3. Термічна ефузія

Якщо температура газу різна по обидва боки від отвору (Т > Т ), а початкові тиски однакові, то через деякий час виявиться, що тиски в області 1 і 2 будуть різними. При цьому

. (3.14)

Явище зростання тиска в області, де газ має меншу температуру, в наслідок перетікання газу через отвір з області з більшою температурою називається термічною ефузією.

Запитання для самоперевірки

1. Що впливає на число молекул газу, що ударяються за одиницю часу в одиницю поверхні стінки ємності?

2. Дайте визначення середньої довжини вільного пробігу молекул у газі.

3. Що впливає на середню довжину вільного пробігу молекул?

4. Що називають ефузією в газі?

5. Сформулюйте закон Грехема.

6. Що виникає внаслідок термічної ефузії?

Лекція четверта явища переносу в газах

4.1. Теплопровідність газів. Закон Фур’є

Якщо в газі створити області з різною температурою, тобто нагріти якусь окрему частину об’єму і більше не підтримувати нагрівання, то з часом у всьому об’ємі температура підвищиться і вирівняється до однієї у будь-якій області. Тепло від області з більшою температурою буде переходити до області з меншою температурою доти, поки температура не вирівняється. Цей процес здійснюється завдяки хаотичному руху молекул газу і називається нестаціонарними.

Якщо різниця температур постійно підтримується, то і перенос тепла буде відбуватися постійно, і такий процес називають стаціонарним.

Розглянемо стаціонарний процес переносу тепла в газі, що знаходиться між двома паралельними пластинами з різними температурами і будемо вважати, що тепло переноситься тільки уздовж осі x.

Здатність газу переносити теплоту називається теплопровідністю газу. Кількість теплоти, що переноситься газом за час t через поверхню S, тобто потік тепла , визначається за законом Фур’є

S t, (4.1)

де – градієнт температури в напрямі, перпендикулярному до поверхні S, а – коефіцієнт теплопровідності газу [ ] = Вт/(м К). Знак “мінус“ показує, що теплота переноситься до області з меншою температурою.

За молекулярно-кінетичною теорією

= , (4.2)

де – густина газу ( = m n) а – питома теплопровідність газу при постійному об’ємі (вона зв’язана з молярною теплопровідністю як ).

Оскільки густина газу пропорційна тиску – , а середня довжина вільного пробігу обернено пропорційна тиску – , то можна зробити важливий висновок, що теплопровідність газу не залежить від його тиску. Це дійсно так, але не завжди і залежить від ступеня вакууму, тобто розрідженості газу або, іншими словами, від співвідношення середньої довжини вільного пробігу молекул і характерного розміру об’єму, в якому газ знаходиться.

При високому вакуумі число взаємних зіткнень молекул значно менше, ніж число зіткнень зі стінкою ємності, де знаходиться газ, тому збиток тепла нагрітого тіла і розміщеного в газі, що викликається молекулами, буде незначним і тоді потік тепла між нагрітим і холодним тілами (вважаємо, що це паралельні пластини) буде прямопропорційним тиску, тобто ~ .

Дійсно,

, (4.3)

де – коефіцієнт акомодації; – площа поверхні пластини; – середня температура. Коефіцієнт акомодації – це поправка, що залежить від природи газу і матеріалу пластин, його звичаєва величина знаходиться в межах 0,2 – 0,99.