Молекулярное течение

Молекуля́рное тече́ние — течение разреженного газа, в котором длина свободного пробега составляющих его частиц значительно больше линейного размера течения.

Физические основы

Файл:Молекулярное течение.png

Молекулярное течение. Схема движения частиц в трубе

С точки зрения гидродинамики в режиме молекулярного течения длина свободного пробега атомов, молекул или ионов газа таково, что выполняется следующее условие для числа Кнудсена: $K_{n}\gg 1$. В реальном, но сильно разрежённом газе считается, что частицы, составляющие данный газ, не сталкиваются друг с другом, аналогично представлениям об идеальном газе. В природе молекулярное течение газа можно наблюдать на достаточном удалении от уровня Земли, поскольку длина свободного пробега, как и концентрация, экспоненциально убывает с высотой согласно барометрической формуле:

$n=n_{0}\exp \left[-mg{\frac {h-h_{0}}{kT}}\right],$

где $m$ — масса молекулы газа, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ и $h_{0}$ — высоты измерения и нулевого уровня, $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — температура.

Для разрежённого газа существует точное решение уравнения Больцмана — равновесная функция распределения Максвелла. В представлениях Максвелла газ, в котором происходит молекулярное течение, представляет собой механическую систему с огромным числом степеней свободы, для которой можно использовать математическую статистику.

Поскольку для молекулярного течения столкновениями частиц газа пренебрегают, то рассматривают взаимодействия частиц газа со стенками сосуда либо обтекаемыми поверхностями. Для математического описания подобных задач требуется решение сложных квантово-механических задач, учитывающих теплообмен со стенками, тепловые потоки в газе, возникающие при движении, силы сопротивления, и др. В целях упрощения модели и вычислений обычно вводят экспериментальные параметры, например, касательные и нормальные импульсы, энергетические коэффициенты, и др. Эти коэффициенты можно приравнять единице при выполнении условия $K_{n}\ll 1$.

Моделирование молекулярного течения в газах используется при расчётах летательных аппаратов (крыльев и др.), напылении плёнок в вакууме от источника с малой испускающей способностью, в криогенной технике, космических исследованиях, в частности, атмосфер планет, и т. п.

Литература

• Шидловский В. П. Введение в динамику разреженного газа. — Москва : Наука, 1965.
• Кошмаров Ю. А., Рыжов Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа. — Москва : Машиностроение, 1977.
• Берд Г. Молекулярная газовая динамика. — Москва : Мир, 1981.

Ссылки

• Элементы физической кинетики
• Основы вакуумной техники и физики поверхности

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Молекулярное течение», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Молекулярное_течение» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».