physwulei的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/physwulei

博文

稀薄气体的热效应:光驱石墨烯还是热驱石墨烯 (一)? 精选

已有 6812 次阅读 2015-6-30 06:58 |个人分类:RGD|系统分类:科研笔记

稀薄气体动力学研究中,克努森数(气体分子平均自由程与流场特征尺度之比值)是重要参数。地面大气分子的平均自由程为65纳米,远小于一般宏观物体尺寸,因此基于连续介质假说的纳维斯托克斯方程与实验基本相符。随着克努森数的增加,气体分子的颗粒性越来越明显,纳维斯托克斯方程中的牛顿粘性定律和傅立叶热传导定律不再适用。同时,气固边界处气体的速度出现滑移,温度出现跳跃。

本文讨论当固体表面出现温度梯度时气体的力学性质。

最直观的由温差引起的稀薄气体效应的例子是克鲁克斯辐射计威廉·克鲁克斯在1873年发明。据称为了消除气流对微量元素精密称量的影响,他将仪器搬到真空室,却意外发现阳光照射反而破坏了应有的平衡。克鲁克斯辐射计中叶片转速跟气体压强有着密切联系。当气体压强从大气压减少到几百帕斯卡时,叶片才开始转动。随后压强减少,叶片转速增大,并在1帕斯卡左右达到最大。而后转速反而随着压强的减少而减少。

当时克鲁克斯认为这是光压作用的结果,但这一结论很快被否定,因为在高真空度下,叶片转速应该随着气体压强的减少而增加(气体对叶片的阻力减少)。再者,光压会使叶片由白色面推动,而非观察到的由黑色面驱动。

第二个错误的解释认为是由于黑色面温度升高引起脱气作用而推动叶片。这也被后来的实验推翻,遗憾的是,维基百科似乎没有给出相应的链接。

最后雷诺提出热流逸(thermal transpiration,有时也称热蠕动,thermal creep)概念解释这现象,不幸的是,文章在送给麦克斯韦审稿时被其抢先发表(提出麦克斯韦方程组的神人居然冒着剽劫的风险,可见这东西的份量!虽然麦克斯韦在论文(1879年五月)附录部分承认了雷诺的贡献,雷诺还是很生气,后果也比较严重,不过此事最后因为麦克斯韦的仙逝(1879年11月)而不了了之)。

雷诺发现当多孔介质两端存在温度差,气体和固体的相互作用将使气体从低温端流向高温端。这跟纳维斯托克斯方程不符合,因为该方程给出的结果是气体会建立相应的温度场,却不会有宏观流动。雷诺假设气体经固体壁面作用后漫反射,则从高温端入射的气体分子跟固壁碰撞后损失更大动量,因此固壁受到气体从高温端向低温端的推力。根据牛顿第三定律,气体受到固壁的力的作用,此力使气体从低温端流向高温端。


当克努森数很小时,热蠕动跟克努森数成正比,因此一般情况下很难观察到此效应,纳维斯托克斯方程也可放心使用。分子动理论(gas kinetic theory)的具体计算表明,温度梯度引起的力(克努森力)在克努森数为0.1,也就说当气体平均自由程为流体特征长度的十分之一时,最大。气压1帕斯卡下空气分子平均自由程为6.5毫米,而克鲁克斯辐射计中叶片边长大概为五六厘米,因此克努森力引起的叶片转动最快。日光下就可以观察到叶片的快速旋转,放进冰箱也可很快观察到旋转反向(叶片黑色面温度降低较快)。

热蠕动的一个重要应用就是克努森泵。考虑如下系统,阴影部分为固体,白色部分为气体。左半部分固体温度线性增加,右半部分固体温度等量线性减少。假设系统长度为1.2毫米,固体最大温差18摄氏度,则对于氦气,右端压强将会是左边的1.06倍,而对于氮气,右端压强是左边的1.035倍。如果将多个这样的设备串联起来,产生的压力差非常可观。这是一个神奇的装置,无需机械运动部分,只要有温差就可将气体从低压抽到高压。





http://blog.sciencenet.cn/blog-2641489-901567.html


下一篇:稀薄气体的热效应:光驱石墨烯还是热驱石墨烯 (二)?

19 姬扬 苏力宏 黄永义 刘全慧 王安良 应行仁 洪建辉 张江敏 刘畅 戴德昌 吕喆 田云川 文克玲 陈学雷 王国强 韦玉程 邱伟 xuexiyanjiu ybybyb3929

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (7 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-4-11 09:00

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部