Тепловые процессы в веществе при облучении пучками заряженных частиц и потоками плазмы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Диссипация энергии излучения в облучаемом веществе, баланс энергии при облучении. Механизм передачи энергии от частиц пучка атомам вещества Некоторые базовые понятия, связанные с тепловыми процессами Нагрев и распространение тепла в конденсированном веществе Теплообмен разогретого образца с окружающей средой. Особенности тепловых процессов под действием мощных импульсных пучков заряженных частиц 1
1. 1. Диссипация энергии излучения в веществе; баланс энергии при облучении ● Поток излучения является источником теплоты (источником тепловыделения), которая распространяется в веществе по законам теплопереноса. ● Диссипация энергии – это необратимое преобразование кинетической энергии в теплоту, обусловленное работой неконсервативных сил. 2
1. 1. Диссипация энергии излучения в веществе; баланс энергии при облучении ● Потоки излучения, приводящие к нагреву: - пучки заряженных частиц; - лазерное излучение; - потоки рентгеновских фотонов и гаммаквантов; - потоки плазмы и др. 3
1. 1. Диссипация энергии излучения в веществе; баланс энергии при облучении ● Уровень и интенсивность разогрева зависят от: - начальной энергии частиц пучка (длины волны фотонов э/м излучения); - плотность тока пучка (плотности мощности); - длительности облучения; - теплофизических свойств облучаемого вещества; - условий теплообмена с окружающей средой 4
1. 1. Диссипация энергии излучения в веществе; баланс энергии при облучении ● Способы передачи тепла из области энерговыделения: - теплопроводность – основной механизм передачи тепла в конденсированном веществе; - тепловое излучение; - конвективный теплообмен. 5
1. 2. Баланс энергии излучения в веществе Энергия излучения при его взаимодействии с веществом превращается в: - энергию отраженного излучения; - тепловую энергию вещества в зоне торможения частиц, часть из которой распространяется в облучаемое вещество путем теплопроводности; - энергию фазовых переходов; - энергию, уносимую через поверхность частицами вещества (за счет распыления, испарения, кипения, разбрызгивания, гидродинамического разлета вещества, отколов и т. п. ); 6
1. 2. Баланс энергии излучения в веществе (Продолжение) Энергия пучка при его взаимодействии с веществом превращается в: - энергию теплового излучения и энергию, передаваемую окружающей среде в результате конвективного теплообмена - энергию, теряемую потоками излучения в пароплазменном слое, образованном в результате эрозии поверхности; - др. 7
2. Механизм передачи энергии от частиц пучка атомам вещества • При упругих взаимодействиях с ядрами кинетическая энергия «тяжелых частиц» (ионов) передается непосредственно ядрам атомов. Энергия их колебаний в результате этого возрастает, следовательно, возрастает и температура тела. • При взаимодействии ускоренных частиц с электронами вещества энергия передается электронам. Выравнивание температуры электронного газа составляет 10 -14 -10 -13 с. 8
2. Механизм передачи энергии от частиц пучка атомам вещества Дальнейшая передача энергии электронным газом кристаллической решетке происходит не мгновенно. Выравнивание температур электронной и ионной подсистем в металлах происходит за время около 10 -11 -10 -10 с С течением времени почти вся энергия возбуждения электронной подсистемы (энергия ионизации) переходит в тепловую энергию (или энергию колебания ядер). 9
3. Некоторые понятия, связанные с тепловыми процессами в твердом теле ● количество теплоты Q; ● теплообмен; ● внутренняя энергия U; ● тепловой поток; ● плотность теплового потока; ● теплопроводность; ● конвекция; ● тепловое излучение; ● температурное поле; ● изотермическая поверхность 10
3. Некоторые понятия, связанные с тепловыми процессами в твердом теле • Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде. Возникает при неравномерном распределении температур в среде. Теплота передается за счет непосредственного соприкосновения частиц, имеющих различную температуру, что приводит к обмену энергией между молекулами, атомами или свободными электронами. 11
3. Некоторые понятия, связанные с тепловыми процессами в твердом теле • Конвекция – перенос теплоты при перемещении объемов газа или жидкости в пространстве. Теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела называют конвективным теплообменом. • Тепловое излучение ТИ) – процесс распространения теплоты электромагнитными волнами. ТИ обусловлено превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучения и его поглощением веществом. 12
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе 1. Основной закон теплопроводности (закон Фурье): (1) Здесь - поток тепла; λ – коэффициент теплопроводности (Вт/(м*град)) Направление теплового потока: от более нагретого участка к менее нагретому; grad. T положительный, если он направлен в сторону возрастания температуры 13
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе • Уравнение теплопроводности - выраженный в математической форме первый закон термодинамики для тел (или некоторой части тела), процесс взаимодействия которых с окружающей средой (или соседними частями тела) происходит без совершения какой-либо внешней работы Первый закон термодинамики: (2) 14
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Уравнение теплопроводности: (3) - количество теплоты, которое получает (или отдает) элемент объема за счет теплопроводности; W – мощность энерговыделения (или энергопоглощения); ЕТ – тепловая составляющая внутренней энергии 15
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Уравнение теплопроводности в декартовых координатах в трехмерном случае (уравнение Фурье. Кирхгофа): (4) Это – линейное дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка параболического типа 16
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Уравнение теплопроводности для изотропного вещества с постоянными значениями теплофизических характеристик вещества: (5) 17
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Решение уравнения теплопроводности для мгновенного точечного источника: (6) где q 0 - мощность источника в точке r=0 в момент времени t=0. (7) 18
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе Качественная картина теплового «расплывания» , соответствующая решению (7): - расстояние, на котором Т уменьшается в е раз по сравнению с Т в точке энерговыделения. - время, по истечении которого температурный профиль расширится до некоторого заданного значения L 19
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● При , где Rmax – размер области энерговыделения, (9) Если есть фазовые превращения, то: (10) 20
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Нахождение температур для конечного образца Если тело имеет конечные размеры, то температурное поле зависит от геометрии граничных поверхностей и условий теплообмена на них. Для нахождения температурного поля необходимо строгое решение краевой задачи, т. е. уравнения теплопроводности (напр. , в виде (5)) с начальными и граничными условиями. 21
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Нахождение температур для конечного образца Граничные условия: - I рода: - II рода: - IV рода: 22
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе • Подставляя реальный источник тепловыделения в краевую задачу на основе уравнения теплопроводности, можно сформулировать конкретную задачу, решение которой будет описывать эволюцию тепловых процессов в веществе при воздействии данного источника. 23
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Математическая постановка задачи нагрева твердого тела потоками излучения - Объемный источник тепловыделения: - Поверхностный источник тепла: 24
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Одномерные модели: , начальные условия: граничные условия: 25
4. Тепловые процессы в конденсированном веществе ● Одномерные модели Если теплофизические свойства постоянные, то: 26
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть, которая отражается, попадает на другие тела и поглощается ими. То же самое происходит и с той энергией, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения полностью распределяется между телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию. 28
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Тепловое излучение Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количеством излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой Т всех тел вся система находится в термодинамическом равновесии для каждого тела приход лучистой энергии равен ее расходу. 29
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Тепловое излучение – э/м излучение со сплошным спектром, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии На поверхности твердого тела выполняется условие: где Q 0 – все количество энергии, падающей на тело; QA- количество энергии, которое поглощается; QR- количество энергии, которое отражается от поверхности; QD – количество энергии, которое проходит сквозь тело. 30
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Тепловое излучение , или. Здесь А – поглощательная способность, R – отражательная способность, D – пропускательная способность. Абсолютно черное тело: А=1, R=0, D=0. 31
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Тепловое излучение • Собственное излучение тела – если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы поверхности тела отводится лучистый поток энергии Е 1, который полностью определяется температурой и физическими свойствами тела. • Эффективное излучение = собственное излучение + отраженное излучение; это – фактическое излучение тела, которое измеряется приборами. 32
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ●Тепловое излучение Спектральная плотность потока излучения: E 0(λ)=d. E/dλ. Закон Планка устанавливает изменение спектральной плотности собственного потока излучения Е 0 от длины волны и температуры для абсолютно черного тела: с1=3, 74∙ 10 -16 Вт∙м 2 и с2=1, 44∙ 10 -2 м∙К 33
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ●Тепловое излучение Закон Стефана – Больцмана устанавливает полный поток лучистой энергии, излучаемой с поверхности абсолютно черного тела всеми длинами волн: Здесь Вт/(м 2 ∙К 4) – постоянная Стефана. Больцмана. 35
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ●Тепловое излучение Для реальных тел изменение плотности потока излучения от длины волны и температуры может быть установлено только на основе экспериментального изучения их спектра. Если спектр излучения непрерывен и кривая E(λ)=const∙E 0(λ), где E 0(λ) – спектральная плотность потока абсолютно черного тела при той же Т, то такое излучение называется серым. Опыт показывает, что излучение многих технических материалов можно рассматривать как серое излучение. 36
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ●Тепловое излучение Закон Стефана-Больцмана применительно к реальным телам: где с=σ0∙ε, - степень черноты: отношение плотности потока собственного излучения к плотности потока абсолютно черного тела при той же температуре 37
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ●Тепловое излучение Лучистый теплообмен между двумя параллельными плоскостями с разной температурой: , где - приведенная степень черноты; α – степень облученности. 38
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен (теплоотдача) – процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой или газом. Процесс теплоты при конвективном теплообмене осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит просто за счет перемещения вещества в пространстве. 39
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен (теплоотдача) В зависимости от причин движения жидкости или газа различают теплоотдачу при: - свободной (естественной) конвекции; - вынужденной конвекции. Свободная конвекция – движение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости (газа) в гравитационном поле. Вынужденная конвекция – движение возникает под действием посторонних возбудителей (насосов, вентиляторов). 40
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен (теплоотдача) Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи α. Плотность теплового потока через поверхность тела определяется формулой Ньютона-Рихмана: , где Tc, Tж – температура стенки и жидкости соответственно, (Tc-Tж) – температурный напор 41
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен α - количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу: В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и местный коэффициент теплоотдачи. 42
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен ● Два основных режима течения: - ламинарный; - турбулентный. • При ламинарном режиме течение имеет струйчатый характер. При турбулентном – неупорядоченное вихревое течение. • Для процессов теплоотдачи режим движения рабочей жидкости имеет очень большое значение, так как им определяется механизм переноса теплоты. 43
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой • При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем теплопроводности. • При турбулентном режиме перенос теплоты путем теплопроводности сохраняется лишь в вязком подслое, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости. 44
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Уравнение теплоотдачи Поток теплоты, передаваемый от жидкости к стенке, проходит через слой жидкости, прилегающий к поверхности, путем теплопроводности и может быть определен по закону Фурье: 45
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Уравнение теплоотдачи С другой стороны для этого же элемента поверхности существует закон Ньютона-Рихмана: Тогда: Это уравнение, позволяющее по известному полю температур в жидкости определить коэффициент теплоотдачи, называется уравнением теплоотдачи. 46
5. Теплообмен разогретого образца с окружающей средой ● Конвективный теплообмен (теплоотдача) Чтобы задать граничные условия для краевой задачи расчета температур в твердом теле при существовании конвективного теплообмена на его границах, необходимо знать температурный напор и градиент температур в жидкости (газе) вблизи стенки твердого тела. В общем случае эта задача решается путем решения уравнений сплошной среды. 47
6. Особенности тепловых процессов под действием МИП ЗЧ с Е 0 = 10. . 1000 кэ. В, τ= 10 -8. . 10 -5 с, P=105. . 1010 Вт/см 2 1). Толщина слоя, в котором происходит энерговыделение, мала; она зависит от сорта и энергии частиц и для современных технологических источников частиц находится в диапазоне от десятков нм до единиц мм. 2). Энергия, выделяющаяся в веществе за время облучения 10 -8. . 10 -5 с, может составлять 106. . 108 Дж/кг, т. е. достигает уровень энергии сублимации вещества. 48
6. Особенности тепловых процессов под действием МИП ЗЧ с Е 0 = 10. . 1000 кэ. В, τ= 10 -8. . 10 -5 с, P=105. . 1010 Вт/см 2 3). Наибольший разогрев приходится на область максимума энерговыделения, т. е. для ионных пучков он находится на поверхности, а для электронных и протонных пучков – на некоторой глубине. 4). Высокотемпературному разогреву подвергаются лишь тонкие приповерхностные слои. 5). Высокие градиенты температур. Самые высокие градиенты Т характерны для облучения тяжелыми и средними ионами (~108 К/м, до 109 К/м). 49
6. Особенности тепловых процессов под действием МИП ЗЧ с Е 0 = 10. . 1000 кэ. В, τ= 10 -8. . 10 -5 с, P=105. . 1010 Вт/см 2 6). Высокие скорости нагрева и охлаждения. При ионном облучении с Е=100. . 1000 кэ. В они составляют (108. . 1010 К/с), а при электронном с теми же параметрами облучения – 106. . 108 К/с. 7). Время существования жидкой фазы при воздействии пучков субмикросекундной длительности: в случае ионов – 10 -7. . 10 -6 с, для электронных пучков – 10 -4. . 10 -3 с. 8). При P>107 Вт/см 2 возникает интенсивное испарение. Коэффициенты эрозии за счет испарения – на уровне 103. . 105 атом/частица. 50
Скачать презентацию Тепловые процессы в веществе при облучении пучками заряженных
Тепловые процессы.ppt