Вопрос по теории плазмы: температура ионов, электронов, ...

Сообщение №22696 от Alexey 05 июля 2003 г. 21:47
Тема: Вопрос по теории плазмы: температура ионов, электронов, ...

Широко используется подход описания одного из типов неравновесного состояния плазмы, когда вводится 2 иемпературы: температура ионов и элекиронов. Это оказывается возможнвм вследствии "большёго" отличия масс элекиронов и ионов, т.к. из за этого теплообмен мужду компонентами "сильно" замедлен. И в результате можно воодить 2 температуры (которые по мере установления равновесия приближаются друг к другу). Модель хорощё подтверждена кспериментально (в области своей применимости).
Однако в одной книге я встретил развиваемый, видимо автором, подход, в котором для каждого энерегетического уровня ионов (атомов, молекул) плазмы вводится своя температура несмотря на то, что теперь различей в массах меду компонентами нет (если не считать релятевистский деффект масс). Не помню, чтобы в этой книге речь шла об экспериментах в которых работала бы эта модель.
Хотелось бы узнать от экспертов дееспособна ли она в некоторой области применения? Т.е. имеет ли экспериментальное основание, используется ли на практике? Или же это была лишь "голая" фантазия автора и опровергнута экспериментом (точнее не оправдала надежд)?


Отклики на это сообщение:

Mojet, pod temperaturoj on imeet v vidu raspredelenie po vsem ostal'nym urovnam togo je atoma/moleculy?


> Mojet, pod temperaturoj on imeet v vidu raspredelenie po vsem ostal'nym urovnam togo je atoma/moleculy?

Нет нет. Именно то, что сказал: для каждого уровня - своя температура. Хотя то, о чём вы сказали вроде тоже делают.


Togda ja tut chego to nedoponimaju. Temperatura je velichina statisticheskaja i ne sushestvuet dla odnogo ob'ekta ili malogo chisla ob'ektov.


> Togda ja tut chego to nedoponimaju. Temperatura je velichina statisticheskaja i ne sushestvuet dla odnogo ob'ekta ili malogo chisla ob'ektov.

Перетранслировал ваше высказывание (вам это делать тяжко, а мы привыкши...):

"Тогда я тут чего то недопонимаю. Температура же величина статистическая и не существует для одного объекта или малого числа объектов."

Температура величина статистическая, но, тем не менее, вполне существует для одного объекта, напр., молекулы. Главное, чтобы этот объект находился в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой.

ЗЫ Мне как-то не хочется читать транслит. Правила для всех одинаковы, alexandr.


> Температура величина статистическая, но, тем не менее, вполне существует для одного объекта, напр., молекулы. Главное, чтобы этот объект находился в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой.

Это не температура молекулы а температура резервуара. Нет такого понатия как температура одной молекулы. Двигайтесь радом с "горачей" молекулой с той же скоростью и её температура в такой системе отсчёта будет нулевой.

> П. С. Мне как-то не хочется читать транслит. Правила для всех одинаковы, александр.

Сейчас опробую перевести. У мена пока плохо получается, не обессудьте.


> > Температура величина статистическая, но, тем не менее, вполне существует для одного объекта, напр., молекулы. Главное, чтобы этот объект находился в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой.

> Это не температура молекулы а температура резервуара. Нет такого понатия как температура одной молекулы. Двигайтесь радом с "горачей" молекулой с той же скоростью и её температура в такой системе отсчёта будет нулевой.

Дело в том, что если молекула находится в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой, то ее скорость постоянно меняется, и для невырожденного случая будет распределена по Максвеллу. Так что системе отсчёта будет несладко:)

> > П. С. Мне как-то не хочется читать транслит. Правила для всех одинаковы, александр.

> Сейчас опробую перевести. У мена пока плохо получается, не обессудьте.
Уже гораздо лучше:) Успехов!



> > Это не температура молекулы а температура резервуара. Нет такого понатия как температура одной молекулы. Двигайтесь радом с "горачей" молекулой с той же скоростью и её температура в такой системе отсчёта будет нулевой.

> Дело в том, что если молекула находится в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой, то ее скорость постоянно меняется, и для невырожденного случая будет распределена по Максвеллу. Так что системе отсчёта будет несладко:)

Как это менается? Молекула то одна по постановке задачи (задача: определить температуру ОДНОЙ молекулы)


>
> > > Это не температура молекулы а температура резервуара. Нет такого понатия как температура одной молекулы. Двигайтесь радом с "горачей" молекулой с той же скоростью и её температура в такой системе отсчёта будет нулевой.

