Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
напечать.docx
Скачиваний:
22
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
4.92 Mб
Скачать

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Кафедра “Плазменные энергетические установки” (Э-8)

Курсовая работа по плазмодинамике

«Расчет основных параметров цинковой плазмы»

Студент: Анищенко Ю.В. /_____________

Научный руководитель: Протасов Ю.С./_____________

Группа: Э8-72

Москва 2014

Содержание

Введение……………………………………………………………………………...3

Часть 1. Физические свойства и параметры цинка………………………………..4

Часть 2. Расчет парциального состава и термодинамических параметров плазмы цинка………………………………………………………………………………...21

Часть 3. Анализ металлогалогенной лампы………………………………………31

Заключение………………………………………………………………………….50

Список использованного программного обеспечения………………………...…51

Список использованных источников……………………………………………...52

Приложение……………………………………………………………………….54

Введение

Целью курсовой работы по плазмодинамике является получение и анализ основных характеристик низкотемпературной плазмы, а также рассмотрение плазмы в качестве рабочего вещества технического устройства.

В данной работе рассчитаны и рассмотрены основные свойства и параметры цинковой плазмы в низкотемпературной области, а также проанализированы параметры и принцип действия металлогалогенной лампы, в которой излучающей компонентой является плазма цинка.

Часть 1 Физические свойства и параметры цинка

Цинк – металл голубовато-белого цвета, медленно покрывающийся на воздухе плотным серым защитным слоем, имеет порядковый номер 30, атомный вес 65, 38, валентность II, плотность 7, 13 г/см3, температуру плавления 419, 4°С, температуру кипения 906°С.

Цинк - самый молодой из тяжелых цветных металлов, и если в начале XIXв. его производство не превышало 900 т в год, то в настоящее время производство цинка только в зарубежных странах составляет около 6 млн. т в год.

Цинк занимает особое место среди металлов, применяемых в промышленности. Как конструкционный материал нелегированный цинк не нашел широкого применения, так как обладает недостаточно благоприятным комплексом механических, физических и технологических свойств. Однако дополнительное легирование цинка различными элементами существенно повышает вышеуказанные свойства и характеристики. Поэтому значительная часть цинка (до 20%) идет на приготовление цинковых сплавов, в которых основными легирующими компонентами являются алюминий и медь; широко используется цинк и для производства медных сплавов (латуни).

В зависимости от марки цинк используют для цинкования стали, получения цинковых сплавов, изготовления цинковых полуфабрикатов, а также для получения цинковых соединений.

Примерно 30% цинкового проката составляют цинковые листы общего назначения. Цинковые листы используют при изготовлении химических источников тока, оцинкованной посуды и др. Из цинковых листов изготавливают печатные формы к ротационным машинам в полиграфической промышленности. Цинковые аноды применяют для оцинкования деталей гальваническим способом. Большое количество цинковых листов расходуется в строительстве на кровельные покрытия, на изготовление труб, сточных желобов.

Наиболее широкое распространение цинк получил в качестве покрытия для предотвращения коррозии железа и сплавов на его основе (сталей). Для этой цели расходуется до 50 % получаемого промышленностью цинка. Цинкование - нанесение цинка или его сплавов на поверхность металлического изделия - применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, деталей машин и приборов, арматуры и трубопроводов.

Были разработаны и получили достаточно широкое распространение цинкполимерные и цинксиликатные материалы, содержание цинка в которых составляет от 80 до 98 %. Такие цинксодержащие материалы наносят на защищаемые конструкции с помощью установок для распыления лакокрасочных материалов. Получаемые покрытия обладают более высокими изолирующими свойствами, чем металлические цинковые покрытия, повышают надежность защиты конструкций от коррозии и позволяют расширить области применения цинка и его сплавов для неконструкционных целей.

Цинковые покрытия получили широкое применение для различных металлоконструкций и изделий, эксплуатирующихся при коррозионном воздействии природных сред - атмосферы, морской, речной, озерной, пластовой, подтоварной воды, грунта, а также нейтральных и слабощелочных водных растворов. В зависимости от свойств коррозионной среды и состава металлических покрытий или осуществляется защита от коррозии путем изоляции поверхности, или проявляется протекторное действие покрытий при их нарушении. Цинкнаполненные покрытия позволили распространить применение цинка для крупногабаритных конструкций, например стационарных морских сооружений, танков и цистерн судов, плавучих и стационарных морских платформ, строительных сооружений, протяженных трубопроводов и коммуникаций и многих других металлоконструкций и изделий.

Одной из основных отраслей, потребляющих оцинкованный лист, является строительная индустрия: на нужды строительства расходуется до 65 % всего оцинкованного металла. Крупным потребителем оцинкованной стали является автомобильная промышленность.

Широкое применение находит цинк в виде разнообразных соединений. Некоторые соединения цинка служат красками, например окись цинка (цинковые белила), литопон (смесь сульфата бария и сульфида цинка). Краска, приготовленная из сульфида цинка, оказалась наилучшей для покрытия космических кораблей, так как она обладает наилучшими отражательными свойствами. Очень важным свойством обладает сульфид цинка, вспыхивающий под действием α-, β- и γ-лучей, что позволяет использовать его для обнаружения всех типов радиации. Сульфид цинка, легированный медью и серебром, обладает люминесцентными свойствами и в смеси с сульфидом кадмия широко применяется для изготовления телевизионных трубок и экранов.

Сульфат и хлорид цинка применяют в медицине в качестве антисептических средств. Безводный хлорид цинка часто используют как дегидратирующее средство при проведении разнообразных реакций конденсации в органической химии; его широко используют в производстве органических красителей, ситцепечатании, для пропитки древесины. Двойную соль - аммонийцинкхлорид (NH4)2ZnCl2 -используют для паяльных целей. Окись цинка широко используют при производстве резины. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий.

В США в последние годы цинк находит широкое применение в качестве покрытия стартовых конструкций для запуска ракет.

Основное назначение цинка - получение цинковых сплавов, цинковые сплавы в литейном производстве широко используются.

Наряду с известными областями и масштабами использования нелегированного цинка сплавы на основе цинка также находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве как конструкционного материала, так и неконструкционного.

В качестве конструкционного материала цинковые сплавы главным образом применяются: в приборостроении, в полиграфической промышленности, в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в судостроении, для изготовления предметов домашнего обихода.

ВЕЩЕСТВО: Zn

I. Общие физические свойства и константы вещества

Параметр

Источник

Изотопный состав 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn, 70Zn

[5] ст. 20

Электронное строение 3d104s2

Атомный номер, атомный вес компонентов 30; 65,37

Температура плавления, Тпл, [К] 693

Температура кипения, Ткип, [К] 1180

Температура сублимации, Тсуб, [К] 598 (при P=1,33 Па)

Температура деполимеризации - (для полимеров)

Плотность, , [кг/м2] 7,14∙103

Удельная теплота плавления, Lпл [Дж/моль] 7,28∙103

[4] ст. 290

Удельная теплота парообразования, Lисп [Дж/моль] 114,8∙103

[4] ст. 290

Удельная теплоемкость, ср, [Дж/мольК] 25,4

[11] ст.124

Теплопроводность, [Вт/(мК)] 119

Температуропроводность, 4,2∙10-5

Сродство к электрону и протону Ae=(-0,09) Ap= -

[3] ст. 423

Потенциалы ионизации 9,4 ; 17,96; 39,7

[11] cт. 123

Энергия диссоциации

-

Работа выхода,φ [эВ] 4,24

Энергия Ферми 9,6∙10-19 Дж=6 эВ

Коэффициент сжимаемости , [Па-1] 1,72∙10-11

Средний температурный коэффициент линейного/объемного расширения

=30∙10-6 K-1 при 273К

=93,5 К-1 при 273К

Эффективные размеры атомов, ионов, молекул :

Атомный радиус 1,38∙10-10 м

Ионный радиус 0,83∙10-10 м

[13] Ст. 11

ВЕЩЕСТВО: Zn

II. Строение/ структура

Параметр

Источник

Характеристики кристаллической решетки Гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Ек=131,5 мкДж/кмоль

[11] ст. 123

Поверхность Ферми

-

Зонная диаграмма

Симметрия

-

Кристаллография

-

Эффективная масса

-

Постоянная кристаллической решетки а=0,2664 нм, с=0,4946 нм, с/а=1,856

[11] ст. 123

Частицы, квазичастицы плазмон(для ZnS) ћ=17 эВ

[8] ст. 137

ВЕЩЕСТВО: Zn

III. Механические свойства

Параметр

Источник

Модуль упругости, Е, [н/м2] 99,2∙109

[4] Ст. 47

Модуль сдвига, G, [н/м2] 37∙109

[4] Ст. 47

Коэффициент Пуассона, 0,3-0,35

Предел текучести, т, [н/м2] 104∙106

Относительное удлинение 40-50% (литой цинк)

