Theoretical investigation of thermophysical properties in two-temperature argon-helium thermal plasma

Abstract

The thermophysical properties of argon-helium thermal plasma have been studied in the temperature range from 5000 to 40 000 K at atmospheric pressure in local thermodynamic equilibrium and non-local thermodynamic equilibrium conditions. Two cases of thermal plasma considered are (i) ground state plasma in which all the atoms and ions are assumed to be in the ground state and (ii) excited state plasma in which atoms and ions are distributed over various possible excited states. The influence of electronic excitation and non-equilibrium parameter h ¼ T e =T h on thermodynamic properties (composition, degree of ionization, Debye length, enthalpy, and total specific heat) and transport properties (electrical conductivity, electron thermal conductivity, and thermal diffusion ratio) have been studied. Within the framework of ChapmanEnskog method, the higher-order contributions to transport coefficient and their convergence are studied. The influence of different molar compositions of argon-helium plasma mixture on convergence of higher-orders is investigated. Furthermore, the effect of different definitions of Debye length has also been examined for electrical conductivity and it is observed that electrical conductivity with the definition of Debye length (in which only electrons participate in screening) is less than that of the another definition (in which both the electrons and ions participate in screening) and this deviation increases with electron temperature. Finally, the effect of lowering of ionization energy is examined on electron number density, Debye length, and higher-order contribution to electrical conductivity. It is observed that the lowering of the ionization energy affects the electron transport-properties and consequently their higher-order contributions depending upon the value of the non-equilibrium parameter h.

O paradoxo da função de partição

“…A seguir mostraremos alguns argumentos para possibilidade da convergência desta série. Vamos primeiro analisar alguns termos do somatório (14). Por exemplo, para o primeiro estado excitado (n = 2) temos ε H,2 = 10.20 eV e o gás numa temperatura ambiente T = 298 K (25 o C) corresponde a energia térmica k B T = 2.6 × 10 −2 eV.…”

“…Para obtermos Z o (T ) finita, válida para toda temperatura, um método razoável é simplificar a soma através de um ponto de corte no número quântico, isto é, a soma realizada até um valor máximo n = n max . Este problema do truncamento da série da função de partição (14) tem uma longa história, iniciado com Fermi [28], Ecker [29,30], Margenau e Lewis [31], Fowler [32] e outros pesquisadores [33][34][35][36][37][38][39][40], e com os trabalhos de Drellishak [41] e Capitelli e colaboradores [42][43][44][45] completando os níveis de energia inexistentes nas tabelas de Moore [46][47][48] para os átomos livres.…”

“…Foi mostrado também, que estes valores para n max não são alterados quando l > 0. No caso do modelo de Fermi, a função de partição (14) é truncada no número quântico n max . Por outro lado, no caso do modelo de Capitelli e Giordano (CG), temos um espectro de energia de estados ligados ε < 0 para n < n max e estados não ligados ε > 0 para n > n max , ou seja,…”

“…Por outro lado, em altas temperaturas (k B T ≈ ε I ), os estados excitados têm que ser levados em consideração e isto terá como consequência matemática a divergência da série da função de partição (8). O cálculo da função de partição e suas propriedades termodinâmicas de espécies atômicas (e moleculares) tem recebido muita atenção devido as diversas aplicações em física do plasma [12][13][14][15], dinâmica de fluidos [16,17], espectroscopia [18][19][20][21] e astrofísica [22][23][24]. As duas principais dificuldades são encontrar o espectro de energia dos átomos (apenas o átomo de hidrogênio tem solução exata da equação de Schrödinger) e um critério satisfatório para o número quântico de corte para eliminar a divergência.…”

Non-local thermodynamic equilibrium effects on isentropic coefficient in argon and helium thermal plasmas

“…The contribution of electronic excitation though small appears especially at high pressures but it is to be noted that this small variation in the isentropic coefficient generates large deviations in the expansion dynamics. 11 Recently authours 11,12,18,19 have emphasized the role of electronic excitation electronic excitation on isentropic coefficient in hydrogen, nitrogen plasmas, and platenary atmospheric plasma in LTE regime. But there is lot of scope to investigate the effect of electronic excitation on isentropic coefficient in non-local thermodynamic conditions and thus, we have studied the influence of electronic excitation, non-equilibrium parameter h and pressure on the isentropic coefficient of multiply charged non-local thermodynamic plasmas.…”