火是等離子體嗎?


等離子體方向在讀,嘗試回答一下。因為也是初學者,不準確的地方請指正。在這裡主要說一說自己關於等離子體的理解,定義請參看各種百科。

第一、火是等離子體,至少可以這麼理解。更準確的說是火焰。

第二、等離子體的本質是大量原本被氣體分子(原子)束縛的電子獲得能量而被激發形成自由電子,使得整個這一團「氣體」之間的粒子以長程相互庫侖力的相互作用為主導的一種狀態。注意這裡一定是由氣體激發而來的,等離子體和氣體一樣沒有固定形態和體積、具有流動性和彌散性,因此當然不是有電子就算,否則任何有電流的導線都可以算了。我自己的理解是,物質的四種狀態實際上是大量微觀粒子相互間作用力逐漸變化而導致宏觀形態發生改變的聚集效應。從能量的角度理解更順一些。微觀粒子間相互作用最強的是固體,原子或分子只能被束縛在有限的空間內振動,密度也最大。當固體從外界獲得能量,這種強相互作用被打破時,這些原子或分子可以在一定的空間中運動,宏觀上特有的幾何結構被打破,固體熔化形成液體。液體進一步從外界獲得能量,單個原子或分子的運動能力進一步增強,相互作用也就更弱,液體蒸發形成氣體。如果氣體再吸收能量,這個時候原子分子間的作用已經很弱了,這些能量被原子內的電子吸收,原子或分子本身被打破,於是就形成了等離子體。至於這裡所說的外界能量的來源,只要能形成等離子體的狀態,並不是很重要,只是形成的等離子體不同。通過加熱、放電、射線等手段都可以。火焰可以理解為由加熱獲得的等離子體。目前最常用的人工方法是氣體放電,因為電是人類完全可控的。概念上的判據很容易查到,這裡就不做解釋了。

第三、由於是電子被外來能量激發,等離子體中的電子溫度可以保持在較高的水平(高於1eV=11605K),但由於放電程度的不同,等離子體中的其他離子、原子、分子卻不一定能夠完全吸收這些由電子獲得的能量。而整個等離子體的溫度卻是由離子溫度(或稱重粒子,相對於電子而言)決定的,因此整個等離子體的溫度不一定能夠達到電子溫度的水平。正因為如此,目前人造等離子體也常常用電子溫度來作為分類依據,主要分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類。如果Te(電子溫度)≈1eV &>&> Tg(氣體溫度),被稱作低溫等離子體。民用生活中能見到的日光燈、等離子體顯示器、等離子體殺菌消毒裝置基本都屬於這一類。如果Te≈Tg(5000-20000K),被稱作高溫等離子體,最常見的是太陽,人工領域就是磁約束核聚變過程中形成的等離子體。另外由於應用上的區別,還有一種並不嚴格的分類,常常根據Tg的不同又將低溫等離子體分為熱等離子體(Tg在幾千K,比如電弧)和冷等離子體(Tg在室溫或不超過幾百K)。但是這種分類並不嚴格,有的時候Cold plasma和Low-temperature plasma的使用也不是很精確,要看具體的應用場合。因此還有一種從熱力學角度的稱謂,將高溫等離子體稱為熱平衡等離子體(Thermal equilibrium plasma),意味離子與電子達到熱平衡狀態;而將低溫等離子體稱為非熱平衡等離子體(Non-thermal equilibrium plasma)。

第四、除了溫度之外,還有許其他的參數可以用來表徵等離子體的特徵。另一個比較常用的是根據放電氣體的氣壓進行分類。氣體氣壓和氣體的密度直接相關,以放電等離子體為例,等離子體中產生各種帶電粒子的一個重要途徑就是高能電子與背景氣體分子之間的碰撞反應。氣壓越低,高能電子與分子之間的碰撞幾率越小,產生的等離子體越可控。半導體工業中已經非常成熟的離子濺射技術就與之相關,可以說低氣壓等離子體技術成功地推動了半導體工業的革命。另外在天體等離子體的研究中,由於宇宙空間的物質密度遠遠低於地表,因此很多天體等離子體也是存在於低氣壓狀態(這裡指的是彌散的等離子體,像太陽這樣的星體當然不是)。近幾年另一個比較熱的研究點集中在大氣壓等離子體上。在大氣壓下氣體密度高,放電時會產生大量的活性粒子和高能粒子,其中的化學過程異常複雜。尤其是當放電氣體成分不唯一時,目前的實驗診斷手段也沒能完全給出詳細的分析和機制的解釋。在這個層面上,由於牽扯到具體的物質對象而不是一種抽象的物理過程,等離子體物理已經和等離子體化學「無縫對接」了。

