Электрическая сварочная дуга как источник тепла

Введение

Термодинамика, как раздел физики, изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах, сопровождающимися тепловыми явлениями, а также свойства тел, которые участвуют в этих преобразованиях.

Основу термодинамики составляют два фундаментальных закона. Первый закон термодинамики устанавливает количественное соотношение в процессах взаимного преобразования энергии и представляет собой приложение всеобщего закона сохранения и превращения энергии к тепловым процессам. Второй закон термодинамики характеризует направление естественных (необратимых) процессов, определяя, что тепловая энергия свободно передается от более нагретых тел к менее нагретым.

Опираясь на математические формулировки первого и второго законов термодинамики, можно строить теорию тепловых процессов, получившую название феноменологической термодинамики.

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА

Электрическая сварочная дуга как источник тепла

Основные понятия и определения

Сварочная дуга представляет собой электрический разряд в газовой среде, который характеризуется многоамперностью, высокой плотностью тока, высокой температурой, большой степенью ионизации, протекающий при обычном атмосферном давлении.

Дуговой разряд относится к числу стационарных разрядов. Стационарность разряда объясняется электропроводностью той газовой среды, в которой разряд протекает. В обычном состоянии газовые молекулы электрически нейтральны. Для того чтобы газ стал проводником электрического тока необходимо, чтобы в нем находились электрически заряженные частицы – электроны и ионизированные молекулы-ионы. Чтобы образовать заряженную частицу, надо отнять электрон или принять на крайнюю орбиту электрон. К нейтральным атомам чтобы отнять оторвать электрон, необходимо приложить энергию.

То количество энергии, которое необходимо затратить для образования положительно заряженного атома, называется работой ионизации или потенциалом ионизации. Потенциал ионизации измеряется в электрон-вольтах.

Работой в 1 э-В называется такая работа, которую может совершить один электрон при своем прохождении электрического поля с разностью потенциалов в 1 Вольт.

Может случиться, что к атому или молекуле приложена энергия, которая не совершит ионизации, а приведет атом в возбужденное состояние. При этом в нем под действием энергии произойдет перемещение электрона с ближней орбиты на более удаленную от ядра.

То количество энергии, которое необходимо для возбуждения, называется потенциалом возбуждения.

Когда электрон подсоединяется к атому, образуя отрицательный ион, энергия выделяется.

То количество энергии, которое выделяется при образовании отрицательного иона, называется сродством электрона к элементу.

В большинстве случаев происходит образование положительных ионов и электронов. Это объясняется тем, что не все вещества могут образовывать отрицательные ионы. К числу веществ, образующих отрицательные ионы, относятся: Сl, Br, F, I, O₂, H₂. У различных веществ способность к ионизации различна. Наименьшим потенциалом ионизации обладают металлы щелочной и щелочноземельной группы (Na, K, Ca – eU_i ≈ 4,3÷6,0 э-В). У инертных газов потенциал ионизации велик (Ar, He – eU_i ≈ 15,7÷24,5 э-В)

Виды ионизации

Различают три основных вида ионизации:

1. Ионизация соударением.

2. Ионизация излучением (фотоионизация).

3. Ионизация нагревом (тепловая или термическая).

Ионизация соударением обычно происходит при столкновении быстролетящего электрона с малоподвижной газовой молекулой.

При этом кинетическая энергия электрона, определяемая его скоростью, должна быть больше или, во всяком случае, равна работе ионизации, т.е.

, (1.1)

где еU_i – работа ионизации [э-В, эрг];

m– масса электрона, [г] m = 9,03·10^{-28 г;}

V – скорость электрона, [см/сек].

Из этой формулы можно определить минимально необходимую скорость электрона, необходимую для ионизации молекулы. Кроме электрона ионизацию могут осуществлять ионы, но эта возможность невелика, так как при соударении равновеликих масс максимальное количество энергии, выделяющееся в шаре, подвергнутом удару, вдвое меньше, чем при соударении электрона и атома. Это подтверждается формулой:

, (1.2)

где k₀ – первоначальная кинетическая энергия, которой обладает ударяющий шар;

m₁ – масса шара, подвергнутого удару;

m₂ – масса ударяющего шара.

При равенстве k₀, – для соударения равновеликих масс. Для соударения электрона и атома U_max @ k₀

Если скорость электрона недостаточна для совершения работы ионизации, то под действием удара атом может возбудиться, его температура несколько повысится. Только повторный удар другого электрона может вызвать ионизацию. В общем случае в дуговом промежутке могут происходить следующие столкновения:

е₀ + А Þ А⁺ + 2е _{медленных}

е₀ + А Þ А^* + е_{медленных}

А^* + А Þ 2А⁺ + А^*

А⁺ + А^* Þ А⁺+ А^*

А⁺ + е_медл Þ А⁺ + 2е_медл

А^* + А^* Þ А⁺ + A+ е_медл

Медленные электроны под действием электрического поля могут набрать энергию необходимую для ионизации.

Ионизация излучением (фотоионизация) заключается в поглощении световой (лучистой) энергии. В результате поглощения световых квантов атомная система (атом, молекула) может возбудиться и даже ионизироваться. Для ионизации необходимо чтобы квант действия лучистой энергии был бы больше или равен работе ионизации:

hn еU_i, (1.3)

где h– постоянная Планка; (h = 6,62.10^-27 эргсек);

ν– частота колебаний [1сек].

Для осуществления ионизации газы должны облучаться волнами высокой частоты. Например, для азота ν = 3,53.10¹⁵ 1/сек.

Зная потенциал ионизации, можно найти длину световой волны. Имея в виду, что

ν = c/λ,

где с – скорость света (3.10¹⁰смсек);

λ – длина волны.

После преобразования получим

для азота λ = 850 Å (1.4)

Подобные длины волн лежат в ультрафиолетовой части спектра.

В общем случае для ионизации излучением даже легко ионизирующихся элементов (K, Na, Ca) длины волн лежат в ультрафиолетовой части спектра длин волн.(4000Å ¸ 200Å) [радиоволны 20 км-30 мм, инфракрасное излучение 0,3 ¸ 7500Å, видимый свет 7500 ¸ 4000Å, рентгеновские 2 ¸ 0,006Å, гамма лучи 0,005 ¸ 0,25Å].

Тепловая или термическая ионизация сводится к тому, что при повышении температуры растет число соударений молекул и увеличивается возможность образования ионов. Основное соотношение, определяющее возможность 100%-ной ионизации за счет теплового движения, выражается формулой:

, (1.5)

где k – постоянная Больцмана (1,36*10^-16 эргград);

Т – абсолютная температура, ⁰К.

Для полной ионизации газа нужна очень высокая температура. Так для азота Т = 113000 ⁰К.

При меньших температурах может произойти частичная ионизация. Поэтому вводится понятие степень ионизации.

Степенью ионизации называется отношение количества образовавшихся ионов одного знака к первоначальному количеству атомов в единице объема до ионизации.

Степень ионизации находится в зависимости от температуры и давления определяется уравнением Сага:

(1.6)

где х – степень ионизации;

Р – давление, мм рт. ст.;

U_i – потенциал ионизации, Вольт.

В общем виде при одинаковом давлении график изменения степени ионизации различных элементов от температуры выглядит следующим образом:

Рис. 1.1 – Кривые зависимости степени ионизации от температуры для

различных элементов при атмосферном давлении

Обычно в атмосфере дуги присутствуют несколько элементов. В этом случае вводится понятие об эффективном потенциале ионизации U_эф.

Эффективным потенциалом ионизации называется потенциал ионизации такого фиктивного элемента (газа), потенциал ионизации которого равен потенциалу ионизации смеси элементов (газов).

Приняв некоторые допущения, В.В. Фролов вывел следующую формулу:

, (1.7)

где С_i – газовые концентрации i-того газа.

Рис. 1.2 – Изменение эффективного потенциала ионизации для смеси паров К и Fe

График изменения эффективного потенциала ионизации при наличии легкоионизирующегося элемента калия и железа, имеет вид как

показано на Рис. 1.2

Как видно из графика, даже небольшие добавки легкоионизирующихся компонентов значительно снижают эффективный потенциал ионизации.