2.8 Елементи термодинаміки плазми

2.8.1 Іонна та електронна температури

Плазма — це сукупність нейтральних та заряджених частинок (n_і, n_е, n_о), але вона квазінейтральна ( ). Електрони та іони є носіями енергії в плазмі. Мірою цієї енергії може бути температура. Плазму поділяють на холодну та гарячу. Якщо енергія теплового руху KT~1 еВ, тоді плазма холодна. Якщо енергія теплового руху KT=10…100 еВ і більше, тоді плазма гаряча. Температуру плазми поділяють на іонну та

електронну. Ці температури залежать від тиску (рисунок 2.14).

А — плазма термічно нерівноважна;

Б — плазма термічно рівноважна ( );

Т_д — температура дуги

Рисунок 2.14 — Електронна (Т_е) та іонна (Т_і) температури у

стовпі дуги за умов різного тиску

У вакуумі дуговий розряд термічно нерівноважний.

2.8.2 Плазма як ідеальний газ

Для ідеального газу потенціальна енергія взаємодії між частинками дорівнює нулю. Ідеальний газ — це система частинок, силами притягання та розмірами яких можна знехтувати. При нормальному атмосферному тиску та температурі густина частинок в дуговому розряді настільки мала, що його можна віднести до ідеального газу. Тому для плазми діє основний закон газового стану

, (2.27)

, (2.28)

де .

, (2.29)

де R — універсальна газова стала (R = 8,31 Джмоль^-1град^-1);

N — число Авогадро (N = 6,0210²³ молекулмоль^-1).

, (2.30)

де V — об’єм.

2.8.3 Рівняння Саха. Ступінь іонізації

Ступінь іонізації (х) — це відношення кількості іонізованих частинок до первинної кількості частинок у даному об’ємі газу до іонізації

, (2.31)

де - кількість частинок, що не іонізувались.

Коли x<<1 (р = 1 атм), то справедливе рівняння Саха

, (2.32)

де a² — квантовий коефіцієнт.

, (2.33)

де q — статистична або квантова вага — кількість станів частинки з

однаковою енергією (для електрона q_е = 2).

У дузі х << 1, отже для зварювальної дуги буде дійсне рівняння Саха. Ступінь іонізації х залежить від температури (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 — S–образні криві ступеня іонізації

2.8.4 Ефективний потенціал іонізації

Поняття ефективного потенціалу іонізації вводиться для умов суміші газів і позначається U₀.

Під ефективним потенціалом іонізації U₀ суміші газів, що має ступень іонізації х₀, розуміють такий потенціал іонізації однорідного газу (при температурі і тиску суміші), в якому кількість заряджених частинок дорівнюється їх кількості в суміші газів.

, (2.34)

де — концентрація і–го газу в суміші, %;

Т — температура, К;

U_і — потенціал іонізації і–го однорідного газу у суміші, еВ.

Рисунок 2.16 — Зміна ефективного потенціалу

іонізації в системі пару K-Fe

При введенні легкоіонізованного компонента до 10% і більше ефективний потенціал іонізації за величиною наближується до потенціалу іонізації цього легкоіонізуючого компонента. При зниженні U₀ підвищується стабільність, але падає продуктивність процесу плавлення (більше 30% легкоіонізуючої речовини).