Розанов Л.Н. Вакуумная техника 1990 (1065500), страница 8
Текст из файла (страница 8)
(2.40) Если В= ВеА, то наблюдается адсорбция, если В СбсА, то— десорбция. Время, в течение которого скорость десорбции снижается при 6~~! до заданного значения, можно получить из (2.40): 0,43 ( — зоА) а„ 6 А Чз где дл — скорость десорбции, равная заданному значению минимального газовыделения. 1 В чем различие между физической адсорбцней н хемосорбцней? 2. В связн с чем кривая потенциальной знергнн взанмодействня молекулы с твердым телом нмеет минимум? 3. Какой нз аффектов взанмодействня является основным для полярных молекул? 4 Какова связь между давлением насыщенного пара раствора н концентрацяей растворенного в нем вещества? 5 Чем отличаются угловые распределения молекул, испаряющихся нз точечного н плоского источников? 6 Чем определяется время адсорбцнн газа на поверхности телят 7.
Почему прн хемосорбцнн происходит образованне только одного моно- молекулярного слоя? 8. Каково соотношение между теплотой адсорбцнн н теплотой конденсации прн полнмолекулярной н островковой физических адсорбцнях? 9. Чеы определяется время достижения адсорбцнонного равновесия на поверхностн твердого тела? 10, Как зависит растворимость газов в твердых телах от температуры н давчення? ГЛАВА 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМЕ й 3.1. Вязкость газов При перемещеняи твердого тела со скоростью са за счет передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения, В области низкого вакуума весь газ между подвижной 2 и неподвижной / пластинами (рис.
3.1) можно разделить на слои толщиной /., где /. — средняя длина свободного пути. Скорость движения каждого слои различна и линейно зависит от расстояния между повеРхностЯми пеРеноса. В плоскости хо пРоисходЯт столкновения молекул, вылетевших из плоскостей х' и х".
Причиной возникновения силы вязкостного трения является то, что движущиеся как единое целое отпельные слои газа имеют разную скорость, вследствие чего происходит перенос количества движения из одного слоя в другой. Изменение количества движения в результате одного столкновения равно 2пгЕдса/бх. Принимая, что в среднем в отрицательном н положительном направлениях оси х в единицу времени единицу площади в плоскости хо пересекают согласно (1.13) пи,р/4 молекул, получим общее изменение количества движения в единицу времени для плоскости хо' Р и с. 3.1.
Расчетная схема для определения коэффициента вязкости в газах при низком ва- кууме ЯЮЕОвр ЙОп 2«х Сила трения по всей поверхности переноса, согласно второму закону Ньютона, определяется общим изменением количества движения в единицу времени: г, = =птЕи,р —" А= — з! — "А, ! бцч бо„ 2 'Р дх бх (3.1) Отношение т!/р называют коэффициентом кинем атической вязкости. Более строгий вывод, в котором учтен закон распределения скоростей и длин свободного пути молекул, дает т!е =0,4Юрт7, РЕ, (3.3) что мало отличается от приближенного значения (3.2).
Если в (3.2) подставить значения зависящих от давления переменных и из (1.10) и Е из (1,42), то лзцар т! = — Ен 2лг (3.4) Согласно полученному выражению, коэффициент динамической вязкости при низком вакууме не зависит от давления. Температурную зависимость коэффициента вязкости можно определить, если подставить в (3.2) о„и Е соответственно из формул (1.18) и (1.41): Угзиег — „згг«г (! + С/Т) (3.5) 44 где А — площадь поверхности переноса; т! — коэффициент динамической вязкости газа: знлрэрЕ Ро',р э!= = — Е (3.2) 2 2 В соответствии с (3.5) т! зависит от Т*, где х изменяется от '/г при высоких температурах (Т>)С) до '/г при низких температурах (Т«С).
Во всех случаях коэффициент динамической вязкости увеличивается при повышении температуры газа. Значения коэффициентов динамической вязкости для некоторых газов прн Т=273 К даны в табл. 3.1, Таблица 3.! Коэффициенты динамической вязкости Воз- лтх А! Газы н! не сн, со. со !чу ( т! 10з Н с/мз 1,75 0,88 1,40 1,70 1 90 1,!0 3,00 2,02 1,70 Для двухкомпонентной смеси коэффициент динамической вязкости рассчитывается по формуле чг ! Чг ! у«гг I т1+Лгг ! — у «И з рт я~+та 1+ г ~рг 1 + — 4 — ~/ ! — У«тг 1 2лэг у «1з 22лз! лзтзппиарА г". тр 4 (3.7) Знак « — » в формуле (3.7) означает, что направление силы трения противоположно направлению переносной скорости и„.
Сила трения в области высокого вакуума пропорциональна молекулярной концентрации или давлению газа. Уравнение (3.7) с Учетом (1.18) можно преобразовать к следующему виду: иоаЬ лглг А (3.8) у'2ц откуда видно, что сила трения возрастает пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры. В области среднего вакуума можно записать аппроксимирующее выражение, рассчитывая градиент переносной скорости в промежутке между поверхностями переноса по следующей формуле: 45 (З.б) где у=пг/(п1+пг); с(п= (г/и+с/тг)/2; 711=парьтт/(3пг/тгг У 2); т1г=оаргпгг/(3пг/тггУ 2); Г/т1 и г/тг находят из (1.40), Величина т! в этом случае зависит от состава газовой смеси. В области высокого вакуума молекулы газа перемещаются между движущейся поверхностью и неподвижной стенкой без соударения.
