Свободный молекулярный поток
Свободный молекулярный поток описывает гидродинамику газа, где средняя длина свободного пробега молекул больше, чем размер камеры или испытуемого объекта. Для трубок/предметов размером в несколько см это означает давление значительно ниже 10. −3 мбар . Это еще называют режимом высокого вакуума или даже сверхвысокого вакуума . Это противоположно вязкому потоку , возникающему при более высоких давлениях. [ 1 ] Наличие свободного молекулярного потока можно рассчитать, по крайней мере приблизительно, с помощью числа Кнудсена (Kn). [ 2 ] Если Kn > 10, система находится в свободномолекулярном потоке, [ 3 ] также известный как поток Кнудсена. [ 4 ] Поток Кнудсена был определен как переходный диапазон между вязким потоком и молекулярным потоком, который важен в диапазоне среднего вакуума, где λ ≈ d. [ 5 ]
Течение газа можно сгруппировать по четырем режимам: при Кн<0,001 течение непрерывное и применимы уравнения Навье–Стокса , при 0,001<Кн<0,1 возникает проскальзывание, при 0,1<Кн<10 возникает переходное течение и при Кn≥10, возникает свободный молекулярный поток. [ 6 ]
В свободномолекулярном потоке давление оставшегося газа можно считать фактически равным нулю. Таким образом, температуры кипения не зависят от остаточного давления. Поток можно рассматривать как движение отдельных частиц прямолинейно. Практически «пары» не могут перемещаться по изгибам или в другие пространства за препятствиями, так как просто ударяются о стенку трубы. Это означает, что обычные насосы использовать нельзя, поскольку они полагаются на вязкий поток и давление жидкости. специальные сорбционные насосы , ионные насосы и насосы для передачи импульса, т.е. турбомолекулярные насосы Вместо них используются .
Свободный молекулярный поток возникает в различных процессах, таких как молекулярная дистилляция , в оборудовании сверхвысокого вакуума , таком как ускорители частиц , и, естественно, в космическом пространстве .
Определение свободномолекулярного потока зависит от рассматриваемого масштаба расстояний. Например, в межпланетной среде плазма находится в режиме свободномолекулярного течения на масштабах менее 1 а.е.; таким образом, планеты и спутники фактически подвергаются бомбардировке частицами. Однако в более крупных масштабах наблюдается поведение, подобное жидкости, поскольку вероятность столкновений между частицами становится значительной.
поток Кнудсена
[ редактировать ]Поток Кнудсена описывает движение жидкостей с числом Кнудсена , близким к единице, то есть когда характерная длина в пространстве потока имеет тот же порядок величины, что и длина свободного пробега . В зависимости от источника упоминается диапазон 0,1>Kn>10, в котором возникает течение Кнудсена. Другие названия этого режима течения — промежуточный, переходный или скользящий поток, поскольку он представляет собой переходное состояние между свободномолекулярным потоком и вязким потоком . Таким образом, течение жидкостей в условиях течения Кнудсена определяется как молекулярными явлениями, так и вязкостью. [ 7 ]
Процессы разделения
[ редактировать ]Для газа, проходящего через небольшие отверстия в тонкой стенке в режиме течения Кнудсена, число молекул, проходящих через отверстие, пропорционально давлению газа и обратно пропорционально его молекулярной массе. Поэтому можно осуществить частичное разделение смеси газов, если компоненты имеют различную молекулярную массу. Этот метод используется для разделения смесей изотопов , таких как уран , с использованием газовой диффузии через пористые мембраны. [ 8 ] Он также был успешно продемонстрирован для использования в производстве водорода в качестве метода отделения водорода от газообразной смеси продуктов, образующейся при нагревании воды при высоких температурах с использованием солнечной или других источников энергии. [ 9 ]
См. также
[ редактировать ]- Уравнение Кнудсена – Описание течения газа в свободномолекулярном потоке
- Число Кнудсена - безразмерное число, относящееся к длине свободного пробега частицы.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ямамото, К.; Пак, округ Колумбия; Переходный свободномолекулярный поток через трубку; Динамика разреженного газа; Материалы одиннадцатого международного симпозиума, Канны, Франция, 3-8 июля 1978 г. Том 1. (A80-34876 14-77) Париж, Commissariat a l'Energie Atomique, 1979, с. 207-218.
- ^ Число Кнудсена — это безразмерное число, определяемое как:
где = средняя длина свободного пробега [L 1 ], = представительный физический масштаб длины [L 1 ]. - ^ Лорандо, Норманд М. (2005). Статистическая термодинамика: основы и приложения . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . п. 434. ИСБН 0-521-84635-8 . OCLC 71819273 .
- ^ Сунден, Бенгт; Фу, Хуан (2016). Теплопередача в аэрокосмической отрасли . "Эльзевир" ООО стр. 61. ISBN 978-0-12-809761-8 . OCLC 961337485 .
- ^ «Что такое поток Кнудсена?» . Центр знаний Вакуумной академии Лейболда . Проверено 19 августа 2024 г.
- ^ Го, Янъюй; Ван, Моран (2015). «Фононная гидродинамика и ее применение в наномасштабном переносе тепла» . Отчеты по физике . 595 . 4.1.1. Граница скольжения по скорости в микромасштабном потоке газа. doi : 10.1016/j.physrep.2015.07.003 . ISSN 0370-1573 .
- ^ Рот, А. (1990). Вакуумные технологии — третье, обновленное и дополненное издание . Эльзевир. стр. 62–64.
- ^ Виллани, С. (1976). Разделение изотопов . Хинсдейл, Иллинойс: Американское ядерное общество.
- ^ Коган, А. (1998). «Прямое солнечно-термическое расщепление воды и сепарация продуктов на месте - II. Экспериментальное технико-экономическое обоснование». Международный журнал водородной энергетики . 23 (2). Великобритания: Elsevier Science Ltd: 89–98. дои : 10.1016/S0360-3199(97)00038-4 .
 | Эта гидродинамике статья, посвященная , незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее . |