2.5.В’язкість газів. Перенесення теплоти у вакуумі

При русі твердого тіла в газовому середовищі за рахунок передачі імпульсу молекулам газу виникає сила внутрішнього тертя

, (2.14)

де А - площа поверхні переносу; v_П – швидкість переміщення твердого тіла у напрямку x - коефіцієнт динамічної в’язкості газу:

, (2.14`)

де v_ср - середня арифметична швидкість молекул; - СДВП молекул; - густина газу.

Відношення називають коефіцієнтом кінематичної в’язкості. Більш строге виведення співвідношення для коефіцієнта в’язкості (з урахуванням закону розподілу молекул за швидкостями та довжини вільного пробігу) дає наступну формулу: .

Температурна залежність коефіцієнта в’язкості з формул (1.12) та (1.18) визначається наступним співвідношенням:

. (2.15)

Аналіз формули (2.15) показав, що залежить від Т^x, де x приймає значення від 1/2 при високих температурах (Т>>C) до 3/2 при низьких температурах (Т<<C). У всіх випадках коефіцієнт динамічної в’язкості збільшується при підвищенні температури газу. Значень наведено в таблиці 2.4.

Таблиця 2.4

Коефіцієнти динамічної в’язкості при температурі 273 К

Газ	H2	He	CH4	Ar	Ne	N2	CO	O2	CO2	По-віт-ря
·105 Нс/м2	0,9	1,9	1,1	2,1	3,0	1,8	1,7	2,0	1,4	1,7

В області високого вакууму молекули газу рухаються майже без зіткнень і силу тертя можна розрахувати за рівнянням:

. (2.16)

З формули (2.16) видно, що області високого вакууму сила тертя пропорційна концентрації молекул (n), а от же і тиску, та зростає з підвищенням температури.

В області середнього вакууму сила тертя визначається формулою:

. (2.17)

В’язкість газів використовується для вимірювання тисків в області середнього і високого вакууму. Також, явище в’язкості газів застосовується в технології отримання вакууму (струменеві ежекторні насоси).

Теплопередача в розріджених газах може відбуватись завдяки конвекції, теплопровідності і випромінюванню.

При низькому вакуумі головну роль відіграють конвективні процеси. Перенесення теплоти конвекцією від поверхні з температурою Т_н до стінок вакуумної камери з температурою Т описується рівнянням:

, (2.18)

де - коефіцієнт теплообміну; А - площа розігрітої поверхні.

Теплопровідність газу в якості явища переносу при низькому вакуумі можна розглядати аналогічно в’язкості газу (замість імпульсу в цьому випадку переноситься енергія молекул газу). Кількість теплоти віднесена до однієї молекули газу визначається за формулою:

, (2.19)

де с_V – питома теплоємність газу при постійному об’ємі; m - маса молекули газу; T - абсолютна температура.

Якщо концентрація газу постійна то вираз для теплового потоку:

, (2.20)

де - коефіцієнт теплопровідності газу при низькому вакуумі: .

Теплопередачу шляхом випромінювання у низькому вакуумі визначають за законом Стефана-Больцмана:

, (2.21)

де - густина теплового потоку; Т₁, Т₂ - температури на зовнішній та внутрішній поверхнях; - приведений ступінь чорноти; - геометричний фактор.

Теплопровідність газу у високому вакуумі визначають за співвідношенням аналогічним (2.20), але коефіцієнт теплопровідності газу прямо пропорційний тиску.

У високому вакуумі конвективним теплообміном нехтують. В області середнього вакууму конвективний теплообмін відіграє основну роль і для його розрахунку використовують співвідношення (2.18).