> > Дело в том, что если молекула находится в тепловом контакте с большим резервуаром с установившейся температурой, то ее скорость постоянно меняется, и для невырожденного случая будет распределена по Максвеллу. Так что системе отсчёта будет несладко:)

> Как это менается? Молекула то одна по постановке задачи (задача: определить температуру ОДНОЙ молекулы)

Где была такая постановка задачи? Первоначальный вопрос касался провомерности введения разных температур для подсистем с близкими массами, а затем вы засомневались в самом понятии температуры, применительно к одному объекту. На что я вам ответил: если объект находится в контакте с термостатом... и далее по тексту.


Togda eto ne temperatura molekuly a termostata (ansambla) tak kak ot samoj molekuly nichego ne zavisit.


А вы не могли бы дать ссылку на эту "одну книгу"?
Дело в том что плазма может быть сильно неравновесной, и понятие температуры к ней вообще не будет применимо. В этом случае под "температурой" часто понимают среднюю кинетическую энергию (когда говорят например о потоке ионов). Еще часто делают так - считают, что заселенность уровней распределена по Больцману. С некоей эффективной "температурой". В этом случае эта "температура" - просто параметр модели. Т.е. автор мог не вкладывать в термин "температура" традиционный термодинамический смысл.


Возможно в слючае интенсивной передачи эннергии между атомами в результате резонансной флюресценции и последующего резонансного поглощения на тот же уровень другого атома. Устанавливается населённости каждого уровня по отдельности. Это конечно весьма специфический случай.


> А вы не могли бы дать ссылку на эту "одну книгу"?
Если не возражаете - попозже. Наверно завтра дам.
> Дело в том что плазма может быть сильно неравновесной, и понятие температуры к ней вообще не будет применимо. В этом случае под "температурой" часто понимают среднюю кинетическую энергию (когда говорят например о потоке ионов).
Еще часто делают так - считают, что заселенность уровней распределена по Больцману. С некоей эффективной "температурой". В этом случае эта "температура" - просто параметр модели. Т.е. автор мог не вкладывать в термин "температура" традиционный термодинамический смысл.

Думаю, что он должен был осознавать, что традиционный термодинамический смысл вкладывать не корректно. Если мне не изменяет память - у атора была та же "идеология" (уравнения), что и в многотемпературных моделях плазмы у компонент которой массы "сильно" отличаются. В жизне, думаю, не раз бывали случаи, когда всякие "кривые", противоречивые модели с точки зрения физики работали на практике. И как вы заметили соответствующие коэффициенты не наделялись физическим смыслом, следующим из "теории", а были "подгоночные". Только не знаю имеет ли нашь случай отношение к практике или так и остался на бумаге?


> Возможно в слючае интенсивной передачи эннергии между атомами в результате резонансной флюресценции и последующего резонансного поглощения на тот же уровень другого атома. Устанавливается населённости каждого уровня по отдельности. Это конечно весьма специфический случай.

Неожидал такого поворота мысли. Мне он понравился. Хотя саму суть я не понял. Не могли бы Вы подробнее? За счёт чего получается для каждого энергетического уровня "своё" распределение по температуре?


Возможно такой подход имеет смысл при рассмотрении тяжелых примесей в легкой плазме. Например - вольфрам в водороде. Их масссы отличаются на 2 порядка.


> Возможно такой подход имеет смысл при рассмотрении тяжелых примесей в легкой плазме. Например - вольфрам в водороде. Их масссы отличаются на 2 порядка.
Да! Этот подход широко используется на практике для частиц достаточно различной массы. В том числе и такой как привели Вы. Например, вчера попалось название статейки, кде автор использовал многотемпературную модель для описания термоядерной реакции на пучках ионов. Та различие массах ещё меньше чем в вашем примере.


> А вы не могли бы дать ссылку на эту "одну книгу"?

Смит (Точно не уверен в фамилии: может-быть Смитт), Томсон,
"Численное моделирование газовых лазеров". Пер. с англ. М. 1981.


Если речь идет о пучках, то под "температурой" скорее всего понимается характерная энергия ионов в пучке? Или считается, что функция распределения в пучке - Максвелл с дрейфом, и эта "температура" есть параметр Максвелловского распределения?


Если речи идет о лазерах, то возможно прав alien308. Хотя я тоже не совсем понял его мысль ;).

Честно говоря, я помимо двухтемпературной встречал только трехтемпературную модель, в которой тетья температура - температура колебательных уровней молекул. То есть их заселенность считается распределенной по Больцману с некоей эффективной температурой.


... просто рассматиривается "смешение" компонентов с разными температурами. И считается, что частицы уходят из системы, испытав всего одно-два (например) столкновения. Тогда даже если их массы отличаются всего на порядок, заметного обмена энегией между компонентами не произойдет. Т.е. каждый останется "при своей" температуре.


> Если речи идет о лазерах, то возможно прав alien308. Хотя я тоже не совсем понял его мысль ;).

