- Trang Chủ
- Vật lý
- Giáo trình hướng dẫn phân tích quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p7
Xem mẫu
- Mçi lo¹i chÊt khÝ chØ ph¸t bøc x¹ vµ hÊp thô bøc x¹ trong mét sè h÷u h¹n n
kho¶ng b−íc sãng ∆λi, ngoµi c¸c kho¶ng nµy, chÊt khÝ lµ vËt trong tuyÖt ®èi. Do
®ã quang phæ bøc x¹ hoÆc hÊp thô cña nã kh«ng liªn tôc, chØ gåm mét sè v¹ch
t−¬ng øng c¸c kho¶ng ∆λi vµ c−êng ®é bøc x¹ toµn phÇn ®−îc tÝnh theo
n λi 2
E = ∑ ∫ E λi dλ.
i =1 λi1
Qu¸ tr×nh ph¸t bøc x¹ vµ hÊp thô bøc x¹ ra t¹i mäi nguyªn tö hay ph©n tö
chÊt khÝ c¶ bªn trong thÓ tÝch V còng nh− trªn bÒ mÆt F.
11.5.2. §Þnh luËt Bouger vµ ®é ®en chÊt khÝ
§Þnh luËt Bouger cho biÕt ®é hÊp thô tia ®¬n s¾c cña 1 chÊt khÝ, ®−îc ph¸t
biÓu nha− sau:
Khi tia ®¬n s¾c Eλ ®ia qua líp khÝ
dµy dx cã khèi l−îng riªng ρ, sÏ bÞ chÊt khÝ
hÊp thô mét l−îng b»ng: dEλ = - kλρEλdx,
víi kλ lµ hÖ sè phô thuéc lo¹i chÊt khÝ vµ
b−íc sãng λ.
NÕu tÝch ph©n trªn chiÒu dµy khèi khÝ
x ∈ [0,1], ®Þnh luËt trªn cã d¹ng:
E 2λ l
dE λ E
∫ = − ∫ ρk λ dx hay 2 λ = e − k λ ρ1
Eλ E 1λ
E1 λ 0
Nhê ®Þnh luËt nµy t×m ®−îc hÖ sè hÊp
thô ®¬n s¾c (hay ®é ®en) theo:
E 1λ − E 2λ
= 1 − e − k λ ρ1
ελ = Aλ =
E 1λ
nÕu chÊt khÝ lµ khÝ lý t−ëng, th×:
1 p
ρ= = , khi ®ã:
v RT
p1
− kλ
ελ = Aλ = 1 − e = f(p1, T)
RT
§é ®en toµn phÇn cña khèi khÝ còng phô thuéc vµo tÝch p1 vµ T, ε = f
(p1,T) ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm vµ cho trªn ®å thÞ cho mçi lo¹i khÝ.
11.5.3. TÝnh bøc x¹ chÊt khÝ
C¸c chÊt khÝ gåm 1 hoÆc 2 nguyªn tö cã E rÊt nhá, th−êng bá qua. Ng−êi ta
th−êng tÝnh bøc x¹ cña khÝ 3 nguyªn tö trë lªn, vÝ dô CO2, h¬i H2O hoÆc s¶n phÈm
ch¸y theo c«ng thøc cña ®Þnh luËt Stefan – Boltzmann;
E = ε σ 0 T4
126
- §é ®en khèi khÝ ®−îc t×m trªn ®å thÞ theo ε = f (p1,T), trong ®ã 1 lµ chiÒu
V
víi V lµ thÓ tÝch [m3] vµ , F diÖn
dµy ®Æc tr−ng cho khèi khÝ, lÊy b»ng 1 = 3,6
F
tÝch vá bäc [m2] cña khèi khÝ.
NÕu chÊt khÝ lµ s¶n phÈm ch¸y, lµ hçn hîp chñ yÕu gåm CO2 vµ H2O, th×
x¸c ®Þnh ®é ®en theo εK = ε CO + βε H O − ∆ε còng ®−îc cho trªn ®å thÞ.
