Теплопередача при низких давлениях

Течение газов при низких давлениях (молекулярное течение)

Течение плотного газа по трубам связано с его вязкостью. Вязкость газа обусловлена столкновениями молекул друг с другом. В вакууме, когда столкновений между молекулами практически нет, трение связано с передачей импульса непосредственно стенкам, так как молекулы сталкиваются только со стенками. Трение перестаёт быть «внутренним», а течение газа в условиях вакуума называется молекулярным течением.

При обычном течении вязкого газа необходима разность давлений для преодоления силы вязкого трения. В состоянии вакуума вязкость отсутствует, но разность давлений необходима для того, чтобы было течение. Процесс течения разреженного газа через малое отверстие под влиянием разности давлений называется эффузией газа. Газ с меньшей молярной массой при одинаковых условиях течёт легче. Если пропустить смесь газов через систему малых отверстий, находящихся на разных уровнях, то при многократном пропускании выделенных порций газа можно разделить смесь на составные части.

В состоянии вакуума молекулы газа практически не сталкиваются друг с другом, а сталкиваются только со стенками сосуда, в котором газ находится. Поэтому правильнее говорить не о теплопроводности газа, а о теплопередаче газом теплоты, так как никакого градиента температур в объёме сосуда нет.

Теплопроводность при высоких давлениях, при которых газ не находится в состоянии вакуума, не зависит от давления из-за того, что коэффициент теплопроводности определяется через произведение плотности, прямо пропорционально зависящей от давления, и средней длины свободного пробега, обратно пропорциональной давлению. Теплопередача же газа при низких давлениях, находящегося в состоянии вакуума, увеличивается с ростом давления, так как увеличивается число столкновений молекул со стенками сосуда. Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

, (5.33)

в которой средняя длина свободного пробега отсутствует, а вместо неё входит линейный размер сосуда, например, диаметр сосуда, который не зависит от давления. Поскольку плотность газа может мыть выражена как , а концентрация может быть выражена через макроскопические параметры состояния –давление и температуру , коэффициент теплопередачи можно определить по формуле:

, (5.34)

где учтено, что и . Из формулы (5.34) видно, что теплопередача сильно разреженных газов прямо пропорциональна давлению.