14.Нагрев ударными волнами.

Ударная волна (скачок уплотнения) – распространяющаяся в средесо сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. Так, при взрывах, граница, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, и представляет собой ударную волну (или, как говорят, - фронт ударной волны). Именно ударная волна оказывает механическое и тепловое воздействие на окружающие объекты. Толщина ударной волны мала – порядка длины свободного пробега молекул. При прохождении газа через ударную волну его параметры (давление, плотность, и т.п.) меняются разрывным образом – скачком. Параметры газа в ударной волне, распространяющейся со скоростью Vуд зависят от числа Маха М=Vуд/u , где u - скорость звука в среде.

Теоретические формулы для оценки скачков плотности, давления, температуры получены только для простейшего случая идеального газа с постоянной теплоемкостью. Для реальных газов параметры за фронтом ударной волны можно определить лишь численными расчетами на основе сложных систем уравнений. В таблице 5 приведены расчетные величины сжатия ρ1/ρ0 , а также давления р1 и температуры Т1 за фронтом ударных волн, распространяющихся с различными скоростями Vуд по воздуху при нормальных условиях ( ро = 1 атм, То=293 К, ρ0 = 1,29 10-3 г/см3 ).

Общей теории ударных волны в твердых телах не существуют и их свойства определяют из опытных данных. В технических приложениях наибольшее значение имеют “слабые” ударные волны с давлениями 10 000 – 100 000 атмосфер и скоростями

распространения от 2000 до 9000 метров в секунду.. Это – типичные параметры для взрывов в жидкостях, ударах продуктов взрыва о преграды. при этом температуры на фронте волны могут достигать нескольких тысяч и десятков тысяч кельвин.

Еще больших температур достигают в ударных волнах, осуществляемых в лабораторных условиях – например, в устройстве:

Рисунок 25. Электромагнитное возбуждение ударной волны.

В этом устройстве ударная волна в воздухе вокруг электрической

дуги между двумя электродами создается в результате практически

мгновенного ( ≈ 10-6 с) возрастания тока через плазму дуги до очень

больших величин ( ≈ 1 000 000 А) в результате разрядки мощной батареи

конденсаторов. Распространение ударной волны характеризуется высоким

числом Маха (М≈200) в результате чего температура в ударной волне

достигает 500 000 К.

15. Ядерные и термоядерные реакции.

При ядерном взрыве производство большой тепловой мощности обеспечивается за счет протекания цепочек реакций деления ядер. Такая цепочка может быть инициирована, например, делением ядра урана в результате поглощения нейтрона : ₉₂U²³⁵+₀n¹ → ₉₂U²³⁶ → ₅₄Xe¹⁴⁰ + ₃₈Sr⁹⁴ + 2₀n¹ + γ + 200 МэВ (45)

Подавляющая часть энергии деления освобождается в форме кинетической энергии движения ядер-осколков. В результате их воздействия на окружающую атмосферу вокруг точки взрыва образуется «огненный шар», ограниченный быстро распространяющейся ударной волной. Как показано на рисунке 26, в начальные моменты взрыва температура этого шара превышает 100 000 К.

Реакции ядерного синтеза (термоядерные реакции) для целей энергетики осуществляют, в частности, с использованием изотопов «тяжелого водорода» – дейтерия (₁Н²) и трития (₁Н³) :

₁Н² + ₁Н² → ₁Н³ + ₁Н¹ + 4 МэВ (46)

₁Н² + ₁Н³ → ₂Не⁴ + ₀n¹ + 17,6 МэВ (47)

Реакция синтеза может начаться лишь если кинетическая энергия ядер достаточна для преодоления потенциального барьера, обусловленного их кулоновским отталкиванием. Необходимую энергию сообщают, нагревая газ до температур порядка 107 К. При таких высоких температурах газ представлять собой полностью ионизированную плазму. Из-за потерь на излучение, к.п.д. термоядерного реактора начинает превышать единицу лишь при значительно больших температурах, называемых «температурами зажигания», как показано на рисунке 27.