> Честно говоря, я помимо двухтемпературной встречал только трехтемпературную модель, в которой тетья температура - температура колебательных уровней молекул. То есть их заселенность считается распределенной по Больцману с некоей эффективной температурой.

Сегодня посмотрел книжку. Рассматривался СО2 - лазер. молекула имеет, как известно спектр возбуждённых энергетических уровней. Вводилась колебательная температура для каждого из этих уровней. Выводились уравнения баланса, описываюшие перерасспределение энергии между этими уровнями. Учитывалось также излучение. Максимум, для молекул СО2, вроде бралось 4-х температурное приближение.
Мне интересно было бы знать за счёт каких физических механизмов могут (и могут ли) возникать колебательные возбуждения с разной температурой для различных электронных состояний оной и той же молекулы? Автор постулировал, что это как-то происходит. И далее лишь использовал известные законы, чтобы получить уравнения баланса энергии между отмеченными компонентами. Но может ли происходить такое возбуждение и за счёт чего? Нашло ли такое описание обоснование и применение на практике?


> Сегодня посмотрел книжку. Рассматривался СО2 - лазер. молекула имеет, как известно спектр возбуждённых энергетических уровней. Вводилась колебательная температура для каждого из этих уровней. Выводились уравнения баланса, описываюшие перерасспределение энергии между этими уровнями. Учитывалось также излучение. Максимум, для молекул СО2, вроде бралось 4-х температурное приближение.
> Мне интересно было бы знать за счёт каких физических механизмов могут (и могут ли) возникать колебательные возбуждения с разной температурой для различных электронных состояний оной и той же молекулы? Автор постулировал, что это как-то происходит. И далее лишь использовал известные законы, чтобы получить уравнения баланса энергии между отмеченными компонентами. Но может ли происходить такое возбуждение и за счёт чего? Нашло ли такое описание обоснование и применение на практике?

Понятно, что это не термодинамическая температура. В данном случае для лазеров используется расширенное толкование статистической температуры. Поскольку температуру можно определить, измеряя заселенности уровней. В условиях равновесия статистическая температура совпадает с термодинамической.
Далее, в случае неравновесной заселенности уровней можно формально сопоставить заселенность конкретного уровня с равновесной термодинамической температурой, при которой отношение заселенности данного уровня к заселенности основного состояния определялась бы экспонентой с соответствующей температурой (по распределению Гиббса). При релаксации к равновесному состоянию температуры, естественно, выравниваются.
При таком формальном подходе могут быть не только разные температуры уровней, но даже отрицательные! С точки зрения термодинамики - это полная бессмыслица.

Стационарным образом данное состояние в лазере можно поддерживать с помощью накачки энергией извне (способов много), поддерживая высокую заселенность возбужденного состояния. Можно получать и инверсную заселенность, когда заселенность более высокого уровня выше заселенности основного, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре.


> > Сегодня посмотрел книжку. Рассматривался СО2 - лазер. молекула имеет, как известно спектр возбуждённых энергетических уровней. Вводилась колебательная температура для каждого из этих уровней. Выводились уравнения баланса, описываюшие перерасспределение энергии между этими уровнями. Учитывалось также излучение. Максимум, для молекул СО2, вроде бралось 4-х температурное приближение.
> > Мне интересно было бы знать за счёт каких физических механизмов могут (и могут ли) возникать колебательные возбуждения с разной температурой для различных электронных состояний оной и той же молекулы? Автор постулировал, что это как-то происходит. И далее лишь использовал известные законы, чтобы получить уравнения баланса энергии между отмеченными компонентами. Но может ли происходить такое возбуждение и за счёт чего? Нашло ли такое описание обоснование и применение на практике?

> Понятно, что это не термодинамическая температура. В данном случае для лазеров используется расширенное толкование статистической температуры. Поскольку температуру можно определить, измеряя заселенности уровней. В условиях равновесия статистическая температура совпадает с термодинамической.
> Далее, в случае неравновесной заселенности уровней можно формально сопоставить заселенность конкретного уровня с равновесной термодинамической температурой, при которой отношение заселенности данного уровня к заселенности основного состояния определялась бы экспонентой с соответствующей температурой (по распределению Гиббса). При релаксации к равновесному состоянию температуры, естественно, выравниваются.
> При таком формальном подходе могут быть не только разные температуры уровней, но даже отрицательные! С точки зрения термодинамики - это полная бессмыслица.

> Стационарным образом данное состояние в лазере можно поддерживать с помощью накачки энергией извне (способов много), поддерживая высокую заселенность возбужденного состояния.

