ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ (ВЯЗКОСТЬ).

Внутреннее трение между слоями газа, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, а движущегося медленнее - увеличивается, что приводит к торможению одного слоя, и ускорению другого слоя. Сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) определяется по закону Ньютона:

F = h|dv/dx|S, (12.16.)

где h - динамическая вязкость, dv/dx - градиент скорости, S - площадь, на которую действует сила F. Взаимодействие двух слоев согласно второму закону Ньютона можно рассматри­вать как процесс, при котором от одного слоя к другому в единицу времени передается импульс, по модулю равный действующей силе.

j_p = - h(dv/dx), (12.17.)

где j_p - плотность потока импульса, т.е. импульс, переносимый в единицу времени в направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Минус показывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости. Динамическая вязкость h- равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице; h = (r<v>.<l>)/3. (12.18.)

Следовательно, законы всех явлений переноса сходны и из них вытекают зависимости между l, D и h:

h = rD; (12.19.)

l/(hC_v) = 1. (12.20.)

Эти законы были установлены задолго до того, как они были обоснованы и выведены из молекулярно-кинетической теории, позволившей установить, что внешнее сходство их математи­ческих выражений обусловлено общностью лежащего в основе явлений теплопровод­ности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.

Рассмотренные законы Фурье, Фика и Ньютона не вскрывают молекулярно-кинетического смысла коэффициентов l, D и h. Выражения для коэффициентов переноса выводятся из кинетической теории. Они записаны без вывода, так как строгое рассмот­рение явлений переноса довольно громоздко, а качественное — не имеет смысла. Используя эти формулы, можно по найденным из опыта одним величинам определить другие.

12.9. Вакуум и методы его получения. Свойства ультра-разреженных газов

Если из сосуда откачивать газ, то по мере понижения давления число столкновений молекул друг с другом уменьшается, что приводит к увеличению их длины свободного пробега. При достаточно большом разрежении столкновения между молекулами от­носительно редки, поэтому основную роль играют столкновения молекул со стенками сосуда. Вакуумом называется состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега < l > сравнима или больше характерного линейного размера d сосуда, в котором газ находится. В зависимости от соотношения < l > и d различают низкий (< l > << d), средний (< l > £ d), высокий (< l > > d) и сверхвысокий (< l > >> d) вакуум. Газ в состоянии высокого вакуума называется ультраразреженным.

Вопросы создания вакуума имеют большое значение в технике, так как, например, во многих современных электронных приборах используются электронные пучки, формирование которых возможно лишь в условиях вакуума. Для получения различных степеней разрежения применяются вакуумные насосы. В настоящее время применяются вакуумные насосы, позволяющие получить предварительное разрежение (форвакуум) до»0,13 Па, а также вакуумные насосы и лабораторные приспособления, позволя­ющие получить давление до 13,3 мкПа — 1,33 пПа (10^–7 —10^–14 мм рт. ст.).

Для получения высокого вакуума применяются диффузионные насосы (рабочее вещество — ртуть или масло), которые не способны откачивать газ из сосудов начиная с атмосферного давления, но способны создавать добавочную разность давлений, поэтому их употребляют вместе с форвакуумными насосами. Рассмотрим схему дейст­вия диффузионного насоса (рис.). В колбе ртуть нагревается, пары ртути, поднима­ясь по трубке 1, вырываются из сопла 2 с большой скоростью, увлекая за собой молекулы газа из откачиваемого сосуда (в нем создан предварительный вакуум). Эти пары, попадая затем в «водяную рубашку», конденсируются и стекают обратно в резервуар, а захваченный газ выходит в пространство (через трубку 3), в котором уже создан форвакуум. Если применять многоступенчатые насосы (несколько сопл расположены последовательно), то реально при хороших уплотнениях можно с помощью них получить разрежение до 10^–7 мм рт. ст.

Лекция № 13.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: