Электрофизические свойства пламени

Введение

Процессам горения посвящены большое количество работ как отечественных, так и зарубежных инженеров, исследователей, ученых. Основоположником современной общепринятой тепловой модели горения является наш соотечественник Владимир Александрович Михельсон.
Актуальность темы реферата заключается в том, что ионизация пламени приобрела в настоящее время важное прикладное значение, прежде всего при получении электрической энергии с помощью магнито-гидродинамического метода.
Цель работы - более полное изучение электрофизических свойств пламени.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач - рассмотреть общие сведения об электрофизических свойств пламени, равновесную ионизацию (формулу Саха), образование отрицательных ионов, роль конденсированных частиц, процессы ионизации и рекомбинации, хемиионизацию в пламени.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из семи источников литературы.


1. Общие сведения
Воздействие электрического поля на пламя изучают с целью осуществления направленного химического синтеза. В работе Гордона А.С. (1959 год) измеряли выход азота, этилена и ацетилена при наложении на пропан воздушное пламя с добавкой щелочных металлов высоковольтного низкочастотного разряда. Было выявлено, что даже электрическое поле небольшой напряженности, когда нет разряда, может влиять на кинетику горения, при всем этом изменяя концентрационные градиенты или способствуя образованию новых активных частиц при электрон-молекулярных столкновениях.
Проведены эксперименты, которые показывают, что воздействие электрического поля на плазму пламени дает возможность регулировать вибрационное горение в ракетном двигателе. В то же время ионизация пламени ракетных двигателей несет в себе отрицательную роль, это обосновано приведению к поглощению и преобразованию радиосигналов, которые используются для связи, например, с космическими объектами и тому подобное.
В аналитических лабораториях распространен хроматографический детектор, который основан на аномальной ионизации продуктов сгорания углеводородов. По мнению Деккера А.О., процессу образования сажи в углеводородном пламени значительно способствует положительный заряд частиц углерода в пламени.
Изучение равновесной ионизации в пламени позволяет получать термодинамические данные о нейтральных частицах и ионах, в зависимости от различных добавок в исходную смесь реагентов, которые существуют при высоких температурах. По ионизации пламени получают информацию о структуре пламени.
Указанная выше информация свидетельствует о научной, а также практической важности задачи исследования электрофизических свойств пламени. Ниже кратко рассмотрены основные процессы, которые определяют их.
Электрофизические свойства пламени определяются наличием заряженных частиц в них: электронов и ионов. При более высоких температурах пламени кинетическая энергия соударяющихся частиц (молекул с атомами, атомов между собой и так далее) часто достаточна для возбуждения и даже ионизации сталкивающихся частиц. При всем этом имеют место и обратный процесс, то есть рекомбинация образовавшихся при ионизации электронов и ионов с образованием нейтральных частиц, и процессы «прилипания» электронов к нейтральным атомам с образованием отрицательных ионов.


2. Электрофизические свойства
2.1 Равновесная ионизация (формула Саха)
Состояние продуктов сгорания, которые заключены в полости, а стенки данной полости имеют одинаковую неизменную температуру, можно описать всего несколькими параметрами: концентрациями имеющихся частиц (ионов, молекул, атомов и тому подобное), плотностью и температурой. В этом случае предполагается, что продукты сгорания находятся в состоянии полного термодинамического равновесия. А вот названные параметры являются термодинамическими переменными. В термодинамике химии доказывается, что если химическое уравнение реакции имеет вид, указанный ниже:
ν1A1 + ν2A2 + ... ν1B1 + ν2B2 + ... +Q0, (2.1)
то условие химического равновесия получается заменой химических символов реагирующих веществ на химические потенциалы:
ν1μA1 + ν2μA2 + ... ν1μB1 + ν2μB2 + ..., (2.2)
где А — исходные вещества; В — продукты химической реакции; ν — стехиометрические коэффициенты; Q0 — тепловой эффект химической реакции; μ — химические потенциалы реакции.
Для идеального газа химические потенциалы можно выразить через статистические суммы Σ:
μ = kT lnN –kT ln Σ, (2.3)
где N — число частиц; k — константа скорости химической реакции. По определению, статистическая сумма:
Σ = Σ gje–Ej/(kT), (2.4)
где Ej — возможные значения энергии частицы; gj — статистический вес (количество физически различных состояний с одинаковым значением энергии).
Для реакции ионизации все стехиометрические коэффициенты γ = l, а тепловой эффект Q0 = –l,где l — энергия ионизации данного атома (эту энергию ионизации выражают в электронвольтах и не редко называют потенциалом ионизации)