Не скажите, является ли это чисто экспериментальным фактом или вначале предсказано теоретически? Имеется в виду показано ли теоретически, что некоторыми способами (которые Вы упомянули) можно создать для каждого из электоронных состояний молекулы именно такое распределение по энергиям их колебательных уровней, что можно ввести соответствующие "температуры", которые, вообще говоря, будут отличаться для каждого электронного уровня? Или же теоретически этого показано не было и просто было предположено, что это так? И далее были рассмотрены следствия из этого предположения и сравнились с экспериментом? И таким образом подтвердилось предположение о том, что возникающее распределение именно таково, что можно ввести "температуры"?
Меня поражает тот факт почему для каждого электронного уровня возникает именно распределение, соответствующая температуре? Каковы "наглядные" физические механизмы к нему приводят? Я представляю себе статистические основы равновесной термодинамики, которые приводят к понятию температуры. Склонен думать, что не случайно распределние по колебательным энергетическим уровням тоже могут иметь "свою" "температуру". То есть предполагаю, что существуют некие более общие соображения, чем равновесно термодинамические, которые приводят к возможности существования многтемпературности в описанном вуше смысле. Думаю, что многотемпературность - это не просто формальность. Интересно было бы узнать какая за этим стоит физика. Известно ли это? Или "все" подходят к этому вопросу формально, опираясь в обосновании многотемпературности лишь на эксперимент и не более?

Спасибо.


> является ли это чисто экспериментальным фактом или вначале предсказано теоретически? Имеется в виду показано ли теоретически, что некоторыми способами (которые Вы упомянули) можно создать для каждого из электоронных состояний молекулы именно такое распределение по энергиям их колебательных уровней, что можно ввести соответствующие "температуры", которые, вообще говоря, будут отличаться для каждого электронного уровня? Или же теоретически этого показано не было и просто было предположено, что это так? И далее были рассмотрены следствия из этого предположения и сравнились с экспериментом? И таким образом подтвердилось предположение о том, что возникающее распределение именно таково, что можно ввести "температуры"?
Это просто другой язык описания неравновесной системы. Насколько я знаю, данный способ описания появился с возникновением лазерной физики (но я могу ошибаться). Для определенных случаев он является более удобным. Данную температуру не нужно сопоставлять с нагревом, с энергией и т.п., к каковой интерпретации мы привыкли.

> Меня поражает тот факт почему для каждого электронного уровня возникает именно распределение, соответствующая температуре?
Распределение не может быть для одного уровня. Просто заселенность данного уровня сравнивается с заселенностью основного и далее вычисляется, при какой температуре в равновесном состоянии будет то же самое отношение заселенностей.

> Каковы "наглядные" физические механизмы к нему приводят? Я представляю себе статистические основы равновесной термодинамики, которые приводят к понятию температуры.
Поддерживать неравновесное состояние можно различными способами. Пример из знакомой области: газ в сосуде с одной стороны подогревается, а с другой - охлаждается. Вся система в целом не имеет определенной температуры, но каждая малая ее часть - имеет. Очень грубо примерно то же самое и для уровней.

> Склонен думать, что не случайно распределние по колебательным энергетическим уровням тоже могут иметь "свою" "температуру". То есть предполагаю, что существуют некие более общие соображения, чем равновесно термодинамические, которые приводят к возможности существования многтемпературности в описанном вуше смысле. Думаю, что многотемпературность - это не просто формальность.
Можно относиться и так и эдак. Это другой язык описания, и поскольку он описывает реальные вещи, он конечно не формальность. Однако сам термин является формальным обобщением термодинамической температуры.


> Неожидал такого поворота мысли. Мне он понравился. Хотя саму суть я не понял. Не могли бы Вы подробнее? За счёт чего получается для каждого энергетического уровня "своё" распределение по температуре?

Предположим:
1)Населённость основного уровня <0| намного больше чем других уровней. (для простоты)
2)Скорость передачи энергии при столкновениях <0|+<1| -> <1| + <0| и <0|+<2| -> <2| + <0| за счёт резонансной передачи энергии намного больше скорости остальных процессов. Или аналогичный эффект достигается благодаря резонансному излучению и поглощению с возбуждением поглотившего атома на тот же уровень.
Тогда в диапазоне времён больше времени резонансных процессов и меньше времени остальных процессов уровни <1| и <2| с точки зрения ансамбля будут изолированными от остальных уровней и в них успеет установится в каждом своя температура.


> Неожидал такого поворота мысли. Мне он понравился. Хотя саму суть я не понял. Не могли бы Вы подробнее? За счёт чего получается для каждого энергетического уровня "своё" распределение по температуре?
Лови ссылку
http://www.isuct.ru/plasma/LECTIONS/Rybkin_lection.html
ещё книжка
Неравновесная колебательная кинетика/ Под ред. М.Капителли. М.: Мир.-1989.- 329 С.



Оп..ля ... пой..мал! :>)) Спасибо!



Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100