Телевизор может быть источником тепла

Таяние льда, горение древесины, плавление шоколада, нагревание кружки от горячего чая… Все эти явления что-то объединяет. Попробуете догадаться что? Верно, все эти явления — тепловые, то есть происходят из-за тепла. Но что такое тепло? Какие именно явления в физике можно назвать тепловыми?

Можно ли рассчитать их влияние с помощью формул и законов? Об этом и многом другом поговорим в этой статье.

· Обновлено 23 июня 2023

Что такое тепло?

Начнем с вопроса одновременно легкого и сложного: что такое тепло?

Теплом называется природная энергия, которая создается беспорядочным движением частиц тела (атомов, молекул и т. п.) и проявляется в нагревании этого тела.

Такое определение не было известно людям сразу. Например, было такое предположение: теплота — это невидимая, невесомая жидкость, которая притекает в физические тела. И чем больше объем этой жидкости, тем тело горяче́е. Конечно же, эта гипотеза не нашла подтверждения.

Позже ученые обратили внимание на поведение молекул при нагревании или охлаждении тела. С ростом температуры скорость молекул возрастает, они чаще сталкиваются друг с другом. При этом растет потенциальная и кинетическая энергия, а значит, и внутренняя, что проявляется в буквальном нагревании тела. Такое хаотичное движение молекул называют тепловым движением.

Отопление частного дома — газ или электричество? / Какое отопление выгоднее и дешевле?

Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество.

Логично предположить: раз с ростом температуры скорость молекул увеличивается, то при понижении температуры скорость будет падать. Но возможна ли полная остановка движения? До какой температуры следует охладить тело в таком случае?

Чтобы это произошло, потребуется охладить тело до абсолютного нуля по шкале Кельвина, что соответствует −273,15 °C, или −459,67 °F. Молекулы в таких условиях прекратят движение и замрут в узлах кристаллической решетки. Но достичь такого температурного режима невозможно ни на планете Земля, ни во всей Вселенной, ни даже в лабораторных условиях.

Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту

Полезные подарки для родителей

В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!

Получить подарок!

Каким образом можно нагреть вещество?

На самом деле способов больше, чем один. Телу можно передать тепло непосредственно или же изменить его внутреннюю энергию, совершив над ним работу.

Теплопередача

К видам теплопередачи относятся теплопроводность, конвекция и излучение. Чтобы лучше понять, чем отличается один тип от другого, давайте разберем примеры.

Тепло

1. Теплопроводность. Представьте, что ваши руки замерзли и вы держите в руках кружку кофе, чтобы их согреть. В таком случае тепло от более нагретого тела (кружки) передается менее нагретому (вашим рукам), до тех пор пока температура двух объектов не станет одинаковой. Так, горячая вода отдает свое тепло холодной при смешивании, а суп нагревает холодную ложку, если ее оставить в тарелке. Только аккуратно, не обожгитесь!
2. Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Проще говоря, это процесс, который происходит в жидкостях и газах, когда слои вещества разной температуры перемешиваются. На этом принципе основано отопление помещения и проветривание комнаты. Кстати, ветры, дующие над поверхностью земного шара, — это тоже пример конвекции.
3. Излучение. Догадывались ли вы, что мы сталкиваемся с этим типом теплопередачи каждый день? Именно день, ведь солнечный свет излучает тепло с помощью электромагнитных волн, что делает жизнь на планете Земля возможной. По правде говоря, любое нагретое тело может стать источником тепла (человек, животные, свеча, костер, звезды). Это можно увидеть с помощью особого прибора — тепловизора.

Совершение работы над веществом

Здесь мы тоже не обойдемся без понятного примера. Возьмем пробирку с керосином, обыкновенный шнурок и термометр. Замерим начальную температуру и начнем натирать пробирку шнурком. Что произойдет с температурой? Она начнет возрастать.

Это происходит благодаря теплопередаче? Или, может, невидимое излучение заставляет керосин нагреваться? Нет, мы изменили температуру вещества, совершив над ним работу.

Итак, подведем промежуточные итоги:

1. Тепло — это энергия, которая создается тепловым движением молекул.
2. Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество.
3. С ростом температуры растет и скорость движения молекул, а полностью остановить это движение практически невозможно.
4. Изменить температуру тела можно двумя способами: с помощью теплопередачи или изменения внутренней энергии тела при совершении над ним работы.

Понятие тепловых явлений

Тепловые явления — это физические процессы, протекающие в телах при их нагревании или охлаждении. То есть это те явления, которые происходят с телами по мере изменения их температуры.

Давайте сделаем небольшую остановку на этом физическом понятии, а потом продолжим.

Температура — мера нагретости тела. Ее можно измерить с помощью термометра, или по-простому градусника. У этого прибора есть множество разновидностей, но в быту чаще всего пользуются ртутными (для измерения температуры человеческого тела), жидкостными (для измерения температуры воздуха или жидкости) и электронными термометрами.

В мире используют несколько температурных шкал: Цельсия, Кельвина и Фаренгейта. На онлайн-уроках физики в школе Skysmart вы подробнее познакомитесь с ними и научитесь легко переводить значения из одной шкалы в другую!

Какие бывают тепловые явления?

Давайте поразмышляем о том, что может происходить с телом под действием температуры. Для этого не придется идти далеко: достанем из холодильника кубик льда, опустим его в стакан и посмотрим, что получится. Спустя какое-то время лед начнет таять (или плавиться) и превратится в воду. Но на этом мы не остановимся! Перельем воду в кастрюлю и начнем нагревать на плите.

Что произойдет тогда?

Абсолютно верно! Вода начнет нагреваться, а дальше — кипеть. Если вовремя не выключить плиту или не снять с нее кастрюлю, вся вода может выкипеть — превратиться в водяной пар.

За короткий промежуток времени мы смогли пронаблюдать воду в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. А можно ли обратить процесс вспять и снова получить кубик льда?

Так просто это сделать не получится: должно быть, весь водяной пар разлетелся по квартире, и его будет очень сложно собрать воедино. Но это не говорит о том, что процесс перехода из одного агрегатного состояния в другое необратим.

Предположим, нам удастся добыть целый литр водяного пара. Охлаждая его, мы заметим, как пар конденсируется — превращается в капельки жидкости. А получить лед совсем просто, если поместить полученную жидкость в морозильную камеру.

Если внимательно проанализировать опыт, вы заметите, что переход из одного агрегатного состояния в другое не происходит мгновенно. Для этого необходимо нагреть или охладить вещество до определенной температуры, причем для каждого вещества эти температуры разные. Так, лед начинает таять при 0 °С, а железо плавится аж при 1 538 °С.

А как называются процессы, связанные с повышением и понижением температуры? Сколько их всего?

Начнем с самого легкого. Процессы, связанные с нагреванием или охлаждением, так и называются. Напомним, что эти процессы не ведут к изменению агрегатного состояния, а, можно сказать, являются подготовкой к нему.

Плавление — процесс перехода из твердого состояния в жидкое. А обратный процесс, когда жидкость превращается в твердое тело, называется кристаллизацией (или затвердеванием). Для этих процессов необходимо достичь одной и той же температуры вещества. То есть лед начнет плавиться при нуле градусов, но одновременно с этим вода начнет кристаллизоваться при этой температуре.

Парообразование (кипение) — процесс перехода жидкости в газ, а конденсация — обратный процесс перехода газа в жидкость. Для этих процессов также существует одна и та же температура. Ртуть кипит при температуре 356,7 °С, и при этой же температуре пары ртути превращаются в жидкость.

Отдельно выделим процесс сгорания вещества. Это явление также является тепловым, но, к сожалению, оно необратимо.

Рассмотрим график фазовых переходов для воды:

Обратите внимание на то, как одно тепловое явление сменяет другое. Согласно графику, в начале опыта мы берем лед при температуре −40 °С и начинаем его нагревать. График этого процесса представлен наклонной прямой 1–2.

Достигнув 0 °С (точка 2), лед начинает таять. Для этого процесса не нужно увеличивать температуру, достаточно 0 °С, но понадобится время, чтобы процесс завершился. Поэтому плавление льда на графике представлено прямой линией 2–3, параллельной оси абсцисс.

Системы отопления. Виды и источники тепла. Особенности

Для поддержания положительной температуры в помещении применяются различные системы отопления. Выбор в пользу любой из них зависит от многих факторов, таких как специфика помещения, себестоимость установки, необходимая мощность, тип энергии, скорость нагрева.

Какие бывают системы отопления

Наиболее распространенными системами отопления являются:

• Воздушные.
• Водяные.
• Комбинированные (смешанные).

Все они имеют свою специфику, поэтому наилучшим образом подходят под конкретные условия. Это не позволяет назвать, какая система является самой лучшей.

Воздушное отопление

Данные системы подразумевают прямой нагрев воздуха от источника тепла без использования теплоносителей. За счет перемешивания воздуха тепло постепенно распространяется по всему помещению. Это наиболее простая система. Она сравнительно не сложная в установке. Ее достоинством является быстрое поднятие температуры, как минимум на 15% быстрее, чем оборудованием жидкостного типа.

Нагревательным элементом такого оборудования может выступить котел, камин, печка, обогреватель. Воздушное отопление может быть местным или центральным.

Местное отопление наиболее простое. В качестве основного оборудования в нем может использоваться нагревательный прибор, работающий в результате сжигания газа, твердого топлива или электрическая установка. Монтаж и запуск электрических систем наиболее простой, поскольку не требуется оборудование для отвода дыма. Для местного отопления характерно, что чем дальше от единого источника тепла, тем холоднее. Такое решение рентабельно только в домах с площадью до 100 м².

Центральное воздушное отопление подразумевает комбинирование с системой вентиляции. То есть, обогрев выполняется не циркулирующего в помещении одного и того же воздуха, а свежего поступаемого с улицы. Поток из приточной вентиляции пропускается через отопительное оборудование и поступает в помещении теплым.

Такая система менее экономична в плане потребления энергии, но она позволяет создать более здоровый микроклимат. Она исключает образование повышенной влажности, снижение уровня кислорода в помещении. Кроме этого нередко такие системы предусматривают применение воздушного фильтра. Это способствует поступлению чистого воздуха.

Водяные системы отопления

Они являются замкнутой и в разы сложнее. В ней предусматривается источник нагрева, от которого разветвляются трубы с радиаторами. По ним циркулирует вода или антифриз. Жидкость разогревается от нагревательного прибора и самотеком, или перекачивается циркуляционным насосом, поступает в радиаторы. Сами радиаторы располагаются в разных точках здания.

От них нагревается воздух, при этом жидкость внутри охлаждается, и далее по кругу возвращается обратно к нагревателю, где снова подогревается.

Набор достаточной температуры воздуха в помещении с жидкостным отоплением произойдет позднее, в сравнении с воздушными системами. При этом температура во всех помещениях будет максимально одинаковой. Также отрегулировав радиатор можно уменьшать или увеличивать интенсивность прогрева в отдельных уголках здания, поддерживая везде разную комфортную температуру, пользуясь при этом общим источником тепла.

Система водяного отопления может быть с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя. Естественная циркуляция является менее эффективной в плане скорости разогрева радиаторов. В ней теплоноситель двигается естественным образом за счет свойства жидкости при нагреве поднимается вверх. За счет этого происходит ее перемешивание в трубах. Достоинство такой системы в том, что она полностью автономна.

Системы отопления с принудительной циркуляцией подразумевают наличие циркуляционного насоса. Он быстро прокачивает жидкость по кругу, позволяя более эффективно распределить температуру по всем помещениям здания. Однако недостаток этой системы: зависимость от электроэнергии.

Водяное отопление имеет ряд недостатков:

• Сложность монтажа и обслуживания.
• Большой промежуток времени между включением системы и обогревом помещения.
• Высокая вероятность протечки.
• Дороговизна установки и ремонта.

Варианты подключения радиаторов водяного отопления

В зависимости от варианта их подключения разделяют 3 основные системы:

1. Однотрубные.
2. Двухтрубные.
3. Коллекторные.

Они отличаются по тому, сколько труб подходит к радиатору отопления. В однотрубной выполняется последовательное подключение. Как следствие радиатор стоящий первым в системе разогревается больше всего. Последний будет самым холодным. Чтобы компенсировать разницу температур, проводится корректировка размера радиаторов.

Первый имеет меньше всего секций. За счет этого у него самая низкая площадь нагрева. У последнего радиатора больше всего ребер. За счет большей площади они даже при небольшой температуре поверхности отдают почти такое же количество тепла, как и узкий горячий радиатор.

Двухтрубная система подразумевается параллельное подключение радиаторов. Для этого к каждому из них подводится по 2 трубы. Это делает такой вариант подсоединения более дорогостоящим. Однако в двухтрубной системе можно ставить радиаторы одинакового размера. Они независимо от отдаленности будут давать одинаковое количество тепла.

Коллекторная система отопления подразумевает применение распределительных коллекторов. Они устанавливаются в магистрали и используются для разветвления потоков на отдельные батареи. Ее монтаж сопровождается перерасходом труб в сравнении с другими системами. При этом положительным моментом является возможность регулировки всех радиаторов в одном месте в точке расположения коллектора.

Водяные системы отопления позволяют разместить источник тепла вдали от радиаторов. В зависимости от того где он расположен, применяются разные способы разводки труб:

• Верхняя.
• Нижняя.
• Вертикальная.
• Горизонтальная.

Виды систем отопления в зависимости от источников тепла

Для функционирования системы отопления необходим источник тепла, который будет нагревать воздух или теплоноситель, циркулирующий в трубах. Существует масса вариантов такого источника, который позволяет получить тепло в результате потребления:

• Твердого топлива.
• Газа.
• Жидкого топлива.
• Электричества.
• Альтернативных источников.

В качестве источника тепла работающего на твердом топливе могут выступать печки, камины, котлы. Их работа заключается в сжигания внутри рабочей камеры топлива. Это могут быть дрова, уголь, брикеты. Во многих случаях такой вид топлива является самым доступным. Подобные системы автономны, поскольку для их работы не требуется электричество, водопровод.

Главный их недостаток заключается в необходимости ручной загрузки топлива, а также надобности уборки золы, чистки сажи.

Газовые системы отопления работают на природном магистральном газе. Они одни из самых дешевых в плане потребления, однако их установка сопровождается необходимостью получения разрешительной документации. Кроме этого данное топливо является источником повышенной опасности. Система отопления на газу подойдет только при наличии газопровода.

Система на жидком горючем обычно подразумевает получение тепла за счет сжигания дизельного топлива. Это крайне нерентабельное отопление по причине дороговизны горючего. Однако оно отличается простотой обслуживания. Система подходит для удаленных загородных домов, где нет газа и проводного электричества, при этом оборудование на твердом топливе является неприемлемым.

Котлы, работающие на жидком горючем, подразумевают подключение к магистрали с теплоносителем. По воздушному принципу они не работают, что вызвано требованиями безопасности. Котел на ДТ должен быть вынесен за пределы жилого помещения.

Отопление на электрической энергии является на сегодняшний день одним из самых перспективных, особенно для небольших помещений. Электроотопление может быть как воздушным, так и водяным. Наиболее простым является воздушное. Для установки такой системы необходимо просто расставить в каждое помещение по камину, калориферу, тепловентилятору или другому электроприбору.

Системы отопления на альтернативных источниках подразумевают использование геотермальной энергии или энергии солнца. В последнем случае используются солнечные коллекторы. Это часть системы выносится за пределы помещения на открытый участок, где напрямую контактирует с прямыми солнечными лучами. Данный элемент нагреваясь передает тепло в помещение.

