Примеры явлений

Термическую фильтрацию жидкости легко наблюдать на примере пары, в которой проводниками а и б являются капиллярнопористые тела. Например, проводником б может служить мелкий песок, кирпич, древесина, фильтровальная бумага, торф и т.д., проводником а – более крупный песок и т.п. В такой паре под действием разности температур происходит круговая циркуляция жидкости. О движении жидкости судят по перемещению взвешенных в ней частиц, они видны в микроскоп при небольшом увеличении [8, 10, 11, 16].

З.Ф. Слезенко с помощью очень прецизионной схемы удалось измерить скорость скольжения газа в пристеночном слое капилляра, на расстоянии 2,5 мкм от твердой поверхности. Эта скорость, например при градиенте температуры 500 град/м и давлении воздуха 1 мм рт.ст., при комнатной температуре составляет 1 мм/сек. Газ движется в направлении повышения температуры.

В этих опытах З.Ф. Слезенко обнаружил, что градиент температуры вызывает также появление предсказанного общей теорией градиента электрического потенциала. При комнатных условиях в воздухе под действием разности температур возникают разности электрических потенциалов порядка 10^-6 в и токи порядка 10^-12 а [11, 14].

К числу термофильтрационных явлений относятся термоосмос – прохождение жидкости или газа через малое отверстие или пористую перегородку – так называемая полупроницаемая перегородка, или термомеханический барьер, - фонтанный эффект в гелии-II, термическая эффузия, именуемая также кнудсеновским течением, и т.д. [11, 18, 19, 23, 44]. Суть фонтанного эффекта заключается в следующем [11, 14, 34, 35].

Если пустой стакан погрузить в сосуд с гелием-II, то жидкость в виде пленки поднимется по стенкам и заполнит стакан до уровня гелия в основном сосуде. Аналогичным образом гелий-II самостоятельно вытекает из отдельно стоящего стакана, поднимаясь по его внутренним стенкам. Согласно теории термодинамической пары, гелий поднимается по стакану под действием разности температур, возникающей по высоте стенки: благодаря теплообмену с окружающим воздухом верхний край стакана всегда имеет более высокую температуру, чем нижний, соприкасающийся с большой массой жидкого гелия. Таким образом, гелий перемещается в сторону повышения температуры [11, 14].

При кнудсеновском течении диаметр отверстия в капилляре меньше средней длины свободного пробега молекул. В результате проводники а и б – потоки газа в прямом и обратном направлениях – занимают все сечение капилляра одновременно, они как бы прозрачны один по отношению к другому.

Заметим, кстати, что теоретические формулы Кнудсена, как и других авторов, справедливы только для случая, когда d £ 2x₀. При d > 2x₀ опыт дает заниженное значение разности давлений Dр_с¥ по сравнению с теорией Кнудсена. Общая теория и опыт показывают, что при больших d фактическая разность давлений стремится к нулю [11]. С помощью теории термодинамической пары удается количественно оценить все особенности кнудсеновского течения.

Все перечисленные явления – это частные случаи термической фильтрации, подчиняющейся законам общей теории.