2 2
11.5.4. TÝnh T§N bøc x¹ gi÷a khèi nãng vµ mÆt bao.
Dßng nhiÖt trao ®æi b»ng b¾c x¹ gi÷a s¶n phÈm ch¸y (hay khèi nãng)víi
1m2 mÆt v¸ch cã thÓ tÝch theo c«ng thøc:
4 4
q K − > v = ε Whd σ 0 (ε K TK − A K TW ), [ W / m 2 ] ;
εK= ε CO + βε H O − ∆ε
trong ®ã: 2 2
1
εW = (ε W + 1)
2
0 , 65
⎛T ⎞
A K = ε CO 2 ⎜ K ⎟ + βε H 2O − ∆ε
⎜T ⎟
⎝W ⎠
TK vµ TW, [K], lµ nhiÖt ®é khèi nãng vµ mÆt v¸ch.
11.6. bøc x¹ mÆt trêi
11.6.1 Nguån bøc x¹ mÆt trêi
VÒ mÆt bøc x¹ nhiÖt, mÆt trêi ®−îc coi nh− mét nguån ph¸t bøc x¹ h×nh
cÇu chøa hydro nguyªn tö, cã ®−êng kÝnh D = 1,391.109m ®é ®en ε0 = 1 vµ nhiÖt
®é bÒ mÆt T0 = 5762K.
VÒ phÝa t©m mÆt trêi, d−íi t¸c ®éng cña lùa hÊp dÉn, ¸p su¸t hydro t¨ng
dÇn tõ (109 ÷.1016) N/m2, khiÕn nhiÖt ®é cña nã t¨ng dÇn tõ T0 ®Õn 55.106K. Vïng
trung t©m mÆt trêi cã nhiÖt ®é ®ñ cao ®Ó x¶y ra ph¶n øng nhiÖt h¹ch, biÕn h¹t
nh©n hydro thµnh heli theo ph−¬ng tr×nh:
4H1= He4 + ∆E,
trong ®ã ∆E lµ n¨ng l−îng ®−îc gi¶i pháng ra tõ khèi l−îng bÞ hôt ∆m = 4mH –
mHe, ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc Einstein ∆E = ∆m.C2 = (4mH - mHe)C2, víi C =
3.108 m/s lµ vËn tèc ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng.
Mçi kilogam h¹t nh©n H1 chuyÓn thµnh He4 th× ∆m = 0,01 kg vµ gi¶i phãng
ra n¨ng l−îng ∆E = 9.1014J. §©y lµ nguån sinh ra n¨ng l−îng bøc x¹ cña mÆt trêi.
N¨ng l−îng sinh ra do ph¶n øng tæng hîp h¹t nh©n trong lßng MÆt trêi
®−îc chuyÓn ra bÒ mÆt vµ bøc x¹ vµo kh«ng gian d−íi d¹ng sãng ®iÖn tõ víi λ= (0
÷ ∞)m.
Ph©n bæ c−êng ®é bøc x¹ ®¬n s¾c cña mÆt trêi theo λ cã d¹ng:
C2
E 0 λ = C1λ−5 /(exp − 1),
T0 λ
cùc ®¹i t¹i b−íc sãng λm = 2,898.10-3/T0 = 0,5.10-6m.
127
- Trªn ®å thÞ (λ - E0λ), diÖn tÝch gi÷a ®−êng cong E0λ vµ trôc λ sÏ m« t¶
c−êng ®é bøc x¹ toµn phÇn E0, cho thÊy trong bøc x¹ MÆt trêi ph¸t ra cã 98% E0 ë
vïng sãng ng¾n λ < 3µm, 50% E0 ë vïng ¸nh s¸ng kh¶ kiÕn λ ∈ [0,4 ÷ 0,8] µm.