等離子體是一種強微觀效應引起宏觀狀態上發生的變化,因此有的時候需要不斷地去將宏觀與微觀之間的差距打通,從不同的角度考慮。個人認為這也是等離子體最有意思的地方。實際上目前關於等離子體的研究還是有很多內容可以挖掘。而且這是個高度交叉的領域,基本的物理定律、化學過程、在各種不同範圍的應用,需要很多知識的補充,更加有趣味了。

以上作答並未查閱足夠資料,不足之處敬請指正。


最近在做等離子體放電的相關東西,來回答一記。

2. 給出等離子體定義

等離子體態指當中性氣體產生了相當程度的電離,帶電粒子濃度超過一定數量時,中性粒子的作用減弱,整個系統將受帶電粒子的運動所支配,而表現出一系列不同於尋常流體的新性質。由於電離過程中正離子和電子總是成對出現,兩者數量大致相同,所以等離子體呈現宏觀中性。

而燃料電池的電介質起著傳遞電荷的作用,目前主要以酸鹼溶液和高溫熔融鹽為主,若使氣體電離需要強電場、高能輻射等,因此燃料電池目前以固、液態為主,不屬於等離子體。

1.溫度足夠高時,火是等離子體。

給出火的定義:火是一種強烈的氧化還原反應,焰是該化學反應的的主要區域,持續反應而產生高溫與不同的發射光譜。同時,火焰本質上是氣態現象,固體燃料和液體燃料要燃燒必須先轉化成氣態,液體燃料通過受熱蒸發成氣體,固體燃料經過高溫產生化學分解生成揮發性氣體。

當燃料變為氣態以後,若從外界繼續得到能量,粒子又受熱電離為帶負電的電子和帶正電的離子。電離使帶電粒子濃度超過一定數量(通常大約需千分之一以上)後,氣體的行為雖然仍與平常的流體相似,但中性粒子的作用開始退居到次要地位,帶電粒子的作用成為主導的,由此成為等離子體。如氫氧焰,其溫度可達2000 °C以上,足以形成等離子體。

3.按溫度可分為高溫等離子體和低溫等離子體。

高溫等離子體指由受控核聚變、原子彈、氫彈以及太陽等恆星所產生的等離子體,這些等離子體是完全電離的,其溫度高達10^810^{9}K

低溫等離子體指部分電離的,相對高溫等離子體而言溫度較低的等離子體。其又可以分為熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體,其中熱平衡等離子體中電子和離子溫度幾乎相同(如電弧等離子體T_{e}=T_{i}=10^{4}K),宏觀溫度較高;而非平衡態等離子體中電子溫度遠遠高於離子溫度,一般認為電子溫度可達到離子溫度的10一100倍(如輝光放電T_{e}=10^{4}K,T_{i}=300-1000K),因而非平衡態等離子體的宏觀溫度較低,一般約為幾千或幾百K,甚至接近室溫。

至於低溫等離子體就放一下我們自己做的大氣壓低溫等離子體放電的照片好了,上面邊是在氦氣下的管內射流放電,下面則是沿面放電。

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同學說不要放自己的實驗,只好找網上的了 - - 相對效果更好


1. 是的

23. 請自行維基百科"等離子體",夠詳細了。


說火焰是等離子體,實際上是非常片面的說法,只有部分高溫火焰才是真正的等離子體,其他大部分日常生活中見到的火焰,都不過是激發態的氣體分子而已。


從嚴格的定義上來講,火焰是一個系統,是開放系統:與環境間既有能量交換又有物質交換的系統。系統內有中性粒子和帶電粒子,溫度足夠高時帶電粒子足夠多則系統內粒子群呈等離子態。


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