. Записать химическое уравнение данной химической реакции можно так:
a e– + i– I, (2.5)
где а — атом; е– — электрон; i — ион.
Как следствие по закону действия масс:
ce– – ci
Σe – Σi
———— = —————e–I/(kT),(2.6)
ca
Σa


где сe–, ci и са — концентрации атомов, ионов и электронов соответственно.
Статистическая сумма Σ в общем случае может быть представлена как произведение статистических сумм - электронной, колебательной, вращательной и поступательной. Рассмотрение равновесия ионизации молекул только лишь имеет свой смысл, т.к. ко времени наступления тепловой ионизации химические соединения, как правило, уже до конца диссоциированы. В следствие чего для молекулярных ионов и самих молекул нужно рассматривать равновесие диссоциации, а для атомных ионов и самих атомов — равновесие ионизации. В дальнейшем под равновесием ионизации необходимо понимать непосредственно равновесие между электронами, атомными ионами и самими атомами. Поэтому можно выразить каждую статистическую сумму следующим образом:
Σ = gΣпост, (2.7)
где g — полный статистический вес внутренних степеней свободы; Σпост — для поступательных степеней свободы статистическая сумма.
Поступательную сумму можно вычислить в квазиклассическом приближении, при этом считая, что каждое состояние занимает объем h3 (где h = 2рћ — постоянная Планка). Поэтому, если исходить из понятия числа состояний в фазовом объеме с учетом распределения Максвелла, можно записать следующее:
ΔΓ   p2     ∫   p2 dΓ
 
Σпост = Σ——exp–———   =
exp –——— ——, (2.8)
h3   2mkt
 
  2mkt h3  

где Γ — фазовый объем, dΓ = 4πdp2V;р — импульс частицы; V — обычный объем;
Статистические суммы Σпост для электрона, иона, а также атома отличаются только лишь значением массы в Формуле 2.8. Подставляя Формулу 2.8 в Формулу 2.6, получаем:
(2.9)
где m — масса электрона; Мi — масса иона; Ма — масса атома.
Формула 2.9, которая определяет концентрацию электронов (в случае термодинамического равновесия), имеет название формула Саха.
Из Формулы 2.9 следует, что в продуктах сгорания равновесная концентрация электронов определяется главным образом потенциалами ионизации атомов и температурой. Концентрация электронов увеличивается с увеличением температуры продуктов сгорания, а концентрация электронов тем больше, чем ниже потенциал ионизации атомов. В продуктах горения высокую концентрацию электронов могут обеспечить атомы щелочных металлов, это обосновывается тем, что потенциалы ионизации у этих химических элементов наиболее низкие. Потенциалы ионизации атомов некоторых элементов приведены в Таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Потенциалы ионизации атомов элементов

Формулу Саха нетрудно обобщить на случай многоступенчатой ионизации:
i+i +++ e– (2.10)
Тем не менее энергия ионизации однозарядных ионов довольно велика. Примером служит энергия ионизации однозарядного иона цезия, она имеет значение в 25,1 электронвольт. Именно из-за при температурах горения двухзарядные ионы практически не образуются. Не образуются также и многозарядные ионы.
2.2 Образование отрицательных ионов
При определенно низких температурах в продуктах сгорания имеет возможность образование отрицательных ионов. Это происходит за счет процесса «прилипания» свободного электрона к молекуле, либо атому нейтральному. Химическое уравнение данной реакции будет такова:
a + e– a– + I–, (2.11)
где a– — отрицательный ион; l – — энергия сродства к электрону.
Тогда уравнение закона действия масс принимает следующий вид:
(2.12)
Формула Саха для отрицательных ионов выглядит так:
(2.13)
Образование определенного количества отрицательных ионов из-за процесса «прилипания» возможно в том случае, если в продуктах сгорания вместе с частицами, которые обладают довольно большим сродством к электрону I –,присутствуют и другие частицы, ионизирующиеся. Они поставляют необходимые электроны. Действительно, для того чтобы отношение ca–/са было большим, необходимо высокое ce–, а Т — мала.
Сродство к электрону определенных радикалов, молекул и атомов указано в Таблице 2.2.


Таблица 2.2 - Энергия сродства I- частиц к электрону


2.3 Роль конденсированных частиц
В некоторых работах экспериментальным путем установлена аномально высокая ионизация пламени систем, содержащих углерод. Эта система не может быть объяснена с помощью формулы Саха, т.к. потенциалы ионизации газообразных продуктов сгорания имеют довольно высокие значения, а температуры пламени данных систем низкие (от полутора до двух тысяч кельвинов). Также опытным путем доказано, что аномально высокая ионизация, которая наблюдается в продуктах сгорания, может быть объяснена термоэмиссией электронов поверхности конденсированных частиц, как правило углеродных