Солнечные коллекторы работают только днем. Их эффективность зависит от разности температур, а также продолжительности светового дня и облачности. Подобные системы недостаточно эффективны для полноценного обогрева, поэтому используются как дешевые вспомогательные, позволяющие снизить себестоимость отопления помещения.

Альтернативные системы отопления на геотермальной энергии работают почти также, как и аналог на солнечном коллекторе. Однако они берут тепло из грунтовой массы. Породы и грунт на глубине от поверхности имеет положительную температуру даже зимой. Подобные системы подразумевают закапывание под землю трубной магистрали с ее выходом в помещение.

При продувании холодного воздуха из помещения через такую систему можно получить на выходе его более теплым. Нагреть воздух до +20°С таким источником невозможно, но геотермальная система не даст температуре стать отрицательной. Обычно такие системы используют больше для кондиционирования летом. Для отопления они применяются как вспомогательные.

Похожие темы:

• Нагревательные маты. Виды и устройство. Плюсы и минусы
• Электрический теплый пол. Виды и работа. Монтаж. Плюсы и минусы
• Греющий кабель. Виды и устройство. Применение и установка. Работа
• Солнечные концентраторы. Виды и особенности. Применение
• Индукционные котлы отопления. Виды и устройство. Работа
• Электродные котлы отопления. Устройство и работа. Плюсы и минусы
• Карбоновые обогреватели. Виды и применение. Плюсы и минусы

Источник: electrosam.ru

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПРИМЕРЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ -лазерная и электронная технологии (сварка, резка, термическая обработка); -дуговая сварка диффузионная пайка; термитная и СВС-сварка; -плазменные технологии нанесения покрытий и поверхностной обработки; -ионные технологии; -кислородная резка; -совмещенные технологии резки, сварки, наплавки; -процессы получения тонких пленок и выращивание монокристаллов; -многие процессы химической и диффузионной обработки поверхностей материалов и др. -многие технологии получения новых материалов в химической промышленности; -технологии переработки и сжигания природного топлива; -различные металлургические процессы. Во всех высокотемпературных технологиях происходит преобразование различных видов энергии в тепловую энергию и (или) ее непосредственное использование для получения, переработки и модификации материалов и их поверхностей

Особенности высокотемпературных технологий :

— существенная неравновесность процессов, связанная с неоднородным распределением температуры и ее изменением во времени; — высокие скорости нагрева и охлаждения различных элементов системы; — наличие сложного теплообмена; — существование нескольких различных фаз; соотношение между которыми изменяется; — разнообразные физико-химические явления, сопутствующие нагреву и охлаждению или лежащие в основе технологии. Блочная структура технологического процесса . 1 – технологическая камера (может отсутствовать); 2 – основные энергетические источники (используются непосредственно в технологических операциях); 3 – вспомогательные энергетически источники (например, для создания определенных температурных режимов); 4 – материальные потоки (материалы и заготовки); 5 – готовый продукт; 6. – технологические отходы (подразделяются на технологические и материальные)

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Принципиальной особенностью высокотемпературных технологий является использование современных высокоэнергетических источников, поэтому целесообразно рассмотреть некоторые наиболее характерные источники тепла Источники тепла , используемые в ВТП, могут быть поверхностными или объемными ; непрерывными, импульсными и импульсно- периодическими ; сосредоточенными и распределенными; неподвижными и движущимися . Поверхностные источники: технологический электронный луч; лазерное излучение различных длин волн, действующее на металлы; потоки плазмы, генерируемые плазмотронами или другими методами; сварочная дуга; световое излучение широкого спектрального диапазона (например, сфокусированное излучение ксеноновых ламп). Один и тот же источник при разных пространственно-временных масштабах может быть отнесен к разным типам. Например, при действии лазерного излучения на некоторые диэлектрики выделение и поглощение энергии происходит не на поверхности, а в объеме вещества. При увеличении мощности электронного луча максимум энерговыделения также смещается в объем материала

Типично для поверхностного

Пространственно-временные характеристики источников тепла

( распределение энергии по объему или по поверхности, временные параметры) играют существенную роль в ВТП. Наиболее распространенным типом источников являются гауссовы, излучение которых распределено по поверхности в соответствии с законом нормального распределения.

