Giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p7

Chia sẻ: Fsdfds Dsfsdxf | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

65
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p7', khoa học tự nhiên, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p7

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