Временное сопротивление разрыву, вр, [н/м2] 111∙106

Вязкость т.т., , [кг/мс] 1,865…3,168∙103

[4] Ст. 373

Твердость по Бренелю НБ, МПа 300-412

Твердость по Роквеллу НR 67-73

Триботехнические свойства. Коэффициент трения fa=0,088

Коэффициент поверхностного натяжения [Н/м] 0,8

Сжимаемость , [Па-1] 1,72∙10-11

[4] Ст. 88

ВЕЩЕСТВО: Zn

IV. Теплофизические свойства, температурные зависимости

Параметр

Источник

Уравнение состояния вещества, вириальные коэффициенты ,

γ=2,38, γ0,6=1,6, А=1,84∙1010Па, b=12,2, K=2,04∙1010Па

[4] ст. 315

Фазовая диаграмма, фазовые переходы Тпл, =693 К, Ткип, =1180 К

Критическая точка Ткр >2590, Pкр ---, Vкр---

[4] cт. 318

Температурная зависимость теплопроводности, = (Т) =L0σT

[11] ст. 123

Температурная зависимость коэффициента линейного/объемного расширения, а = a(Т)

[11] ст. 123

Температурная зависимость теплоемкости, cр = cр(T) и cp/cV = f(T)

[4] ст. 201

Теплоемкость при фазовых переходах см.п.6

[4] ст. 201

Температурная зависимость температуропроводности, = (T)

-

Температурная зависимость коэффициента вязкости, = (T)

[11] ст. 125

Коэффициенты Джоуля-Томсона (для газов), а Zn-металл

Температурная зависимость коэффициентов диффузии, D = D(T)

[11]ст. 126

Давление насыщенных паров, мм.рт.ст. 28 (650̊С), 60 (700̊ С), 240 (800 ̊С), 727 (900 ̊С)

[13] Ст. 11

Температурная зависимость плотности

[11] ст. 124

ВЕЩЕСТВО: Zn

V. Электрофизические свойства

Параметр

Источник

Удельное сопротивление = (), = ()

[11] ст. 124

Сверхпроводящие свойства: s(), s s=0,851 К

[4] ст. 450

Диэлектрическая проницаемость, Zn-проводник

Тангенс угла диэлектрических потерь, tg Zn-проводник

Пробивное напряжение, Епр, [В/М] Zn-проводник

Точка Кюри, Тс, [К](для ферромагнетиков) Zn-проводник и диамагнетик

Пьезоэлектрические свойства Zn-проводник

Ширина запрещенной зоны Zn-проводник

[3] ст. 375

Постоянная Холла, R, [м3/К] R=0,9∙10-10

[11] ст.124

Удельная проводимость, , [1/Омм] =16,4∙104

[13] Ст. 11

Подвижность электронов и дырок в п/пр Zn-проводник

Длина диффузии LD (для полупроводников) Zn-проводник

[3] ст. 341

Время жизни носителей заряда в полупроводниках Zn-проводник

TD для полупроводников Zn-проводник

ВЕЩЕСТВО: Zn

VI. Акустические свойства

Параметр

Источник

Скорость звука в расплавах: при t=693 K C=2700-2850 м/с

При t=298 K

Продольн. Cl=4170 м/с

Продольн. Сt=2410

[4] ст. 141

Коэффициент потерь (для т.т.)

-

Добротность, Q

[4] ст. 156

Коэффициент поглощения звука, , где f – частота (692 К) 3,7∙10-15 с2

[11] ст. 127

Декремент затухания

-

ВЕЩЕСТВО: Zn

VII. Эмиссионные свойства

Параметр

Источник

Работа выхода, e 4,24 (поликристалл); 4,9 (монокристалл)

Скорость испарения, vисп, [г/(см2с)]

-

Плотность термоэмиссионного тока, js, [А/см2] ,

Коэффициент Зомерфельда (для металлов) А = 4рek2m/h3 =120,4а/К2 см2

Коэффициент Ричардсона

-

Толщина слоя, испаряющегося за 1 час, d, [мм]

-

Рабочая температура термокатода, Т, [К]

-

Эффективность термокатода,

-

Фотоэмиссия

-

Порог фотоэмиссии, h0, [эВ]

-

Максимальный квантовый выход, Ymax, электрон/фотон

-

Максимальная чувствительность, Smax, [мкА/лм]

-

Коэффициенты вторичной эмиссии σmax=1,41 при Еpm=0,7 кэВ

[4] ст. 583

Работа выхода, e [эВ] 4,24

Коэффициенты основных электронных эмиссий (энергия осн. пиков и чувствительность) Ео.э.=994 эВ, ξ=0,17

[4] ст.586

Коэффициенты основных эмиссий атомных частиц σвээ=0,034 (Ar+), σвээ=0,107 (He+), σвээ=0,918 (O+)

[4] cт. 592

Коэффициенты макропереноса – испарения, эрозии

-

Распыление

-

Коэффициенты полевой эмиссии

-

Наилучшим материалом для изготовления термокатодоа является тот материал, который обладает не только малой работой выхода, но и обладает малую скорость испарения материала катода при высоких температурах. Из цинка термокатоды не делают.

ВЕЩЕСТВО: Zn

VIII. Магнитные/ электромагнитные свойства

Параметр

Источник

Удельная магнитная восприимчивость, , [м3/кг] 16,5∙10-6

Кривые намагничивания Zn-диамагнетик

Удельная намагниченность насыщения, s Zn-диамагнетик

Точка Кюри, f, [К] Zn-диамагнетик

Константы магнитной анизотропии Zn-диамагнетик

Константы магнитострикции Zn-диамагнетик

Магнитные потери Zn-диамагнетик

Рентгеновская плотность, х, [кг/м3] Zn-диамагнетик

Магнитный момент на молекулу, , [В] Zn-диамагнетик

Ширина линии ферромагнитного резонанса, , [э] Zn-диамагнетик

Начальная магнитная проницаемость, 0 Zn-диамагнетик

Индукция магнитного насыщения, Ms Zn-диамагнетик

Температура антиферромагнитного упорядочения, TN Zn-диамагнетик

Молярная магнитная восприимчивость m, [м3/моль] 0,175∙10-9

..

Температура переориентации магнитных моментов относительно кристаллических осей, Tп Zn-диамагнетик

Спонтанный магнитный момент, , [гссм3] (СГСМ) Zn-диамагнетик

Магнитный момент иона (атома), 67Zn=0,876, для остальных 0

Магнитный момент иона (атома) A при температуре Т0 К (в магнетонах Бора, В), Zn-диамагнетик

Эффективное обменное поле , Zn-диамагнетик

Эффективное поле магнитной анизотропии, Zn-диамагнетик

Эффективное поле, связанное с взаимодействием Дзялошинского, Zn-диамагнетик

Значение внешнего магнитного поля, при котором наблюдается та или иная особенность в зависимости магнитного момента вещества от магнитного поля, Zn-диамагнетик

Значение магнитного поля, при котором наблюдается АФМР, Zn-диамагнетик

Ширина линии АФМР по полю при АФМР = const, Zn-диамагнетик

Длина волны, соответствующая частоте АФМР в нулевом магнитном поле (при T<<TN), (0) Zn-диамагнетик

Удельная магнитная восприимчивость, , [м3/кг] 16,5∙10-6

[13] Ст.11

ВЕЩЕСТВО: Zn

IX. Термоэлектрические свойства

Параметр

Источник

Коэффициент термо-э.д.с. при 298 К е=+2,9 мкВ/К

[11] ст. 124

Коэффициенты Пельтье

Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека. При прохождении тока через спай проводников кроме джоулева тепла выделяется или поглощается, в зав-ти от направления тока, некоторое кол-во тепла Qп=П/t

Zn→Ni 15̊C П=1,534 Мккал/К

Znǁ→ Zn﬩ 20̊C П=0,126 Мккал/К

[3] ст. 467

Коэффициент Томсона

Если вдоль проводника существует перепад температур, то кроме джоулева тепла в объеме проводника выделяется или поглощается некоторое кол-во тепла QS=S(T2-T1)/t

Zn (монокристалл) ǁ S=+4,6; ﬩ S= +8,8

[3] cт. 466

Коэффициент Зеебека

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи из разнородных металлов возникает термодвижущая сила (термо-э.д.с.), если места контактов поддерживаются при разных температурах.