При разработке ВТП часто ставится задача управления пространственно-временными характеристиками источников для получения оптимального в том или ином смысле ВТП. Обычно концентрированными источниками энергии называют те, зоны воздействия (пятно нагрева) которых на обрабатываемое тело малы по сравнению с характерными размерами тела.

Из числа концентрированных источников условно выделяют высококонцентрированные источники энергии (ВКИЭ), удельная мощность которых на определенном участке превышает 10 4 Вт/см 2 . К ВКИЭ относят потоки электронов и ионов, сфокусированные на поверхности тел, струи и сгустки низкотемпературной плазмы, генерируемые с помощью специальных устройств – дуговых плазмотронов, взрывных плазменных генераторов, сфокусированное излучение лазеров различных типов. Под действием ВКИЭ на участках металлических тел температуру, близкую к температуре плавления, получают за несколько миллисекунд. ВКИЭ могут быть как импульсными (импульсно- периодическими), так и непрерывными. Мощность импульсных ВКИЭ может существенно превышать единицы мегаватт, а непрерывных – достигать мощностей единиц и даже десятков мегаватт. Быстро растут мощности лазерных установок.

Технологический электронный луч (ТЭЛ)

Как источник энергии для ВТП ТЭЛ применяется с конца 50-х годов. Сущность процесса электронно-лучевой обработки заключается в том, что кинетическая энергия электронов, ускоренных в электрическом поле, при соударении с обрабатываемым изделием, помещенным в вакуумную камеру, превращается в тепловую.

Глубина проникновения электронов (длина пробега) в твердое тело зависит от ускоряющего напряжения и плотности обрабатываемого вещества. Так, для ускоряющего напряжения в десятки киловольт глубина проникновения электронного потока в металлы составляет десятки микрометров Так как диапазон мощности и плотности энергии в электронном луче велик (до единиц мегаватт и 10 Вт/см 2 и выше) , возможно получение всех видов термического воздействия ТЭЛ на материалы: нагрев до заданных температур, плавление практически любых материалов; испарение с весьма большими скоростями Электронно-лучевые технологии : плавка и испарение в вакууме, сварка и прецизионная обработка.

Обычно обработку проводят в среднем вакууме, когда потери мощности ТЭЛ на рассеяние невелики. При плавке и испарении в вакууме, для нанесения пленок и покрытий используют мощные (до нескольких мегаватт) электронно-лучевые печи при ускоряющем напряжении 20-30 кВ. Плотность мощности здесь относительно невелика и обычно не превышает 104-105 Вт/см2. Преимущество электронно-лучевой переплавки перед дуговой обусловлено частичным удалением вредных примесей из переплавляемого металла и повышением однородности слитков. Использование ТЭЛ для нанесения пленок дает возможность получить скорости напыления, практически недостижимые для других методов нанесения пленок и покрытий. Для сварки металлов – основного направления в применении ТЭЛ для ВТП –мощность сварочных установок обычно составляет от 1 до 120 кВт и более при максимальной удельной мощности 105- 106 Вт/см2 .

Лазерная технология (ЛТ)

Взаимодействие излучения лазера с веществом приводит к поглощению электромагнитной энергии в тонком поверхностном слое металла, а в случае диэлектриков и полупроводников лазерное излучение может проникать вглубь объема, создавая объемный источник теплоты. Поглощение энергии излучения приводит к развитию процессов тепло- и массообмена, протекающих на поверхности и в объеме материала.

Теплофизические процессы играют существенную роль в развитии явлений и в значительной степени определяют результат воздействия излучения на вещество. Развитие ЛТ началось практически одновременно с созданием первых лазеров (1960 г.). В настоящее время лазерная технология относится к числу наиболее развивающихся.

Она применяется при поверхностной закалке, легировании, плавке, сварке, пробивании отверстий и др. При обработке материала основное значение имеют энергетические параметры – энергия, мощность, длительность воздействия, пространственно – временное распределение плотности мощности, условия фокусировки, физические свойства материалов (коэффициенты поглощения, теплопроводность, плотность и т.д.).

В промышленной технологии используются лазеры нескольких типов, различающиеся длиной волны (от 0,7 до 10,6 мкм) и видом генерации излучения (непрерывное, импульсно- периодическое, импульсное). Наибольшее распространение получили импульсные лазеры для электронной промышленности радиопромышленности, приборостроения и др., средняя мощность которых не превышает 1 кВт, хотя в импульсе мощность может превосходить сотни и тысячи киловатт. Промышленные лазеры с большой непрерывной мощностью более 1-5 кВт весьма перспективны для сварки, термообработки и других технологических процессов в машиностроении, станкостроении, автомобильной и других отраслях промышленности. Интенсивно разрабатываются конструкции импульсно-периодических лазеров, перспективных для технологических процессов получения и обработки материалов.

Ионно-плазменные технологии

Применение плазм для металлургии и обработки материалов в машиностроении и др. отраслях активно началось в конце 50-х годов. Первоначально основное внимание было сосредоточено на таких технологических процессах как сварка и резка металлов.

В дальнейшем плазменная технология начала активно применяться в металлургических процессах, включая процессы восстановления и синтеза, переплавки и рафинирования тугоплавких металлов, получения порошковых материалов, сфероидизации частиц, нанесения покрытий и др. Генерация низкотемпературной плазмы осуществляется двумя основными способами – с помощью дуги прямого действия (когда один из электродов, обычно – анод, является одновременно обрабатываемым материалом) или с помощью ионизованного газа, который подается через отверстие в аноде в свободное пространство.

Обработка материала производится при введении в плазму дисперсионных материалов, проволоки, которая плавится, дробится на мелкие капли под действием газового потока и подвергается плазменной обработке. Наряду с дуговой плазмой в технологических процессах используется ВЧ- и СВЧ- плазма.

ВЧ-плазма зажигается внутри кварцевого цилиндра и практически не контактирует со стенками камеры, что делает ее «стерильной», т.е. не загрязненной продуктами испарения. ВЧ- плазма обычно неравновесна, и это дает возможность получения веществ с уникальными свойствами. Плазменный поток распределен по некоторому закону, при этом максимум мощности приходится на центральную часть зоны воздействия – анодное пятно. В некотором приближении можно считать интенсивность теплового источника распределенной по нормальному закону. Плотность потока в анодном пятне может достигать 10 6 Вт/см 2 , а в свободной плазменной струе, истекающей в пространство, она несколько ниже – до 10 4 Вт/см 2 . Особенно перспективным является использование плазменных процессов в металлургии и технологии неорганических материалов. Достоинства плазменной технологии обусловлены не только высокой интенсивностью энергетических потоков, но и возможностью проведения плазмо-химических реакций, приводящих к синтезу новых веществ

Роль математического моделирования в разработке современных технологий

Использование технологических процессов такого типа, как лазерная, электронно-лучевая и плазменная технологии приводит к необходимости решать специальные задачи проектирования технологических процессов, составной частью которого является математическое моделирование. Для сложных технологических процессов математическая модель является основным инструментом, позволяющим проводить как предварительные исследования, так и оптимизировать разработанную технологию. Математическое моделирование в области современных технологий включает — исследование и разработку физических и математических моделей технологических процессов; — разработку аналитических и численных методов решения нелинейных теплофизических задач, соответствующих моделям разных технологий; — получение инженерных соотношений для описания температурных и концентрационных полей в процессах обработки материалов; — исследование и разработку и методов решения обратных задач (в том числе, теплообмена) как средства проектирования технологических процессов; — изучение сопряженных и связанных задач для получения более полной информации о тепло- и массопереносе в процессах обработки материалов, нахождение условий оптимизации технологических процессов и методов их реализации; — нахождение условий контроля, управления и регулирования технологических процессов.

Источник: studfile.net