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[等离子体(plas)] 【冰封基础系列】关于等离子体中的温度!(欢迎交流)

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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2018-1-4 16:07:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 bfadlzt 于 2018-1-5 09:16 编辑

    ‘’温度‘’一词在物理学上是指一个物理体系或系统,在其内部达到热力学平衡状态时,所反映出的一种宏观参量。它表征体系是“热”还和“冷”。它具有
    统计学的意义,因此,说一个宏观物理体系具有温度,而没有说某个微观区域中几百个粒子具有温度,或者说某1个粒子具有什么温度。
    例如对于气体而言,如果我们说一个空间中的气体温度时300K时,是说这个空间气体体系达到了一个热力学平衡状态,它的热力学温度时300K,我们可以根据
    状态方程计算气体的气压,气体分子的数密度等。但是其中某个气体分子,就不具有温度的概念。如果我们要衡量这个气体分子具有的能量大小,可以用它所具有
    的平均能量来表示。平均能量eps=(3/2)kT,其中k是Boltzmann常数,T是指气体的热力学温度,单位是K(开尔文)。
    当然,对于普通的空气而言,其中主要成分是氮气、氧气、水蒸气,二氧化碳以及稀少的惰性气体,那么再小一点的比如电子,光子,再大一点的如基团,粉尘,微粒
    等等。除了氮气,氧气,二氧化碳和水蒸气之外,其余粒子或微粒的数密度是非常少量的,那么怕是沙尘天气,空气的大颗粒相对于分子而言也是很少的。因此,
    空气中的各种气态分子之间会由于碰撞而达到热力学平衡状态,那么我们可以用统一的一个热力学温度来表征。即气体温度。(这里指某个理想的固定空间中的空气,如果
    是环境气温,还和周围环境的辐射,对流,光照,地球纬度等气候、地理条件有关;当然,其中某个小区域的气温,仍然满足统一的热力学温度)。
          而,对于等离子体而言,等离子体中会由于气体被电离,而存在大量的带电粒子,主要包括电子和正负离子,分子离子等。那么等离子体的行为就和普通的空气
    或某种单一的气体存在本质区别。由于带电粒子会被等离子体中的电场加速,同时也会受到外界磁场的约束,因此等离子体中的粒子具有一种集体行为效应。简单来说
    在某个局部小区域中,带电粒子被干扰或加速,那么由于电子质量轻跑的快,其他比电子重的带电粒子质量大运动的慢,它们在运动的过程中就会被分开,即电荷分离,其结果
    就是产生一个较强的局部电场,这个局部电场又反过来影响刚刚分开的正负粒子,所以等离子体的行为是集体的,而带电粒子们之间又存在较强的长程(相比机械碰撞)的
    静电库仑作用。
          这种等离子体中的特殊行为就会导致在很多情况下体系中并非所有的粒子都能由于互相碰撞而达到某一个热力学平衡状态。比如,低气压辉光放电中,电子携带的能量
    可以达到几个电子伏特,而等离子体的宏观温度才比室温高一点儿。这说明,在这种体系中,电子和电子之间,它们自己达到了热力学平衡状态,但并非与重粒子。而重粒子
    之间也达到了某一热力学平衡状态。那么这样一来,电子这种粒子就需要单独用一个宏观温度来表征,而重粒子也单独用一个温度来表示。比如,Te表示电子温度,Th表示
    重粒子温度。这里需要强调的是,根据约定,等离子体中的粒子温度单位采用能量来表示,其更具有物理直观性。这个单位就是电子伏特,所谓电子伏特是指,一个电子
    在单位时间内,通过1V的电压,运动单位距离被电场加速所获得的能量。因此,它并不是一个电学单位,而是能量单位。1eV=1.6e-19J,这个数就是元电荷量的值。能量的
    国际单位是焦耳。等离子体中的粒子温度实际上是把玻尔兹曼常数写进了温度变量中,即Te=kT。eV这个单位参与计算的时候,最好转换成焦耳计算,除非在它处于某个公式
    分子位置的时候,刚好分母上的单位也是eV。因此,可知1eV的电子温度,相当于热力学温度的11650K。
          当等离子体中不断馈入能量后,重粒子的温度逐渐升高,最后,所有的粒子均处于同一个热力学平衡状态,那么这个时候就可以用同一个温度来表示了,比如大气压电弧。
    值得注意的是,在气压很低的时候,两种粒子很难达到同一个温度状态,因为带电粒子数很低,难以通过碰撞来达到同一热力学状态。电子温度还有一种表示是直接用伏特,
    事实上,1V就相当于1个电子伏,换算成能量的话就用伏特乘以元电荷即可。
    (水平有限,错误难免,欢迎讨论指正!)
    -----------冰封爱万俟2018年1月4日

    来自群组: 等离子体交流
    流场,温度场,低温等离子体

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