Явления переноса в разреженных газах. Вакуум

При уменьшении давления (концентрации) газа, средняя длина свободного пробега растет ().Когда она становится соизмеримой с линейными геометрическими размерами занимаемого газом объема (сосуда), то молекулы газа практически перестают сталкиваться друг с другом и летят по прямым линиям от стенки к стенке сосуда. Такая ситуация называется вакуумом. Понятие вакуума относительно. Чем меньше линейные размеры области с газом, тем при большем давлении газа вакуум достигается. Так, например, при размерах сосуда 1 м Средняя длина свободного пробега сравнивается с размерами сосуда при 10^-3 Па. Если же взять газ в пустотах пористого вещества

10^-8 , то для него условие вакуума выполняется уже при нормальном давлении.().

Рассмотрим особенности явлений переноса в случаях, когда становится соизмеримой с геометрическими размерами сосуда .Обозначим давление газа, при котором становится соизмеримой с геометрическими размерами сосуда .(Эта величина для разных сосудов разная). Тогда при средняя длина свободного пробега перестает изменяться (молекулы пролетают между двумя последовательными столкновениями расстояние между стенками сосуда), и коэффициент диффузии также перестает зависеть от Р. Поскольку при этом столкновении между молекулами в объеме практически нет, передача молекулярных признаков происходит со скоростью движения молекул, то есть очень быстро. Поэтому время установления равновесной концентрации молекул газа в этом случае оказывается весьма малым.

При появляются особенности в явлениях вязкости и теплопроводности. Коэффициенты переноса и в этом случае начинают зависеть от давления (т.к. и , то соответственно ). Видно, что при малых Р величины и становятся весьма малыми, то есть внутреннее трение газа и теплопроводность уменьшаются(рис.2.28). Последний термин в этом случае становится неточным. Корректнее в этом случае говорить о теплопередаче, так как теплота переносится молекулами от одной стенки к другой и в газе (вакуум) никакого градиента температур нет. (рис.2.28)

Низкая температура в вакууме нашла практическое применение при изготовлении термосов или сосудов Дьюара. В этих сосудах имеются полые стенки, внутри которых создаются условия вакуума с достаточно низкой теплопередачей.

Все описанные выше особенности явления переноса проявляются в сосудах сравнительно больших размеров при малых давлениях. Свойства разреженных газов проявляются и в другом случае, когда рассматриваются полости очень малых размеров при нормальном давлении. Типичным примером является эффузия газов через пористую перегородку. Рассмотрим два сосуда (давления , ,температура , ) разделенных пористой перегородкой (рис. 2.29).(рисунок тут) Внутри пор выполняется условие вакуума (то есть ).Предположим, что (соответственно и ).В условиях равновесия число молекул,пролетающих справа налево за единицу времени:

где S-сечение поры.

Рис. 2.29

Отсюда , но и ; а и .

Таким образом -это соотношение впервые было экспериментально подтверждено Рейндольсом в 1879 г. (Чем выше температура, тем больше давление, а не -как в обычном случае.)

Если газы по разные стороны от перегородки разные, а температура и давление первоначально равны, то в результате эффузии наблюдается изменение давления в сосудах. Поскольку (у легкого газа скорость больше). Тогда в начальный момент времени (когда , т.к. и , и ), если (и ), то:

,

то есть будет наблюдаться больший поток молекул легкого газа, чем встречный поток тяжелого газа. Из-за этого концентрация молекул (а значит, и давление) в сосуде, где первоначально находился тяжелый газ, будет расти, а в другом сосуде, наоборот, уменьшаться. В дальнейшем из-за разности давлений (концентраций) появится встречный поток молекул, который приведет к выравниванию давлений и смешению газов (рис.2.30.)(рисунок тут).