Asymmetric Complex Plasma Pressure and Isothermal Compressibility with Regard to Nonlinear Screening in the Average Wigner–Seitz Cell Model

I. A.  Martynova; Мартынова И. А.; I. L. Iosilevskiy; Иосилевский И. Л.

doi:10.31857/S0040364423060091

Asymmetric Complex Plasma Pressure and Isothermal Compressibility with Regard to Nonlinear Screening in the Average Wigner–Seitz Cell Model

Authors: Martynova I.A.¹^,2, Iosilevskiy I.L.¹^,2
Affiliations:
1. Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences
2. Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)
Issue: Vol 61, No 6 (2023)
Pages: 836-841
Section: Исследование плазмы
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/252382
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423060091
ID: 252382

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The study considers a two-component electroneutral equilibrium complex plasma of finite-sized macroions with charges Z (Z
1) and point oppositely charged microions with unit charges. System pressure was calculated in the Poisson–Boltzmann approximation with regard to nonlinear screening of macroions by microions in the average Wigner–Seitz cell model. One of the calculation methods obtains pressure by calculating the nonideal part of the Helmholtz free energy; the second is specific to the Wigner–Seitz average cell model. It is shown that the pressure and isothermal compressibility of the plasma are positive over the entire range of macroion concentrations.

About the authors

I. A. Martynova

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: martina1204@yandex.ru
Moscow, Russia; Dolgoprudny, Russia

I. L. Iosilevskiy

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: martina1204@yandex.ru
Moscow, Russia; Dolgoprudny, Russia

References

Dijkstra M., van Roij R. Vapour–Liquid Coexistence for Purely Repulsive Point-Yukawa Fluids // J. Phys. Condens. Matter. 1998. V. 10. № 6. P. 1219.
Diehl A., Barbosa M., Levin Y. Charge Renormalization and Phase Separation in Colloidal Suspensions // EPL. 2001. V. 53. № 1. P. 86.
Aleksander S., Chaikin P.M., Grant P., Morales G.J., Pincus P., Hone D. Charge Renormalization, Osmotic Pressure, and Bulk Modulus of Colloidal Crystals: Theory // J. Chem. Phys. 1984. V. 80. P. 5776.
Bystrenko O., Zagorodny A. Critical Effects in Screening of High-Z Impurities in Plasmas // Phys. Lett. A. 1999. V. 255. № 4–6. P. 325.
Martynova I.A., Iosilevskiy I.L., Shagayda A.A. Non-linear screening and phase states of a complex plasma // Contrib. Plasma Phys. 2017. V. 58. № 2–3. P. 203.
Martynova I., Iosilevskiy I., Shagayda A. Macroions Nonlinear Screening in Complex Plasma // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 946. P. 012147.
D’yachkov L.G. Screening of Macroions in Colloidal Plasmas: Accurate Analytical Solution of the Poisson–Boltzmann Equation // Phys. Lett. A. 2005. V. 340. P. 440.
Жуховицкий Д.И., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Ионизационное равновесие в сильно неидеальной плазме с конденсированной дисперсной фазой // ТВТ. 1984. Т. 22. № 5. С. 833.
Khrapak S., Khrapak A., Ivlev A., Morfill G. Simple Estimation of Thermodynamic Properties of Yukawa Systems // Phys. Rev. E. 2014. V. 89. № 2. P. 023102.
Farouki R.T., Hamaguchi S. Thermodynamics of Strongly-coupled Yukawa Systems Near the One-component-Plasma Limit. II. Molecular Dynamics Simulations // J. Chem. Phys. 1994. V. 101. № 11. P. 9885.
Hamaguchi S., Farouki R.T., Dubin D. Triple Point of Yukawa Systems // Phys. Rev. E. 1997. V. 56. P. 4671.
Martynova I., Iosilevskiy I. Features of Phase Transitions in Models of Complex Plasma // Contrib. Plasma Phys. 2016. V. 56. № 5. P. 432.
Мартынова И.А., Иосилевский И.Л. О сдвиге границ термодинамической неустойчивости асимметричной комплексной плазмы с учетом эффекта нелинейного экранирования // ТВТ. 2021. Т. 59. № 6. С. 817.
Martynova I., Iosilevskiy I., Shagayda A. Non-linear Charge Screening and Interaction Energy of Macroions in Complex Plasma // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1094. P. 012032.
Martynova I.A., Iosilevskiy I.L. Effect of the Non-linear Screening on a Modification of the Debye–Hückel Plus Hole Approximation in Complex Plasma // Contributions to Plasma Physics. 2019. V. 59. № 4–5. e201800154.
Martynova I.A., Iosilevskiy I.L. Interaction Energy in the Poisson–Boltzmann Plus Hole Approximation in Asymmetric Complex Plasmas // Contrib. Plasma Phys. 2022. V. 62. № 9. e202200110.
Мартынова И.А., Иосилевский И.Л. Энергия взаимодействия в приближении Пуассона–Больцмана в корреляционной полости в асимметричной комплексной плазме // ТВТ. 2023. Т. 61. № 2. С. 163.
Martynova I., Iosilevskiy I. Self-similarity of Nonlinear Screening in Asymmetric Complex Plasmas // Contrib. Plasma Phys. 2021. V. 61. № 10. e202100007.
Martynova I., Iosilevskiy I. The Macroion Effective Charge in Asymmetric Complex Plasmas // Contrib. Plasma Phys. 2022. V. 62. № 3. e 202100151.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Учеб. пособие. В 10 т. Т. V. Статистическая физика. Ч. I. М.: Физматлит, 2002. 616 с.
Иосилевский И.Л. Эффекты неидеальности в низкотемпературной плазме. В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. приложений III-1 / Под ред. Старостина А.Н., Иосилевского И.Л. М.: Физматлит, 2004. С. 349.
Szichman H., Eliezer S., Salzmann D. Calculation of the Moments of the Charge State Distribution in Hot and Dense Plasmas Using the Thomas–Fermi Models // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1987. V. 38. № 4. P. 281.
Филиппов А.В., Решетняк В.В., Старостин А.Н., Ткаченко И.М., Фортов В.Е. Исследование пылевой плазмы на основе интегрального уравнения Орнштейна–Цернике для многокомпонентной жидкости // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 110. Вып. 10. С. 658.
Киржниц Д.А., Лозовик Ю.Е., Шпатаковская Г.В. Статистическая модель вещества // УФН. 1975. Т. 117. № 1. С. 3.
Калиткин Н.Н., Кузьмина Л.В., Шпатаковская Г.В. Квазиклассическая модель атома // ТВТ. 1977. Т. 15. № 1. С. 186.
Калиткин Н.Н. Модели вещества в экстремальном состоянии. Cб. Математическое моделирование / Под ред. Самарского А.А., Калиткина Н.Н. М.: Наука, 1989. С. 114.
Копышев В.П. О термодинамике ядер одноатомного вещества. Препринт № 59. М.: ИПМ АН СССР, 1978.
Никифоров А.Ф., Новиков В.Г., Уваров В.Б. Квантово-статистические модели низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2000. 400 с.
Никифоров А.Ф., Новиков В.Г., Уваров В.Б. Использование квазиклассического приближения в модифицированной модели Хартри–Фока–Слэттера // ТВТ. 1987. Т. 25. № 1. С. 12.