Перенос теплоты в вакууме. Вязкость газов
Вязкость газов При перемещении твердого тела со скоростью vnза счет передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения. (2.1) где А– площадь поверхности переноса; η – коэффициент динамической вязкости: (2.2) С учетом законов распределения молекул по скоростям и длине свободного пути: Подставляя коэффициенты η и L, зависящие от давления, получаем (2.4) т. е. динамическая вязкость не зависит от давления при низком вакууме. (2.5) Т. е. η зависит от ТХ, где х=1/2 – при высоких температурах (T>>C) и х=3/2 – при низких температурах (T<<C). (2.6) Т. е. сила трения в области высокого вакуума пропорциональна молекулярной концентрации или давлению. Данное уравнение можно преобразовать к виду: В области среднего вакуума можно записать аппроксимирующее выражение: (2.8) Здесь d – расстояние между поверхностями переноса. Вязкость газов используются для измерения давления в области среднего и высокого вакуума. Однако вязкостные вакуумметры не получили широкого распространения из-за длительности регистрации давления. Гораздо шире вязкость газов используется в технике получения вакуума. На этом принципе работают струйные, энжекторные насосы для получения низкого вакуума.
Перенос теплоты в вакууме Теплопередача в разреженных газах может происходить за счет конвекции, теплопроводности и излучения. (2.9) где α — коэффициент теплообмена; А — площадь поверхности нити. При свободной конвекции из-за силового воздействия гравитационного поля на газ, имеющий различную плотность вследствие температурных градиентов, коэффициент теплообмена: (2.10) где: а — экспериментальный коэффициент, зависящий от материала и формы поверхности. Коэффициент теплообмена в условиях вынужденной конвекции при поперечном обтекании нити для воздуха: (2.11) где λ — коэффициент теплопроводности газа; d— характерный размер (диаметр нити); Nu = k1 * Rek1 — критерий Нуссельта; Re — критерий Рейнольдса; k1и k2— константы, зависящие от числа Re: k1 = 0,45; k2 = 0,5 при Re < 103 и k1 = 0,245; k2 = 0,6 при Re > 103. Теплопроводность газа в качестве явления переноса при низком вакууме можно рассматривать аналогично вязкости газа. Вместо количества движения в этом случае переносится энергия молекул газа. Количество теплоты, отнесенное к одной молекуле газа (2.12) где: cv— теплоемкость газа при постоянном объеме; m— масса молекулы газа; Т — абсолютная температура. Если концентрация газа п постоянна, то аналогично можно записать выражение для теплового потока: (2.13) где λН — коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме: где λН — коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме: (2.14) Таким образом, коэффициент теплопроводности газа равен произведению коэффициента динамической вязкости на удельную теплоемкость газа при постоянном объеме. Для расчета Cv можно использовать выражение: (2.15) где: — отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (для одноатомных газов γ= 1,66; для двухатомных γ =1,4; для трехатомных γ =1,3); k— постоянная Больцмана; m — масса молекулы газа. Молекулярно - кинетическая теория, используя функции распределения скоростей и длин свободного пути молекул газа, дает для коэффициента теплопроводности более точное выражение: (2.16) отличающееся не более чем на 20 % от значения, получаемого выражением (2.15). Характер зависимости коэффициента теплопроводности и коэффициента динамической вязкости газа при низком вакууме от температуры и давления идентичен. Стефана - Больцмана: где Еи — плотность теплового потока, Вт/м2; Т1 Т2— температуры на внешней и внутренней поверхности переноса; Ег — геометрический фактор (для параллельных плоскостей и концентричных цилиндрических оболочек Ег=1); Ее — приведенная степень черноты: (2.18) где А1 и А2— площади внешней и внутренней поверхностей переноса; е1 и е2— коэффициенты излучения внешней и внутренней поверхностей. Для гладких поверхностей в случае нержавеющей стали е = 0,1 при Т=300 К и 0,06 при Т=77 К, а для меди, соответственно, е=0,03 и 0,019. (2.19) В высоком вакууме конвективным теплообменом для технических расчетов обычно пренебрегают, считая его малым по сравнению с другими способами теплопередачи. Теплопроводность газа в высоком вакууме между двумя поверхностями с температурой Т2 и Т1, можно записать в виде: (2.20) (2.21) где λВ' — коэффициент теплопроводности газа при высоком вакууме: (2.22) т. е. коэффициент теплопроводности при высоком вакууме пропорционален давлению. Более точное выражение, полученное в молекулярно-кинетической теории: (2.23) Если при соударении молекулы газа с поверхностью не происходит полного обмена энергии, т. е. коэффициент аккомодации поверхностей переноса меньше единицы, то уменьшение теплового потока учитывается множителем α/(2—α), где α — коэффициент аккомодации для обеих поверхностей переноса. Таким образом, окончательное выражение для коэффициента теплопроводности газа в высоком вакууме можно записать в виде: (2.24) Теплопередачу излучением в высоком вакууме можно рассчитать. (2.25) . Здесь а1, а2 — коэффициенты аккомодации поверхностей переноса; L— длина свободного пути при средней температуре. (3.26) где ; .
Глава 3. Вакуумное давление, способы его измерения
Популярное: Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (526)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |