WWW.KONFERENCIYA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Конференции, лекции

 

Переработанный доклад

Тематический раздел: Физико-химические исследования.

Подраздел: Теплофизические свойства веществ. Регистрационный код публикации: 2tp-b1

Поступила в редакцию 10 ноября 2002 г. УДК:536.63

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

© Фортов В.E.

Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. г. Москва.

Ключевые слова: экстремальные состояния, генерация и диагностика, термодинамика, фазовые переходы, кинетика, металлизация, диэлектризация, полуэмпирика, базы данных, моделирование.

Выдержки из пленарного доклада* Уважаемые коллеги! Я хотел бы поблагодарить академика РАН Алемасова В.Е. и академика АН РТ, ректора КГТУ Дьяконова С.Г. за то, что они взялись организовать столь представительную конференцию и для меня большая честь выступить именно здесь, в Казани, много сделавшей для нашей теплофизики. Школа, существующая здесь, имеет всемирную известность и мне особенно приятно отметить, что в отличии от конференций на которых мне приходилось бывать, эта конференция в значительной степени представлена молодежью.

Физические свойства веществ в экстремальных состояниях представляют большой интерес для теплофизики высоких энергий, гидродинамики высокоскоростного удара, астрофизики, энергетики, термоядерного синтеза, технологии и многих других приложений, связанных с мощной концентрацией тепловой или электромагнитной энергии. В докладе представлены современные результаты экспериментальных исследований мощных ударных волн, интенсивных адиабат расширения и полученных с их помощью данных об упругопластических и прочностных свойствах, уравнениях состояния, термодинамических и транспортных свойствах, электропроводности и прозрачности материалов в экстремальных состояниях.

В данном докладе обсуждаются экспериментальные методы генерации высоких плотностей энергии в веществе, генераторы ударных волн и быстрые диагностические методы. Применение интенсивных ударных волн к твердым пористым мишеням позволило получать экстремально высокие концентрации энергии, а также Ферми-подобную плазму с максимальными давлениями до 4 Гбар и температурами ~107К. Сжатие материалов серией падающих и отраженных ударных волн позволило увеличить необратимый эффект нагрева. В результате, такие многоступенчатые процессы сжатия становятся близкими к изоэнтропическим, позволяющим получить значительно болee высокие плотности при более низких температурах нежели при однократном ударном сжатии. С другой стороны, для усиления необратимых эффектов и генерирования высокотемпературных состояний материалов, осуществляются эксперименты по ударному сжатию пористых образцов (тонкий металлический порошок, аэрогели).

Ударное сжатие насыщенных паров металла и предварительно сжатые падающими и отраженными ударными волнами благородные газы позволяют достичь состояния неидеальной плазмы и изучить ее нестационарную динамику. Адиабатическое расширение вещества, первоначально сжатого интенсивными ударными волнами до мегабарных давлений, дает шанс исследовать промежуточную область между твердой и парообразной фазой, включая фазовый переход металл-изолятор и высокотемпературную кривую насыщения с критическими точками металлов.

Справа представлен перечень процессов преобразования энергии, мощность преобразователя в которых в свою очередь определяется дивергенцией вектора УмоваПойтинга, который представляет собой произведение плотности энергии на скорость распостранения этой энергии.

Ниже приведена фазовая диаграмма, которая условно объединяет всю наук

у экстремальных состояний, … интерес к которой всегда был довольно большим.

Здесь схематично изображены пути и методы получения экстремальных состояний. Я буду говорить о так называемых динамических методах, когда вещество живет короткое время. … В частности, можно указать на методы ударно-волнового сжатия-разогрева. …Большой прогресс в этой части достигнут в последнее время в группе Савватимского и Коробенко, когда состояния, которые возникают, соответствуют сверхкритическим условиям металла.

На фазовой диаграмме состояний вещества изображено все то, что ”по зубам” современной технике генерации высоких давлений и температур. Здесь представлены кривые холодного сжатия, давления и испарения с критическими точками.

Критические точки металлов очень трудно, фактически невозможно, получить в реальных условиях. Поэтому методы, которые я вам сегодня буду показывать, устроены таким образом: вы можете осуществлять либо квазиэнтропическое, т.е. холодное сжатие путем сжатия вещества в серию ударных волн, либо получать высокие температуры, но низкие плотности. Обе области интересны и здесь появляются самые неожиданные ситуации. В эти области можно попасть либо электровзрывом, здесь изображена траектория, которая соответствует электрическому взрыву, либо через сжатие пористых веществ в ударных волнах, и последующее адиабатическое расширение. Общие технологические соображения показывают, что так можно попасть в район критической точки и в область перехода металл-диэлектрик. Это было всегда весьма интересным в связи с тем, что еще в 40-х годах, а на самом деле еще раньше, предсказывались фазовые переходы, которые связаны с плазменными эффектами. Дело в том, что вещество в этом случае оказывается не только сжатым и разогретым, но и не взорванным. …На диаграмме наибольший интерес представляет область, где можно ожидать новые фазовые переходы.



_ * Выдержки для публикации взяты из видеозаписи выступления академика РАН Фортова В.Е. на пленарном заседании X Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, схемы из его презентационного файла в формате Microsoft Power Point. Материалы отредактированы исполнительным редактором Butlerov Communications Курдюковым А.И. с согласия автора. Публикация отражает только схематическое построение доклада и не претендует на его детальное изложение.

© Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. Приложение к спецвыпуску № 10.

Переработанный доклад _ Фортов В.E.

ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ВЗРЫВНАЯ ТЕХНИКА, ПУШКИ

плосковолновые линзы разгон пластин кумуляция одноступенч. пушки пороховые пушки 2-х ступенчатые пушки рельсотроны

ЭЛЕКТРОВЗРЫВ

цилиндры фольги

ИЗЛУЧЕНИЕ

лазерное излучение электронные пучки пучки ионов мягкий рентген ядерные взрывы qk ~ 10-6qВВ ~ 10-12 qЯВ Если вы хотите получить состояния с очень высокими температурами, а плотности вас не особенно интересуют, то общие законы сохранения импульса ( E = P(V00 – V)/2 ) показывают, что необходимо брать исходное вещество в низкоплотном состоянии.

Лучше взять его в форме аэрогеля с характерным размером порядка нанометра. В этом случае можно наблюдать большие плотности тепловой энергии и высокие температуры.

Если вы интересуетесь эффектами сжатия, то надо стремиться получать низкую температуру. В такого рода экспериментах теплопроводность обычно не играет большой роли. Ниже изображена схема сжатия водорода. Вещество нагружается ударом пластинки, удар делится где-то между двумя пластинками, одна из которых прозрачна.

При этом можно видеть, как набирается давление в каждой из таких ревербераций. Относительно холодное вещество, в частности водород, можно дожать до давлений 1.5–2 миллионов атмосфер и посмотреть как оно переходит в металлическое состояние. Это удалось сделать недавно, примерно 4 года назад.

Если вы хотите получить более высокие параметры и не прибегать к экзотике типа ядерных взрывов, то применяются сферические системы, в которых происходит инициирование по поверхности, а потом ударная волна начинает вгонять оболочку к центру. Здесь используются слоистые системы, предложенные академиком Забабахиным Е.И. Этим методом достигают скорости движения 16 км/с (рекорд - 30 км/с). Давление при этом составляет десятки миллионов атмосфер.

В последнее время в экспериментах по теплофизике экстремальных состояний привлекаются устройства, в свое время предложенные для исследования физики элементарных частиц. Это ускорители, гигантские по своим размерам и стоимости (порядка 2-3 миллиарда долларов). В частности, на установке в Дармштадте пучек тяжелых ионов можно разгонять до релятивистких скоростей, специальным образом интерферировать и, наконец, попадать на мишень, в результате чего можно в итоге получить фотографию, например, взрыва ксенона.

Конечно самые большие плотности сегодня можно получить при помощи лазеров. Здесь существует два направления.

Одно из направлений связано с использованием крупных лазеров нового типа. Речь идет об установках мощностью порядка МДж, позволяющих проводить термоядерный синтез с невысоким удержанием.

В этом случае проблема диагностики очень сложна. Один из методов, который реализован у нас в институте, основан на том, что изменение энтропии отраженного излучения дает вам возможность определить плавится вещество или не плавится, с

МНОГОКРАТНОЕ УДАРНОЕ СЖАТИЕ

http://chem.kstu.ru © Chemistry and Computational Simulations. Butlerov Communications. 2002. Supplement to Special Issue No. 10.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ _ 1- какой кинетикой плавится. Вот, например, на схеме ниже изображена кинетика плавления цинка… удается реализовать предсказание Ландау, «Горячие» электроны - «холодная» решётка, гидродинамика который утверждал, что можно реализовать ситуацию при которой 2 спина будут упорядочены, а сама решетка будет неупорядочена. В это не очень верили и вот сейчас это реализовано на примере никеля с временем жизни порядка 1000 пс. Это очень большие времена. И ясно, что такая теплофизика, очень быстрая и экстремальная, находит применение. В первую очередь для диагностики и для записи информации (для магнитных носителей, для памяти).

На схеме ниже изображен еще один пример кинетических исследований – изучение прочности разрушения вещества на разрыв в зависимости от скорости деформирования.

…Мы знаем, что теоретическая прочность, рассчитанная на основе молекулярных данных, на пару порядков оказывается выше, чем та, что измеряется в статическом эксперименте.

Разница между статическим режимом и теоретическим, который расчитан в самом начале прошлого века объясняется тем, что процесс разрушения связан с активным ростом трещин и движением дислокаций, требующих времени. На схеме изображены экспериментальные данные, полученные при помощи взрывчатых веществ. При быстрой организации процесса отсутствует

ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

SHOCK-WAVE LOADING OF ALUMINUM SINGLE CRYSTALS AT ELEVATED TEMPERATURES

! High spall strength is maintained up to temperatures just by 10° below the melting point;

! The Hugoniot elastic limit unexpectedly grows with increasing the temperature;





! The velocity pullback (spall strength) decreases whereas the HEL increases with heating.

! A strong rate sensitivity results in a strong decay of the elastic precursor wave;

! The rise time in plastic shock wave increases from 4-6 ns at the room temperature to 12-16 ns near the melting temperature.

Для описания поведения вещества в столь широкой области фазовой диаграммы, предложена модель, являющаяся в общем-то комбинацией тепловых моделей. Вещество, представлено атомной моделью. …Внутренний спектр вещества рассчитывается методом Нartree-Fock’а, причем это довольно сложная процедура, которая при сравнении с другими методами дает возможность описать изменение спектра от сжатия. Вещество при сжатии начинает расширяться и смещаться, что схематически изображено ниже на схеме слева.

© Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. Приложение к спецвыпуску № 10. info@kstu.ru Переработанный доклад _ Фортов В.E.

Эта модель уже проверена на разных веществах. На схеме справа приведены результаты, полученные при давлениях в миллионы атмосфер.

Поразительно, что эта модель предполагает развитие ионизации. Вещество можно ионизовать при помощи повышения температуры – это хорошо известная техническая процедура, а можно это сделать и холодным образом, сжимая его при низких температурах. … И если речь идет о водороде, то мы наблюдаем скачок проводимости (на 5-6 порядков величины). На “жаргоне” это называется металлизацией, хотя этот термин неправильный. … Существующие модели довольно прилично описывают это состояние вещества.

… На схеме далее преведены результаты математического моделирования методом квантового Монте-Карло (QMC).

При низких температурах, протоны и электроны с разными спинами находятся вместе, образуя практически нейтральную среду (левая схема ниже). Но если увеличивается плотность, то возникают кластеры (правая схема ниже). Это указание на слабый переход. При ситуации, когда вещество очень сильно дожали, возникает решетка и поле электронов и ионов. То, что в таких системах образуются плазменные фазовые переходы, является наиболее интересным в этой области.

Вещество при больших плотностях стремится к упорядочению.

Ниже слева представлена схема, иллюстрирующая металлизацию фуллерена. Фуллерен имеет структуру, большую на порядок по размеру чем водород. Поэтому все элементы металлизации должны осуществляться при более низких давлениях.

Если водород металлизуется при давлении порядка миллиона атмосфер, то здесь представлена металлизация при давлении http://chem.kstu.ru © Chemistry and Computational Simulations. Butlerov Communications. 2002. Supplement to Special Issue No. 10.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ _ 1- примерно 200-300 килобар. Механизм этой металлизации сейчас совершенно непонятен. Одна из схем состоит в том, что образуются полимерные цепи и наблюдается коммутация связей углерода на соседние фуллереновые кластеры, но самые последние расчеты показали, что этого эффекта недостаточно чтобы описать эксперимент.

Поразительно, что вещество, которое начинают сжимать, может переходить и переходит не только в металлическое состояние, что ожидаемо, но и электризуется. Совсем недавно Aschroft N., на основании очень сложных квантово-механических расчетов предсказал структуру cl16 (ниже схема справа), в которой электроны в соседних центрах лития спариваются… В результате, эти электроны не участвуют в проводимости. Это предсказание нетривиальное, причем сделанное для простого металла. Оно показывает, что если вы сжимаете вещество (оси на схеме: плотность и проводимость), то сопротивление растет.

Дальше в районе миллиона атмосфер снова наступит металлизация. Эта схема сейчас довольно горячо обсуждается.

На установке Савватимского и Коробенко удается получать состояния, которые находятся выше критической точки. Это крайне важно для того, чтобы исследовать область неупорядоченной, сильно неидеальной среды. …. Справа на схеме с экспериментальными данными, мы можем наблюдать плавный переход в диэлектрическое состояние.

Ниже на схеме слева изображен метод, который используется в теплофизике – это метод адиабатического расширения. Если вещество в пористом состоянии сжимают до больших давлений, то вы можете попасть в двухфазную область. Здесь виден уход от плавной кривой расширения, которая как раз соответствует тому, что вы попадаете в двухфазную область и в район критической точки.

Ниже на схеме справа приведены результаты расчетов по полуэмпирическим уравнениям состояния, полученные Ломоносовым и Хищенко. В этом случае удается попасть в район критической точки и получить непротиворечивое описание по большому количеству экспериментальных данных.

Если у вас химическое равновесие может сдвигаться и зависит от температуры, то, как показал Иосилевский, эта зависимость может быть представлена двумя кривыми (нижняя схема слева). Что сильно отличается от того, что предсказывалось раньше по очень упрощенным моделям. Речь идет о диоксиде урана – штатном топливе для ядерных станций.

Если мы говорим о моделях, которые должны моделировать ядерные аварии, то необходимо знать на какой из этих кривых вы находитесь. Работы были реализованы в рамках гранта INTAS на аппаратах российских и немецких институтов.

На общем виде фазовой диаграммы в координатах P-V-T (нижняя схема справа), экспериментальные данные расположены лишь в очень узких областях, тогда как нам нужно иметь полное описание всей фазовой диаграммы для © Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. Приложение к спецвыпуску № 10. info@kstu.ru Переработанный доклад _ Фортов В.E.

полуэмпирических уравнений состояния (Хищенко).

Ниже приводятся эти полуэмпирические уравнения состояния. Нижняя правая схема показывает как при этом учитываются электроны.

Ниже представлен тот набор экспериментальных данных, который используется для того, чтобы подобрать коэффициенты и осуществить ассимптотики. Ассимптотики при более высоких давлениях, как в данном случае в теории Ферми, при очень высоких температурах - это ионизационная модель; и электронный спектр - при относительно низких температурах для выбора параметров и коэффициентов электронной теплопроводности.

МНОГОФАЗНЫЕ УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

Ниже на схемах показано, как описываются эксперимнтальные точки обсуждаемыми полуэмпирическими уравнениями состояния.

http://chem.kstu.ru © Chemistry and Computational Simulations. Butlerov Communications. 2002. Supplement to Special Issue No. 10.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ _ 1-

U AT HIGH PRESSURE U P-T AT HIGH PRESSURE

Данные, полученные при суперэкстремальных

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

состояниях техникой ударных волн и другие, сегодня объединены в одну базу данных комплекса программ ЭКСТРЕМТЕРМО, который позволяет расчитать стандартные данные до температур 50 тыс. К при 1 атм., и до температур 10 тыс. К и 100 млрд. атм. Сегодня, пожалуй, это единственная база данных, которая содержит такую широкую информацию, что позволяет рассчитывать всю термодинамику, считать параметры ударных волн, параметры деформационных волн, данные по классическим свойствам.

На схеме представлена энергетическая поверхность в том виде, в котором она попала в компьютерный код.

Устройство компьютерных кодов включает в себя уравнение состояния, которое учитывает фазовые процессы, механические свойства, переход из упругого в классическое состояние, фрагментациию и гетерогенную механику. Когда у вас очень высокие температуры, вы можете расчитывать теплопроводность, электронную теплопроводность, оптические свойства. Эта супер-ЭВМ называется ВМС1000М.

Машина построена у нас в России и она обладает скоростью 1 триллион операций в секунду – это очень высокие параметры. С ее помощью можно смоделировать и были смоделированы, например, действие кумулятивного снаряда, кавитация (можно видеть как происходит трехмерное сжатие и образование кумулятивной струи, которая будет потом разрушать конструкцию), высокоскоростной удар (тоже трехмерный, т.е. это три координаты и время) – это важно для защиты космического аппарата от микрометеоритов, Рэлей-Тейлоровская неустойчивость, крайне важная в очень многих задачах.

© Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. Приложение к спецвыпуску № 10. info@kstu.ru

Похожие работы:

«V ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО – ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ Инновационные технологии в обучении и производстве Камышин 4-6 декабря 2008 г. МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ Том 3 Вузы и организации, участвующие в конференции 1. Волгоградский государственный технический университет 2. Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета 3. Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета 4. Волгоградский...»









 
2014 www.konferenciya.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Конференции, лекции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.