Тепловой разгон описывает процесс, который ускоряется при повышении температуры , в свою очередь высвобождая энергию , которая еще больше повышает температуру. Тепловой разгон происходит в ситуациях, когда повышение температуры изменяет условия таким образом, что вызывает дальнейшее повышение температуры, часто приводящее к разрушительному результату. Это своего рода неконтролируемая положительная обратная связь .
В химии (и химической инженерии ) тепловой разгон связан с сильно экзотермическими реакциями, которые ускоряются при повышении температуры. В электротехнике тепловой разгон обычно связан с увеличением тока и рассеивания мощности . Тепловой разгон может происходить в гражданском строительстве , в частности, когда тепло, выделяемое большими объемами затвердевающего бетона, не контролируется. [ необходима ссылка ] В астрофизике неконтролируемые реакции ядерного синтеза в звездах могут приводить к новым и нескольким типам взрывов сверхновых , а также происходить как менее драматичное событие в нормальной эволюции звезд солнечной массы, « гелиевая вспышка ».
Химические реакции, включающие тепловой разгон, также называются тепловыми взрывами в химической инженерии или реакциями разгона в органической химии . Это процесс, при котором экзотермическая реакция выходит из-под контроля: скорость реакции увеличивается из-за повышения температуры, вызывая дальнейшее повышение температуры и, следовательно, дальнейшее быстрое увеличение скорости реакции. Это способствовало промышленным химическим авариям , наиболее заметными из которых были катастрофа в Техас-Сити в 1947 году из-за перегретого нитрата аммония в трюме корабля и взрыв зоалена в 1976 году в сушилке в Кингс-Линн . [1] Теория Франка-Каменецкого дает упрощенную аналитическую модель теплового взрыва. Разветвление цепи является дополнительным механизмом положительной обратной связи, который также может привести к резкому повышению температуры из-за быстро увеличивающейся скорости реакции.
Химические реакции являются либо эндотермическими, либо экзотермическими, что выражается в изменении их энтальпии . Многие реакции являются сильно экзотермическими, поэтому многие промышленные и нефтеперерабатывающие процессы имеют определенный уровень риска теплового выхода из строя. К ним относятся гидрокрекинг , гидрирование , алкилирование (S N 2), окисление , металлирование и нуклеофильное ароматическое замещение . Например, окисление циклогексана в циклогексанол и циклогексанон и ортоксилола во фталевый ангидрид приводило к катастрофическим взрывам, когда контроль реакции выходил из строя.
Тепловой разгон может быть результатом нежелательных экзотермических побочных реакций, которые начинаются при более высоких температурах после первоначального случайного перегрева реакционной смеси. Этот сценарий был причиной катастрофы в Севезо , где тепловой разгон нагрел реакцию до таких температур, что в дополнение к предполагаемому 2,4,5-трихлорфенолу также был произведен ядовитый 2,3,7,8-тетрахлордибензо- p -диоксин , который был выброшен в окружающую среду после разрыва мембраны реактора . [2]
Тепловой разгон чаще всего вызван отказом системы охлаждения корпуса реактора . Отказ смесителя может привести к локальному нагреву, который инициирует тепловой разгон. Аналогично, в проточных реакторах локальное недостаточное смешивание приводит к образованию горячих точек, в которых возникают условия теплового разгона, что приводит к сильным выбросам содержимого реактора и катализаторов. Неправильная установка компонентов оборудования также является распространенной причиной. Многие химические производственные предприятия спроектированы с аварийной вентиляцией большого объема, что является мерой по ограничению масштабов травм и материального ущерба при возникновении таких аварий.
В больших масштабах небезопасно «загружать все реагенты и смешивать», как это делается в лабораторных масштабах. Это связано с тем, что количество реакции масштабируется пропорционально кубу размера сосуда (V ∝ r³), но площадь теплопередачи масштабируется пропорционально квадрату размера (A ∝ r²), так что отношение тепловыделения к площади масштабируется пропорционально размеру (V/A ∝ r). Следовательно, реакции, которые легко охлаждаются достаточно быстро в лабораторных условиях, могут опасно самонагреваться в масштабах тонн. В 2007 году такая ошибочная процедура привела к взрыву реактора объемом 2400 галлонов США (9100 л), используемого для металлирования метилциклопентадиена металлическим натрием , что привело к гибели четырех человек и разбрасыванию частей реактора на расстояние 400 футов (120 м). [3] [4] Таким образом, реакции промышленного масштаба, склонные к тепловому разгону, предпочтительно контролируются добавлением одного реагента со скоростью, соответствующей доступной охлаждающей способности.
