НАГЛЯДНЫЕ  МОДЕЛИ  СВС  РЕАКЦИИ

Хисамутдинова  Анастасия  Вадимовна

студент  3  курса,  физико-технологический  факультет,  СамГТУ,  г.  Самара

E-mail:  abolotskaia@mail.ru

Амосов  Евгений  Александрович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  СамГТУ,  г.  Самара

Рассмотрим  систему,  изображенную  ниже  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Модель  системы

В  данной  модели  некоторое  тело  1  находиться  в  ямке  2  в  состоянии  устойчивого  равновесия.  Как  хорошо  видно  из  рисунка  если  телу  1  сообщить  некоторое  количество  энергии,  то  оно  перейдет  через  барьер  4  и  попадет  в  новое  устойчивое  состояние  —  в  ямку  3.

Рисунок  2.  Передача  энергии  в  системе

Из  рисунка  1  также  хорошо  видно,  что  энергия  системы  в  состоянии  3  меньше  энергии  в  состоянии  2.  Следовательно,  переход  системы  из  2  в  3  сопровождается  уменьшением  энергии,  а  значит,  является  энергетически  выгодным.

Предположим,  что  энергия,  которая  выделяется  при  переходе  системы  из  2  в  3,  не  рассеивается  в  окружающую  среду,  расходуется  следующим  образом.  Поместим  в  ямку  3  некоторое  тело  5,  имеющую  такую  же  массу,  как  и  тело  1.  Тогда,  энергия  которая  освободиться  за  счет  перехода  тела  1  из  состояния  2  в  состояние  3,  будет  передана  телу  5.  За  счет  это  энергии  тело  5  преодолеет  барьер  6  и  попадет  в  состояние  7.  Как  видно  из  рисунка  2,  при  таком  действии  так  же  произойдет  выделение  энергии.

Теперь  будет  повторять  рассмотренный  выше  процесс  еще  и  еще.  Каждый  раз  одно  тело  преодолевать  барьер  за  счет  воздействия  тела,  которое  преодолело  этот  барьер  раньше.  При  этом  будет  выделяться  энергия.  Эта  энергия  будет  расходоваться  на  подъем  последующего  тела  и  (при  наличии  трения)  рассеиваться  во  внешнюю  среду.  Покажем,  что  подобный  процесс  похож  на  распространение  волны  горения  порошковой  смеси  при  протекании  в  этой  смеси  СВС  реакции.

Действительно  принято  считать,  что  смесь  порошков,  в  которой  происходит  СВС  реакции,  может  быть  представлена  как  совокупность  реакционных  ячеек  [1].  Каждая  из  таких  ячеек  сначала  нагревается  (от  предыдущей  ячейки),  а  затем  сама  сгорает  (подогревая  следующую  ячейку).  В  нашей  модели  аналогом  такой  ячейки  является  система,  изображенная  на  рисунке  1.  В  начальный  момент  времени  эта  система  поглощает  энергию  (как  реакционная  ячейка  при  нагревании),  а  затем,  после  прохождения  барьера  4,  система  выделяет  энергию  (как  при  сгорании  реакционной  ячейки).

Таким  образом,  действительно,  наша  модель  своеобразно  отражает  те  изменения  энергии,  которые  происходят  при  СВС  реакции  в  порошковой  системе.

Смесь  порошков,  в  которой  будет  проходить  реакция  само  распространяющегося  высокотемпературного  синтеза  (или  СВС  реакция)  мы  можем  изобразить  следующим  образом  в  виде  последовательно  расположенных  ячеек,  имеющих  некоторую  связь  друг  с  другом  (рисунок  3).

Рисунок  3.  Модель  порошковой  смеси

Каждая  ячейка  может  выделять,  поглощать  тепловую  энергию,  или  не  участвовать  в  энергетических  процессах.  Обозначим  выделение  тепла  —  знаком  плюс,  поглощении  —  знаком  минус.  Если  ячейка  не  участвует  в  энергетических  процессах,  то  обозначим  её  состояние  цифрой  ноль.

С  учетом  этого  изобразим  модель  до  начала  СВС  реакции  следующим  образом  (рисунок  4).

Рисунок  4.  СВС  смесь  до  реакции.

Пусть  в  смеси  начинается  СВС  реакция  которая  требует  затрат  энергии  на  нагрев  ячейки  (рисунок  5).

Рисунок  5.  Начало  СВС  реакции

Очевидно,  что  для  нагрева  крайней  справа  ячейки  потребуется  некоторый  внешний  источник  энергии  (рисунок  6)  .

Рисунок  6.  Нагрев  крайней  ячейки

Обычно  таким  источником  в  опытах  служит  вольфрамовая  спираль,  поджигающая  СВС  смесь  или  инициирующая  СВС  реакцию. 

После  того,  как  крайняя  справа  ячейка  начинает  выделять  тепло,  состояние  системы  имеет  следующий  вид  (рисунок  7).

Рисунок  7.  Начало  самостоятельной  реакции

Теперь  уже  (при  условии,  что  количество  выделяющейся  энергии  больше  энергии  необходимой  для  нагрева  следующей  реакционной  ячейки)  реакция  в  смеси  может,  в  принципе  идти  самостоятельно  (рисунок  8).

Рисунок  8.  Модель  распространения  фронта  горения

На  рисунке  8  отражено  состояние  системы  (порошковой  смеси)  в  последовательные  моменты  времени.  Из  рисунка  хорошо  видно,  как  по  смеси  распространяется  фронт  горения  справа  налево.

Подобная  модель  может  быть  использована  как  простая  и  наглядная  иллюстрация  при  изучении  и  анализе  протекания  процессов  самораспространяющегося  высокотемпературного  синтеза.

Приведённые  выше  модели  в  простой  и  наглядной  форме  отражают  некоторые  особенности  распространения  волны  горения  в  порошковой  смеси  при  протекании  СВС  реакции. 

Список  литературы

1.Мержанов  А.Г.,  Мукасьян  А.С.  Твердопламенное  горение.  М.:  ТОРУС  ПРЕСС,  2007.  —  336  с.