В этом случае силу трения можно рассчитать по урав- нению хн и' га' а си= 1 (у — !) лг (3.16) (3.11) Е„=5,7Еа~( — !) — Я 1Е„, (3.18) Йо„!т(х=о,7(г(+2Е), где г( — расстояние между поверхностями переноса. Тогда с учетом (3.4) сила трения в области среднего вакуума Е, = — ч" . (3.9) г! + 2(. и' Легко заметить, что в условиях низ- д"а кого вакуума при 7: 0 формула (3.9) рис. з.2. Сила трения, возни- совпадает с (3.1), а в условиях высокаю!иая при движении тонков кого вакуума при 7.-з-оо — с (3.8). пластины в вакууме. Зависимость от давления силы тре- ния тонкой пластины площадью А= га апкиоль, у„! и/с, и 1 и =1 и', движущейся в воздухе при Т=273 К со скоростью о,=1 м!с, при расстоянии между поверхностями переноса г(=1 м показана на рис.
3.2. Вязкость газов используется для измерения давлений в области среднего и высокого вакуума, однако вязкостные манометры не получили пока широкого применения из-за длительности регистрации давления. Гораздо шире явление вязкости газов используется в технологии получения вакуума. На этом принципе работают струйные эжекторные насосы, выпускаемые промышленностью для работы в области низкого вакуума, $3.2. Перенос теплоты в вакууме Теплопередача в разреженных газах мажет происходить за счет конвекции, теплопроводности и излучения.
При низком вакууме конвективный теплообмен играет важную роль. Перенос теплоты конвекцией от поверхности нити, нагретой до температуры Та, к стенкам вакуумной камеры, имеющим температуру Т, описывается уравнением Е,=и(҄— Т) А, (3.10) где а — коэффициент теплообмеиа; А — площадь поверхности нити. При свободной конвекции из-за силового воздействия гравитационного поля на газ, имеющий различную плотность вследствие температурных градиентов, коэффициент теплообмена сгузг~а (Т Т) где а — экспериментальный коэффициент, зависящий от материала и формы поверхности.
Коэффициент теплообмена в условиях вынужденной конвекции при поперечном обтекании нити для воздуха а, =Ми )т'б, (3.12) где )с — коэффициент теплопроводностн газа„г( — характерный размер (диаметр нити); )т(п=йгртеа* — критерий Нуссельта; Ке= = о„г(р/т( — критерий Рейнольдса; о„— скорость газового потока; (г! и !гг — константы, зависящие от числа 1(е: й!=0,45; йг=0,5 при Пе(10з и /е! — — 0,245; !ге=0,6 при Яе) 10'. 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, ()! =с„тТ, (3.13) где сгт — теплоемкость газа при постоянном объеме; т — масса молекулы газа; Т вЂ” абсолютная температура. Если концентрация газа и постоянна, то аналогично (3.1) можно записать выражение для теплового потока: ! ат ат Е,= — — пту.с тт, — А= — )!„— А, (3.14) 2 ол ах где )с„— коэффициент теплопроводности газа при низком вакууме: )и = и т и,рус„(2 =т!с„.
(3.15) Таким образом, коэффициент теплопроводности газа. равен произведению коэффициента динамической вязкости на удельную теплоемкость газа при постоянном объеме. Для расчета ср можно использовать выражение где у=си/ст — отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме (для одноатомных газов у=1,66; для двухатомных у=1,4; для трехатомных у=1,3); й — постоянная Больцмана; т — масса молекулы газа. Молекулярно-кинетическая теория, используя функции распределения скоростей и длин свободного пути молекул газа, дает для коэффициента теплопроводности более точное выражение 1, =(92 — 5) чси,'4, отличающееся не более чем на 20% от значения, даваемого выражением (3.15).
Характер зависимости коэффициента теплопроводности и коэффициента динамической вязкости газа при низком вакууме от температуры и давления идентичен. Теплопередачу излучением в низком вакууме можно определить по закону Стефана — Больцмана: где мо, зю, Газы Газы и! и! 0,8 0.8 0,8 0,8 Не Нг дг Ие 0,8 0,85 0,8 0,8 0,4 0,3 0,95 0,8 0,38 0,37 0,9 0,7 0,8 0,83 0,9 0,8 )(з Оз Воздух СО 0,87 0,85 0,87 0,85 0,40 0,5 0.35 0,25 0,85 0,89 0,78 0,7 аар Л,= Рс/ 4Т (у — 1) (3,23) (3.27) где ń— плотность теплового потока, Вт/м'1 Ть Тг — температуры на внешней и внутренней поверхности переноса; Е,— геометрический фактор (для параллельных плоскостей и концентричных цилиндрических оболочек Е,=1); Е,— приведенная степень черноты: Е,— (3.19) 1/ег + (Аг'А!) [(1/ег) — !1 где А! и Аг — площади внешней и внутренней поверхностей переноса; е, и ее в коэффициенты излучения внешней и внутренней поверхностей.
Для гладких поверхностей в случае нержавеющей стали е=0,1 при Т=ЗОО К и 0,06 при Т=77 К, а для меди соответственно е=0,03 и 0,0!9. При установке экранов приведенная степень черноты уменьшается пропорционально количеству установленных экранов /з!. Если А!=Аз! ез=ег=е, то приведенная степень черноты Ел= — ' (3.20) ззт+1 (2 — е)(И+1) . В высоком вакууме коивективным теплообменом для технических расчетов обычно пренебрегают, считая его малым по сравнению с другими способами теплопередачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
