Файл: Фролов В.В. Источники тепла при сварке плавлением.pdf

с температурой газа можно

установить, исходя из молекуляр­

но-кинетических соображений:

еаЕ=

Т' =3)2 КТ,

(8)

где е0Е — энергия этектрэна (Е —напряженность

поля);

—------кинетическая энергия электрона;

Определим энергию

этектоона,

эквивалентную температуре

6000° к, соответствующую температуре дуги.

е0Е~ 3l2.<J = 3\2 •

J,i8

1О~К • 600Э° эргов-,

переходя к электрон-вольтам, получим:

3/2 •

1,33 •

10— 6 • 6000

е0Е=

1,6 ■

Ю-ъ

— 0,78э.в.

Таким образом, энергия

электрона, необходимая для созда­

Энергии процессов

диссоциации „прочных"

молекул,

таких

как Н2, О2 и, особенно,

N2, по своей энергии

уже соизмеримы

с энергиями процессов

ионизации металлических атомов,

срав­

Таблица 4

набота ионизации в эв

£

О

О

Энергия

4-

+

+

+

Вещество

диссоциа­

сч

СО

ю

+•

4-

ч

Н

Ч

ции молеку­

н

лы э-в

оt

t

4

СЧ

+

+

н

н

4

н

Водород Н,. . .

4,4776

!

13,54

—

—

—

Кислород О2 • •

5,084

13,57

34,75

54;8

77,5

113,3

Азот N2 .................

7,37

14,51

29.41

47,36

I

77,0

97,3

I

7

Фтор F2 ................

1,6

17,46

34,71

62,3

!

57,3

114,8

Фтористый водо­

_

—

—

1

—

род НЕ................

S.S

Окись углерода

9,7

—

—

—

—

—

СО.........................

ОН.........................

4,35

—

—

—

—

—

Калий К.................

—

4,32

31,45

46,0

;

61,7

83,3

Натрий Na . . .

5,С>9

46,65

71,3

1

99,0

139,1

Алюминий А1. .

—

5,94

18,85

28,35

:

119,6

151,9

Железо Fe . . .

—

7,83

15,9

31,69

j

55,9

79,0

Марганец Мп . .

7,<11

14,5

33,97

;

53,4

;

75,8

Кремний Si . . .

—

8,14

i

1<,29

33,35

1

41,84

1

167,4

Гелий Не ... .

—

2,,48

54,16

— .

—

Аргон Аг ... .

—

15,68

27,64

40,94

i

59,7

i

75,7

Так как при установившемся дуговом разряде в дуговой ат­

мосфере будет

существовать

некоторое постоянное число мо­

лекул, атомов,

ионоз и

электронов, то можно считать это со­

Вводя понятие степени

термической ионизации а, измеряе­

мой отношением числа распавшихся

молекул к числу молекул

первоначально взятых, можно выразить

константу равновесия

через степень диссоциации и общее давление Ро:

Ра2

а2

„

~ Ра2

~ 1 —а2

где Ра — парциальное давление атомов

газа;

Ра2 — парциальное давление молекул газа;

а—степень термической диссоциации;

Ро — общее давление газовой смеси.

собою энергетическую

Константа равновесия

представляет

потенциала Z или,

как его называют иначе,

свободной энерги­

ей при постоянном давлении:

отсюда:

bZ = — RTlnKp = &H—74S

(11)

Z/г Др —

AZ

A Н

А5

(Ю)

,

где А// — разность энтальной

реакции (в

данном случае равна

работе

диссоциации);

AS — разность энтропий

веществ, участвующих в реакции

при соответствующей температуре.

газов в зависимо­

Степени диссоциации ряда

двухатомных

сти от температуры приведены в

табл. 5

(общее давление при­

нято равным 1

ат).

Таблица 5

т° к

Н2^2Н

О2*~ 20

N2

2000

8,96 •

10-4

3,55 • 10-4

0,5 . 10-6

2400

8,6 . 10-3

4,58 • Ю-з

1,92 • 10-5

3000

8,4 • 10-2

5,84 • 10-2

0,75 • Ю-з

4000

0,644

0,613

2,95 • 10-2

5000

0,960

0,965

0,264

Диссоциация сложных газов,

таких как Н2О и

СО2 идет по

Последний процесс

более

вероятен при высоких темпера­

турах.

можно также представить в

ви­

Процесс ионизации атомов

де общего уравнения:

А0 ХА+ + е0

Применяя к этому процессу термодинамические зависимо­

сти,

М. Сага (1921

г.)

рассчитал степень

термической иониза­

ции газа х, являющуюся

отношением ионизированных атомов

ко всем взятым

атомам.

Учитывая, что в

процессе участвуют

одноатомные газы

и

считая их теплоемкость независящей от

температуры, М. Сага дал

уравнение для расчета степени тер­

мической ионизации:

11600 Uj

2

5|2

(12)

^ро = ^. /0-4-^Т

е------------т“ ,

ём°

где

х — степень термической

ионизации;

Ро —давление газа (мм. рт. ст)-,

весы положительного

gw4"!

gM°— статистические

или квантовые

иона и

нейтрального атома;

уравнения.

В этом случае уравнение М. Сага будет:

'--------у-

5!4

6800 Uj

/

Т'о

Т

е"

(13)

Дм

Вычисление

степеней

ионизации

для

различ­

термической

резко влия­

ных атомов показывает,

что потенциал

ионизации

ет на процессы ионизации.

Так.

при Т = 60U0°K атомы натрия

с потенциалом ионизации

5,12 э-в

будут иметь степень

иониза­

ции 0.212, т.

е. более

21% всех

атомов будут находиться в

виде положительных

ионов, а атомы Аг с

потенциалом иони­

зации

15,7

будут

иметь

степень

термической ионизации

2,26

10 % т.

е.

только

0,00226%

их будут находиться в

ионизированном состоянии.

составу газовых ат­

Для рассмотрения

сложных по своему

мосфер сварочных

дуг

необходимо ввести

понятие эффектив­

ного

потенциала.

Под эффективным потенциалом ионизации газовой смеси

надо понимать

потенциал

ионизации

некоторого

однородного

2 В. В. Фролов

17

газа, который

при той же температуре

и давлении образует

такое же количество заряженных

частиц,

как и газовая смесь.

Для вычисления эффективной

степени

ионизации Хо и эф­

фективного потенциала Uo необходимо

знать

концентрации

компонентов,

входящих в газовую

смесь,

и их

потенц алы ио­

можно рассчитать

по

уравнениям,

предложенным автором

(2):

к

SSOOUj

х0 = 2,2 •

10-2Т514Ро1|2

ЪИ2.

е

т

,

(14>

к

5800Uj

п= — —-—InVii’^e

т

’

(15)

и°

58(0

J-j

1

v

'

где ft—молярная

дробь или

концентрация

данного газа,

вы-

числяемая как

tij

-р — Хщ

Уравнения выведены с допущениями,

которые

приняты и

для упрощенного

уравнения

v\.

Сага, а

также без

учета

раз­

личия квантовых весов

нейтральных атомов

и ионов, что,

ко­

нечно, вносит погрешности.

потенциала ио­

Исследуя уравнение (15) для эффективного

низации замечаем,

что наибольшее значение в

сумме:

но

влияет температура дугового

промежутка.

Чем ниже эффективный потенциал ионизации газовой смеси,

тем

вероятнее процесс ионизации

и тем больше будет погло­

щение энергии в дуговом промежутке.

Расход энергии на ионизацию будет:

К

д = У, еоик • хь

(16)

i-i

где e0Uf — работа ионизации (э-в)

на моль газа;

Х[— степень ионизапии