1я. [c.199] Рассмотрение результатов расчетов показывает, что при повышении температуры в ячейке заданного объема кинетическая и полная энергии и давление монотонно возрастают. [c.199] Если изотермически сжимать атомную ячейку, давление в ней монотонно возрастает, правда, медленнее, чем в случае нуля температуры, что видно хотя бы из того, что в пределе высоких температур Р 1/7,. тогда как при 7 = Ои7- ОР 1/7 /з. Энергия при не слишком высоких температурах имеет пологий минимум в зависимости от объема увеличение анергии при разрежении связано с тем, что при больших размерах ячейки электроны из-за наличия температуры и теплового давления стремятся занять несколько больший объем, чем в случае холодной ячейки, что приводит к некоторому возрастанию потенциальной энергии. [c.199] При этом энергия отсчитывается от нормального состояния твердого тела. [c.200] В предыдущей главе говорилось о различных физико-химических процессах, которые протекают в газах при температурах порядка тысячи или нескольких тысяч градусов и выше, таких, как возбуждение молекулярных колебаний, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация, испускание света. При этом мы рассматривали влияние этих процессов на термодинамические свойства газов, совершенно не интересуясь их кинетикой, скоростями реакций, временами установления термодинамического равновесия. [c.201] Между тем вопросы кинетики имеют большое, часто решающее значение, если общий газодинамический процесс протекает настолько быстро, что термодинамическое равновесие не успевает устанавливаться, и состояние газовых частиц является существенно неравновесным. [c.201] Особенно большую актуальность приобрели эти вопросы в связи с проблемами входа ракет и искусственных спутников в атмосферу, сверхзвуковых течений в мощных реактивных двигателях, сильных взрывов, мощных электрических разрядов и т. д. [c.201] В отличие от термодинамических свойств газов, которые сравнительно легко рассчитываются теоретическими методами, наши сведения об эффективных сечениях элементарных процессов и скоростях разнообразных физико-химических превращений черпаются главным образом из эксперимента. Наиболее удобным и широко применяемым в настоящее время инструментом для получения в лаборатории высоких температур и исследования физико-химических процессов в газах является ударная труба. Ударная труба служит для создания в газе ударной волны, которая и нагревает газ до нужной температуры ). [c.201] Подробно о структуре релаксационного слоя во фронте ударной волны речь пойдет в гл. VII. В гл. VI будут рассмотрены различные физико-химические процессы, протекающие в нагретых газах, и оценены их скорости. Поскольку многие фактические данные о скоростях получены при помощи ударной трубы, представляется целесообразным предварительно познакомиться с тем, как работает это важное устройство. [c.202] Подчеркнем, что наше изложение преследующее чисто вспомогательную цель, будет чрезвычайно кратким. Оно ни в какой мере не отражает действительного объема экспериментальных работ, который поистине огромен. Для более подробного ознакомления с вопросами конструкции и работы ударных труб, а также с экспериментальными методами исследований и измерений различных величин можно рекомендовать обзорные статьи [1, 2] и книги [3, 4, 18, 19]. Там же читатель найдет и ссылки на оригинальные работы. Здесь эти ссылки немногочисленны и имеют более или менее случайный характер. [c.202] Мы не будем останавливаться на других методах получения высоких температур (см. [16]). Отметим только очень интересные работы Ю. Н. Ряби-нина [17 ] по адиабатическому сжатию газов. Газ в трубе сжимался летящим поршнем в сотни раз, до давлений в 10 ООО атм, и адиабатически нагревался вплоть до температур 9000° К. С помощью созданной им установки Рябинин изучал термодинамические и оптические свойства в. электропроводность высоконагретых газов. [c.202] Ударная труба представляет собой длинную трубу, обычно круглого или прямоугольного сечения, которая разделяется тонкой диафрагмой на две части. Одна из них, камера низкого давления, наполняется исследуемым газом. Во вторую часть, камеру высокого давления, нагнетается рабочий газ. Габариты трубы бывают различными. Обычно длина ее составляет несколько метров, а внутренний диаметр — порядка нескольких сантиметров. Длина камеры низкого давления в несколько раз больше длины камеры высокого давления. Давление исследуемого газа, как правило, не превышает атмосферного, а чаще всего ниже, порядка нескольких сантиметров ртутного столба. В камере высокого давления стараются создать возможно большее давление, порядка нескольких десятков или сотни атмосфер. [c.202] Вернуться к основной статье