Термо-эд.с при различных температурах и всестороннем давлении:

[3] ст. 464

Контактные явления, свойства контактной границы

-

ВЕЩЕСТВО: Zn

X. Гальвано-, термо-магнитные;

Параметр

Источник

Коэффициент Холла при комнатной температуре R=0,9∙10-10 м3/Кл

Эффект Холла- возникновение поперечного электрического поля в кристалле, по которому протекает ток, при помещении его во внешнее магнитное поле.

[11] ст. 124

[3] ст. 472

Коэффициент Эттинсгаузена T=P[JH], P= 

Эффект Эттингаузена- появление поперечного градиента температуры при протекании тока в поперечном магнитном поле

Коэффициент Риги-Ледюка yT=S[HxT], S=1,29103 м2/Всек

Эффект Риги-Ледюка- в кристалле с разными температурными градиентами встречные диффузионные потоки отклоняются.

Коэффициент Эттинсгаузена-Нериста Е=Q[TH] при J=0, Q=-2,40∙108 м2/градсек

Эффект Эттинсгаузена-Нериста- т.к. быстрые электроны сильней отклоняются полем, а медленные – слабее, то создается градиент температур

[3] ст. 474

Изменение сопротивления металлов и сплавов в магнитном поле

[3] ст. 496

ВЕЩЕСТВО: Zn

XI. Оптические свойства

Параметр

Источник

Фактор спектроскопического расщепления, g

-

Показатель преломления, nабс λ=5000нм→ nабс =3,8

[3] ст. 639

Показатели преломления для определенных спектральных линий, ni

-

Спектральные зависимости показателя преломления n = f(h, T, P)

[11] ст. 126

Коэффициент отражения, R, R = f(h, T, P)

[11] ст. 126

Коэффициент поглощения, , = f(h, T, P) см.п.4

[11] ст. 126

Области прозрачности

-

Спектральная степени черноты, т, т = f(h, T,) 0,05

[11] ст. 126

Интегральная степень черноты

-

Взаимодействие с рентгеновским излучением

-

Лазерные переходы

-

Коэффициент ослабления рентгеновского излучения

-

ВЕЩЕСТВО: Zn

XII. Ядерно-физические свойства

Параметр

Источник

Взаимодействие с нейтронами

[3] ст. 885

Сечение рассеяния тепловых нейтронов

[3] ст. 905

Сечение захвата

-

, , -активность

[4] ст. 995

ВЕЩЕСТВО: Zn

XIII. «Плазменные» свойства и характеристики, элементарные процессы с участием атомов и молекул, составляющих вещество

Параметр

Источник

Рассеяние электронов на атомах, молекулах, ионах. Сечение пеннинговского процесса A*+B→A+B++e при тепловой энергии, 10-16 см2 : He→23S→36; Ne→3P2→42; Ar→3P2→ 53; Kr→3P2→93

[4] cт 393

Сечение/константы скорости резонансных процессов

Перезарядка

Энергия столкн., эВ

0,1

1

10

100

1000

10000

Сечение,10-16

174

128

102

81

62

45

[4] ст. 395

Рекомбинация

-

Ионизация

-

Энергия связи электронов во внутренних оболочках

[4] ст.418

Энергия сродства атомов и молекул к электрону у Zn не существует

[5] Ст. 117

Атомные и молекулярныые спектры

[5] ст. 204

Диаграммы Гротриана

[4] ст. 825

ВЕЩЕСТВО: Zn

XIV. Электро-магнитно- и пьезооптические эффекты

Параметр

Источник

Эффект Поккельса, электрооптические свойства кристаллов- для кристаллов, не обладающих центром симметрии, Zn-симметричен

Эффект Фарадея Zn-диамегнетик

Температура Нееля (для антиферромагнетиков) Zn-диамегнетик

Удельное Фарадеевское вращение, F(для ферромагнетиков) Zn-диамегнетик

Температура компенсации

Коэффициент поглощения,

Показатель качества, 2F/(для ферромагнетиков) Zn-диамегнетик

Эффект Керра(для молекул, обладающих электричиским моментом) Zn-проводник

Постоянная Керра Zn-проводник

[4] ст. 872

Фотоупругие свойства

[4] ст. 873

Оптическая активность

[4] ст. 877

Вынужденное рассеяние света

[4] ст. 893

Вынужденное рассеяние света Мандельштама-Бриллюэна

[3] ст.794