C¸c th«ng sè ®Æc tr−ng kh¸c cña bøc x¹ mÆ trêi tÝnh theo T0, D sÏ lµ:
2,61.10 −18
= E Oλ (λmTo ) = = 8,35.1013 W / m 3
E Oλ max
λm5
E O = σ 0 T04 = 6,25.10 7 W / m 2
Q O = FE O = πD 2 σ o To4 = 3,8.10 26 W.
Khèi l−îng MÆt trêi hiÖn nay ®o ®−îc lµ M = 2.1030kg.
NÕu cho r»ng c«ng suÊt Q0 nãi trªn ®−îc duy tr× ®Õn khi 10% nhiªn liÖu H
®−îc tiªu thô, lóc ®ã ®ã khèi l−¬ng MÆt trêi sÏ gi¶n mét l−îng ∆M = 10-3 M =
2.1027kg th× tuæi thä T cßn l¹i cña MÆt trêi ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh c©n
b»ng n¨ng l−îng:
Q o T = ∆M.C 2 , sÏ b»ng
∆M.C 2 2.10 −27 .(3.10 8 ) 2
T= = = 4,718 s = 15.10 9 n¨m
26
Qo 3,8.10
11.6.2. C©n b»ng nhiÖt cho vËt thu bøc x¹ mÆt trêi
11.6.2.1. H»ng sè MÆt trêi
C−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi chiÕu tíi ®iÓm M c¸ch MÆt trêi 1 kho¶ng l ®−îc
tÝnh theo c«ng thøc:
πD 2 / 4
Eo
Et = Ω, Ω=
π l2
2
[ ]
⎛D⎞
lµ sè ®o gãc khèi tõ M nh×n tíi MÆt trêi, hay Et = σ o T ⎜ ⎟ , W / m 2 .
4
o
⎝ 21 ⎠
NÕu l b»ng b¸n kÝnh R cña quü ®¹o tr¸i ®Êt (ttøc kho¶ng c¸ch tõ tr¸i ®Êt
®Õn mÆt trêi 1 = R = 1,495.1011 m) th×:
128
- 2
⎛ 1,392.10 9 ⎞
Et = 5,67.10 .5762 ⎜
⎜ 2.1,495.1011 ⎟ = 1353W / m
−8 4 2
⎟
⎝ ⎠
Gi¸ trÞ Et = 1353 W/m2 cã ý nghÜa rÊt lín trong thiªn v¨n häc, ®−îc gäi lµ
h»ng sè mÆt trêi. Et chÝnh lµ c−êng ®é BXMT ®Õn mÆt ngoµi khÝ quyÓn tr¸i ®Êt.
11.6.2.2. C©n b»ng nhiÖt cho vËt thu BX ngoµi khÝ quyÓn
Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho vËt thu BXMT ngoµi khÝ quyÓn, lóc æn
®Þnh sÏ cã d¹ng: AEtFt = EF, trong ®ã: A lµ hÖ sè hÊp thô, F lµ diÖn tÝch xung
quanh vËt, Ft lµ diÖn tÝch høng n¾ng, b»ng h×nh chiÕu cña F theo h−íng tia n¾ng
hay diÖn tÝch c¸i bãng cña V. Gäi ε vµ T lµ ®é ®en vµ nhiÖt ®é c©n b»ng (lóc æn
®Þnh) trªn F, th× ph−¬ng tr×nh trªn cã d¹ng:
2
⎛D⎞
AT ⎜ ⎟ Ft = εT 4 F
4
o
⎝ 21 ⎠
Do ®ã nhiÖt ®é c©n b»ng cña v¹t hÊp thô BXMT lµ:
1 1
⎛ D ⎞ 2 ⎛ AFt ⎞ 4
T = To ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ , [K ]
⎝ 21 ⎠ ⎝ εF ⎠
NÕu V lµ vËt x¸m h×nh cÇu,
th×:
Ft πd 2 / 4 1
= =,
πd 2
F 4
NÕu:
1
1 ⎛ D ⎞2
T = To ⎜ ⎟ , [K ]
2 ⎝1⎠
NÕu kh«ng kÓ ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn, nhiÖt ®é c©n b»ng cña mÆt ®Êt lµ:
1
⎛ 1,39.10 9 ⎞2
1
5762⎜ ⎟ = 278K = 50C
T= ⎜ 1,5.1011 ⎟
⎝ ⎠
2
§©y cã thÓ coi lµ gi¸ trÞ trung b×nh cña nhiÖt ®é toµn cÇu.
11.6.3. Bøc x¹ mÆt trêi ®Õn tr¸i ®Êt
Tr¸i ®Êt lµ hµnh tinh h×nh cÇu, ®−êng kÝnh d = 1,273.107m , quay quanh
MÆt trêi theo quü ®¹o gÇn trßn, b¸n kÝnh R = 1,495.1011m, víi chu kú TN = 365,25
ngµy, ®ång thêi quay quanh trôc nghiªng trªn mÆt ph¼ng quü ®¹o 1 gãc γ = 66033’
theo chu k× Tn = 24h. tr¸i ®Êt ®−îc bao bäc bëi líp khÝ quyÓn cã ¸p suÊt gi¶m ®Çn
víi chiÒu cao theo luËt;
µgh
−
p = p0e RT
129
- C«ng suÊt bøc x¹ mÆt trêi chiÕu tíi tr¸i ®Êt lµ:
πd 2 π
Qt = EtFt = Ft. = 1353. (1,273.10 7 ) 2 = 1,72.1017 , [ W ]
4 4
Qt b»ng tæng c«ng suÊt cña 108 nhµ m¸y thñy ®iÖn Hßa B×nh ë n−íc ta. Do
®ã mçi n¨m tr¸i ®Êt nh©n ®−îc n¨ng l−îng QN = 5,4 . 1024J
Khi tia bøc x¹ Et ®Õn khÝ quyÓn, mét phÇn nhá Et bÞ ph¶n x¹, phÇn cßn l¹i
vµo khÝ quyÓn bÞ hÊp thô vµ t¸n x¹ bëi ozon O3, h¬i n−íc (m©y), bôi trong khÝ
quyÓn, trong suèt qu¶ng ®−êng l, phÇn cßn l¹i sau cïng ®−îc truyÒn tíi mÆt ®Êt,
gäi lµ tia trùc x¹ EtD. NÕu coi R = 0 th× EtD= (1 -A) Et.
Trong ®ã A phô thuéc vµo l =
H/sinϕ, p, T cña khÝ quyÓn, vµ vµo c¸c
yÕu tè kh¸c cña khÝ quyÓn nh− m©y, bôi
vv.
HÖ sè hÊp thô A = F (ϕ, 1, p, T,
thµnh phÇn, tÝnh chÊt khÝ quyÓn) ®−îc ®o
®¹c trùc tiÕp t¹i tõng ®Þa ph−¬ng vµ lÊy trÞ
trung b×nh theo mïa.
Ngoµi tia trùc x¹, mçi ®iÓm M trªn
mÆt ®Êt cßn ®−îc nhËn thªm 1 dßng bøc
x¹ t¸n x¹ do khÝ quyÓn vµ c¸c vËt xung
quanh truyÒn tíi ET, [W/m2], cã trÞ sè
kho¶ng 60W/m2 trong trêi n¾ng.
Nh− vËy, dßng nhiÖt bøc x¹ ®Õn 1m2 mÆt thu n»m ngang trªn ®Êt sÏ b»ng:
Ed = Et(1 –A)cosϕ + ET, (W/m2),
víi ϕ lµ gãc tíi cña tia n¾ng.
Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cho vËt V trong khÝ quyÓn sÏ cã d¹ng:
A V EdFt ∆τ = MC∆t V + kF( tF − tf )∆τ, [J ]
130
nguon tai.lieu . vn
