Явления переноса в газах

При перемещении твёрдого тела со скоростью υп за счёт передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.
Весь газ между подвижной 1 и неподвижной 2 пластинами (рис. 1.5) можно разделить на слои толщиной l0 , где l0 — средняя длина свободного пробега. В плоскости х0  происходят столкновения молекул, вылетевших из плоскостей х' и х". Изменение количества движения в результате одного столкновения равна 2ml0 dυп/dx. Принимая, что в среднем в отрицательном и положительном направлениях оси х в единицу времени единицу площади в плоскости х0 пересекают nυар /4 молекул, получим общее изменение количества движения в плоскости х0  в единицу времени:

                             .                             (1.36)

Сила трения по всей поверхности переноса определяется общим изменением количества движения:

               ,               (1.37)

где А — площадь поверхности переноса. Коэффициент пропорциональности

                         η = mnυар L/2 = ρυар L/2 (1.38)

называют коэффициентом динамической вязкости, а отношение η/ρ — коэффициентом кинематической вязкости (ρ — плотность газа). Точное значение

                               η = 0,499×ρυарL,                                (1.39)

расчитанное согласно молекулярно-кинетической теории мало отличается от приближённого значения (1.39)

Расчётная схема для определения коэффициента вязкости в газах при низком вакууме
Рис. 1.5. Расчётная схема для определения коэффициента вязкости в газах при низком вакууме

 

Численные значения коэффициента η для некоторых газов при Т = 273 К приведены в табл. 1.3.
В области высокого вакуума сила трения пропорциональна молекулярной концентрации или давлению газа. Это объясняется тем, что молекулы газа двигаются между поверхностями переноса без соударений.

Таблица 1.3

  H2 N2 СO O2 CO2 Воздух
η·105, Н·с/м2 0,88 1,75 1,70 2,20 1,40 1,70

Теплопередача в разрежённых газах может происходить за счёт трёх процессов: конвекции, теплопроводности и излучения. Конвективный теплообмен может быть либо естественным из-за силового воздействия гравитационного поля на газ, имеющий различную плотность вследствие температурных градиентов, либо вынужденным при наличии газовых потоков во время откачки вакуумных камер.
В области среднего и высокого вакуума роль конвективного теплообмена в общем балансе передачи тепла мала, и в расчётах им обычно пренебрегают. При низком вакууме конвективный теплообмен является основным способом теплопередачи.
Перенос тепла конвекцией в низком вакууме от поверхности нити, нагретой до температуры Тн  к стенкам вакуумной камеры, имеющим температуру Т,  описывается уравнением Ньютона–Рихмана:

                         Ек = a (Tн – Т )А,                                 (1.40)

где, а — коэффициент теплообмена; А — площадь поверхности нити.
Теплопередача за счёт теплопроводности может рассматриваться как явление переноса, аналогичное вязкости. Этот процесс характеризуется количеством тепла, отнесённым к одной молекуле газа: cυmT , где удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме

                             ,                                  (1.41)

а γ =  ср/сυ — отношение теплоёмкости газа при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме (для воздуха и двухатомных газов γ = 1,4; для одноатомных γ= 1,66; для трёх атомных γ= 1,3).
Если концентрация газа n постоянна, то аналогично (1.37) запишем выражение для теплового потока (уравнение Фурье):

                            ,                               (1.42)

где
 .                          (1.43)

 

В молекулярно-кинетической теории, используя функцию распределения молекул по скоростям, получают для коэффициента теплопроводности λ более точное выражение:

                              λ = (9γ – 5)ηcυ /4.                              (1.44)

Значения λ, рассчитанные по формулам (1.43) и (1.44) для воздуха, отличаются на 20%.
Теплопроводность газа, так же как и вязкость, не зависит от давления в области низкого вакуума и пропорциональна давлению при высоком вакууме.
Теплопередачу в вакууме излучением Еи можно определить

,               (1.45)

где Т1 и Т2 — температура на внешней и внутренней поверхностях переноса; Ег — геометрический фактор (для параллельных плоскостей и концентричных цилиндрических оболочек Ег = 1); Ее — приведённая степень черноты;
В высоком вакууме излучение является практически единственным способом передачи тепла и не зависит от давления газа.
Приведённые закономерности теплопередачи в газах при низких давлениях широко используются в вакуумной технике для расчёта нагревательных и охлаждающих устройств, а также для косвенных измерений давления в области среднего и низкого вакуума.

Copytight © 2008-2012 Тула-Терм.
Копирайтеры от CopyWriters