Некоторые лабораторные реакции должны проводиться при экстремальном охлаждении, поскольку они очень склонны к опасному тепловому разгону. Например, при окислении по Сверну образование хлорида сульфония должно проводиться в охлажденной системе (−30 °C), поскольку при комнатной температуре реакция подвергается взрывному тепловому разгону. [4]
Микроволны используются для нагрева различных материалов при приготовлении пищи и в различных промышленных процессах. Скорость нагрева материала зависит от поглощения энергии, которое зависит от диэлектрической проницаемости материала. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры различается для разных материалов; некоторые материалы демонстрируют значительное увеличение с ростом температуры. Такое поведение, когда материал подвергается воздействию микроволн, приводит к избирательному локальному перегреву, поскольку более теплые области способны лучше принимать дополнительную энергию, чем более холодные области — потенциально опасно, особенно для теплоизоляторов, где теплообмен между горячими точками и остальной частью материала происходит медленно. Эти материалы называются материалами с тепловым разгоном . Это явление встречается в некоторых видах керамики .
Некоторые электронные компоненты развивают более низкие сопротивления или более низкие напряжения срабатывания (для нелинейных сопротивлений) по мере повышения их внутренней температуры. Если условия цепи вызывают заметное увеличение тока в этих ситуациях, повышенное рассеивание мощности может еще больше повысить температуру за счет джоулева нагрева . Порочный круг или эффект положительной обратной связи теплового разгона могут привести к отказу, иногда весьма впечатляющему (например, электрический взрыв или пожар). Чтобы предотвратить эти опасности, хорошо спроектированные электронные системы обычно включают защиту от ограничения тока, такую как термопредохранители, автоматические выключатели или ограничители тока PTC .
Чтобы справиться с большими токами, проектировщики схем могут подключать несколько устройств с меньшей емкостью (например, транзисторы, диоды или MOV ) параллельно . Этот метод может работать хорошо, но подвержен явлению, называемому захватом тока , при котором ток не распределяется равномерно между всеми устройствами. Как правило, одно устройство может иметь немного более низкое сопротивление и, таким образом, потреблять больше тока, нагревая его больше, чем его родственные устройства, в результате чего его сопротивление падает еще больше. Электрическая нагрузка в конечном итоге направляется в одно устройство, которое затем быстро выходит из строя. Таким образом, массив устройств может оказаться не более надежным, чем его самый слабый компонент.
Эффект захвата тока можно уменьшить, тщательно подбирая характеристики каждого параллельно подключенного устройства или используя другие методы проектирования для балансировки электрической нагрузки. Однако поддержание баланса нагрузки в экстремальных условиях может оказаться непростым делом. Устройства с собственным положительным температурным коэффициентом (PTC) электрического сопротивления менее склонны к захвату тока, но тепловой пробой все равно может произойти из-за плохого теплоотвода или других проблем.
Многие электронные схемы содержат специальные положения для предотвращения теплового разгона. Чаще всего это наблюдается в схемах смещения транзисторов для выходных каскадов высокой мощности. Однако, когда оборудование используется при температуре выше расчетной окружающей среды, в некоторых случаях тепловой разгон все равно может происходить. Это иногда приводит к сбоям в работе оборудования в условиях высокой температуры или при блокировке вентиляционных отверстий для воздушного охлаждения .
Кремний демонстрирует своеобразный профиль, в котором его электрическое сопротивление увеличивается с температурой примерно до 160 °C, затем начинает уменьшаться и падает еще больше при достижении точки плавления. Это может привести к явлениям теплового разгона во внутренних областях полупроводникового перехода ; сопротивление уменьшается в областях, которые нагреваются выше этого порога, позволяя большему току протекать через перегретые области, в свою очередь вызывая еще больший нагрев по сравнению с окружающими областями, что приводит к дальнейшему повышению температуры и уменьшению сопротивления. Это приводит к явлению скученности тока и образованию токовых нитей (похожему на поглощение тока, но в пределах одного устройства) и является одной из основных причин многих отказов полупроводниковых переходов .
Ток утечки значительно увеличивается в биполярных транзисторах (особенно в биполярных транзисторах на основе германия ) по мере повышения их температуры. В зависимости от конструкции схемы это увеличение тока утечки может увеличить ток, протекающий через транзистор, и, таким образом, рассеиваемую мощность , вызывая дальнейшее увеличение тока утечки коллектор-эмиттер. Это часто наблюдается в двухтактном каскаде усилителя класса AB . Если подтягивающие и понижающие транзисторы смещены так , чтобы иметь минимальное искажение кроссовера при комнатной температуре , и смещение не компенсировано температурой, то по мере повышения температуры оба транзистора будут все больше смещены, что приведет к дальнейшему увеличению тока и мощности и в конечном итоге к разрушению одного или обоих устройств.
Одним из правил, позволяющих избежать теплового разгона, является поддержание рабочей точки биполярного транзистора таким образом, чтобы V ce ≤ 1/2 V cc.
Другой практикой является установка транзистора с тепловым датчиком обратной связи или другого устройства на радиаторе для управления напряжением смещения кроссовера. По мере нагревания выходных транзисторов нагревается и транзистор с тепловым датчиком обратной связи. Это, в свою очередь, заставляет транзистор с тепловым датчиком обратной связи включаться при немного более низком напряжении, снижая напряжение смещения кроссовера и, таким образом, уменьшая тепло, рассеиваемое выходными транзисторами.
Если несколько транзисторов BJT соединены параллельно (что типично для приложений с высоким током), может возникнуть проблема с захватом тока. Необходимо принять специальные меры для контроля этой характерной уязвимости BJT.
В мощных транзисторах (которые фактически состоят из множества небольших транзисторов, соединенных параллельно) может происходить перегрузка тока между различными частями самого транзистора, при этом одна часть транзистора становится более горячей, чем другие. Это называется вторичным пробоем и может привести к разрушению транзистора, даже если средняя температура перехода, по-видимому, находится на безопасном уровне.
Силовые МОП-транзисторы обычно увеличивают свое сопротивление в открытом состоянии с температурой. При некоторых обстоятельствах рассеиваемая на этом сопротивлении мощность вызывает больший нагрев перехода, что еще больше увеличивает температуру перехода в положительной обратной связи. Как следствие, силовые МОП-транзисторы имеют стабильные и нестабильные области работы. [5] Однако увеличение сопротивления в открытом состоянии с температурой помогает сбалансировать ток через несколько МОП-транзисторов, соединенных параллельно, поэтому перегрузки по току не происходит. Если МОП-транзистор выделяет больше тепла, чем может рассеять радиатор , то тепловой разгон все равно может разрушить транзисторы. Эту проблему можно облегчить до некоторой степени, снизив тепловое сопротивление между кристаллом транзистора и радиатором. См. также Тепловая расчетная мощность .
Металлооксидные варисторы обычно развивают более низкое сопротивление по мере нагрева. При прямом подключении через шину питания переменного или постоянного тока (обычное использование для защиты от скачков напряжения ) MOV, который развил пониженное напряжение срабатывания, может перейти в катастрофический тепловой разгон, что может привести к небольшому взрыву или пожару. [6] Чтобы предотвратить эту возможность, ток короткого замыкания обычно ограничивается тепловым предохранителем, автоматическим выключателем или другим устройством ограничения тока.
Танталовые конденсаторы при некоторых условиях склонны к саморазрушению из-за теплового разгона. Конденсатор обычно состоит из спеченной танталовой губки, действующей как анод , катода из диоксида марганца и диэлектрического слоя пентаоксида тантала, созданного на поверхности танталовой губки путем анодирования . Может случиться, что слой оксида тантала имеет слабые места, которые подвергаются диэлектрическому пробою во время скачка напряжения . Затем танталовая губка вступает в прямой контакт с диоксидом марганца, и повышенный ток утечки вызывает локальный нагрев; обычно это запускает эндотермическую химическую реакцию, которая производит оксид марганца (III) и восстанавливает ( самозалечивает ) диэлектрический слой оксида тантала.
Однако, если энергия, рассеиваемая в точке отказа, достаточно высока, может начаться самоподдерживающаяся экзотермическая реакция, похожая на термитную реакцию, с металлическим танталом в качестве топлива и диоксидом марганца в качестве окислителя. Эта нежелательная реакция разрушит конденсатор, вызывая дым и, возможно, пламя . [7]
Таким образом, танталовые конденсаторы можно свободно использовать в слаботочных цепях, однако их применение в мощных цепях должно быть тщательно продумано, чтобы избежать отказов из-за теплового разгона.
Ток утечки транзисторов логического переключения увеличивается с температурой. В редких случаях это может привести к тепловому разгону в цифровых схемах. Это не распространенная проблема, поскольку токи утечки обычно составляют небольшую часть общего энергопотребления, поэтому увеличение мощности довольно скромное — для Athlon 64 рассеиваемая мощность увеличивается примерно на 10% на каждые 30 градусов Цельсия. [8] Для устройства с TDP 100 Вт, чтобы произошел тепловой разгон, радиатор должен иметь тепловое сопротивление более 3 К/Вт (кельвинов на ватт), что примерно в 6 раз хуже, чем у стандартного радиатора Athlon 64. (Штатный радиатор Athlon 64 рассчитан на 0,34 К/Вт, хотя фактическое тепловое сопротивление окружающей среде несколько выше из-за тепловой границы между процессором и радиатором, повышения температуры в корпусе и других тепловых сопротивлений. [ необходима ссылка ] ) Независимо от этого, неадекватный радиатор с тепловым сопротивлением более 0,5–1 К/Вт приведет к разрушению устройства мощностью 100 Вт даже без учета эффектов теплового разгона.
При неправильном обращении или при дефектном производстве некоторые перезаряжаемые батареи могут испытывать тепловой разгон, что приводит к перегреву. Герметичные элементы иногда сильно взрываются, если предохранительные вентиляционные отверстия переполнены или неисправны. [9] Особенно подвержены тепловому разгону литий-ионные батареи , наиболее заметно в форме литий-полимерной батареи . [ требуется ссылка ] Сообщения о взрывающихся мобильных телефонах время от времени появляются в газетах. В 2006 году батареи от Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell и других производителей ноутбуков были отозваны из-за пожаров и взрывов. [10] [11] [12] [13] Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) Министерства транспорта США установило правила, касающиеся перевозки определенных типов батарей в самолетах из-за их нестабильности в определенных ситуациях. Это действие было частично вдохновлено пожаром в грузовом отсеке самолета FedEx . [14] Одним из возможных решений является использование более безопасных и менее реактивных анодных (титанаты лития) и катодных ( фосфат лития-железа ) материалов — тем самым избегая использования кобальтовых электродов во многих литиевых аккумуляторах — вместе с негорючими электролитами на основе ионных жидкостей.
Неконтролируемые термоядерные реакции могут происходить в звездах, когда ядерный синтез зажигается в условиях, при которых гравитационное давление, оказываемое вышележащими слоями звезды, значительно превышает тепловое давление , ситуация, которая делает возможным быстрое повышение температуры за счет гравитационного сжатия . Такой сценарий может возникнуть в звездах, содержащих вырожденную материю , в которых давление вырождения электронов, а не нормальное тепловое давление, выполняет большую часть работы по поддержанию звезды против гравитации, и в звездах, претерпевающих имплозию. Во всех случаях дисбаланс возникает до зажигания термоядерного синтеза; в противном случае реакции синтеза естественным образом регулировались бы для противодействия изменениям температуры и стабилизации звезды. Когда тепловое давление находится в равновесии с вышележащим давлением, звезда отреагирует на повышение температуры и теплового давления из-за инициирования новой экзотермической реакции расширением и охлаждением. Неконтролируемая реакция возможна только тогда, когда эта реакция подавлена.
Когда звезды в диапазоне масс 0,8–2,0 солнечных исчерпывают водород в своих ядрах и становятся красными гигантами , гелий, накапливающийся в их ядрах, достигает вырождения, прежде чем воспламеняется. Когда вырожденное ядро достигает критической массы около 0,45 солнечных масс, зажигается и стремительно развивается гелиевый синтез , называемый гелиевой вспышкой , на короткое время увеличивая выработку энергии звездой до скорости в 100 миллиардов раз выше нормальной. Около 6% ядра быстро превращается в углерод. [15] Хотя выброса достаточно, чтобы преобразовать ядро обратно в обычную плазму за несколько секунд, он не разрушает звезду [16] [17] и не изменяет ее светимость немедленно. Затем звезда сжимается, выходя из фазы красного гиганта и продолжая свою эволюцию в стабильную фазу горения гелия .
Новая звезда возникает в результате неконтролируемого термоядерного синтеза водорода (через цикл CNO ) во внешнем слое углеродно-кислородного белого карлика . Если у белого карлика есть звезда-компаньон, из которой он может аккрецировать газ , материал будет накапливаться в поверхностном слое, вырожденном интенсивной гравитацией карлика. При правильных условиях достаточно толстый слой водорода в конечном итоге нагревается до температуры 20 миллионов К, зажигая неконтролируемый термоядерный синтез. Поверхностный слой отрывается от белого карлика, увеличивая светимость примерно в 50 000 раз. Однако белый карлик и его компаньон остаются нетронутыми, поэтому процесс может повториться. [18] Гораздо более редкий тип новой звезды может возникнуть, когда внешний слой, который воспламеняется, состоит из гелия. [19]
Аналогично процессу, приводящему к новым звездам, вырожденная материя может также накапливаться на поверхности нейтронной звезды , которая аккрецирует газ от близкого компаньона. Если накапливается достаточно толстый слой водорода, зажигание неуправляемого синтеза водорода может затем привести к рентгеновскому всплеску . Как и в случае с новыми, такие всплески имеют тенденцию повторяться и могут также быть вызваны гелием или даже синтезом углерода. [ 20] [21] Было высказано предположение, что в случае «супервсплесков» неуправляемый распад накопленных тяжелых ядер на ядра группы железа посредством фотодиссоциации, а не ядерного синтеза может внести большую часть энергии взрыва. [21]
Сверхновая типа Ia возникает в результате неконтролируемого синтеза углерода в ядре углеродно-кислородного белого карлика. Если белый карлик, который состоит почти полностью из вырожденной материи, может получить массу от компаньона, то повышение температуры и плотности материала в его ядре зажжет синтез углерода, если масса звезды приблизится к пределу Чандрасекара . Это приведет к взрыву, который полностью разрушит звезду. Светимость увеличится более чем в 5 миллиардов раз. Одним из способов получить дополнительную массу будет аккреция газа от гигантской звезды (или даже главной последовательности ) компаньона. [22] Второй и, по-видимому, более распространенный механизм для создания того же типа взрыва — слияние двух белых карликов . [22] [23]
Парно -нестабильная сверхновая , как полагают, возникает в результате неконтролируемого слияния кислорода в ядре массивной звезды с массой 130–250 солнечных и низкой или средней металличностью . [24] Согласно теории, в такой звезде образуется большое, но относительно низкоплотное ядро несинтезирующего кислорода, вес которого поддерживается давлением гамма-лучей, создаваемым экстремальной температурой. По мере того, как ядро нагревается дальше, гамма-лучи в конечном итоге начинают проходить энергетический порог, необходимый для распада, вызванного столкновением, на пары электрон - позитрон , процесс, называемый рождением пар . Это вызывает падение давления внутри ядра, что приводит к его сжатию и дальнейшему нагреванию, вызывая большее рождение пар, дальнейшее падение давления и так далее. Ядро начинает подвергаться гравитационному коллапсу . В какой-то момент это запускает неконтролируемый слияние кислорода, выделяя достаточно энергии, чтобы уничтожить звезду. Эти взрывы редки, возможно, примерно один на 100 000 сверхновых.
Не все сверхновые взрываются в результате неконтролируемого ядерного синтеза. Сверхновые типа Ib, Ic и типа II также подвергаются коллапсу ядра, но поскольку они исчерпали свой запас атомных ядер, способных к экзотермическим реакциям синтеза, они полностью коллапсируют в нейтронные звезды или, в случаях с большей массой, в звездные черные дыры , вызывая взрывы за счет высвобождения гравитационной потенциальной энергии (в основном за счет высвобождения нейтрино ). Именно отсутствие неконтролируемых реакций синтеза позволяет таким сверхновым оставлять после себя компактные звездные остатки .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )