Явления переноса в газах

При перемещении твёрдого тела со скоростью υ_п за счёт передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.
Весь газ между подвижной 1 и неподвижной 2 пластинами (рис. 1.5) можно разделить на слои толщиной l₀ , где l₀ — средняя длина свободного пробега. В плоскости х₀  происходят столкновения молекул, вылетевших из плоскостей х' и х". Изменение количества движения в результате одного столкновения равна 2ml₀ dυ_п/dx. Принимая, что в среднем в отрицательном и положительном направлениях оси х в единицу времени единицу площади в плоскости х₀пересекают nυ_ар /4 молекул, получим общее изменение количества движения в плоскости х₀  в единицу времени:

                             .                             (1.36)

Сила трения по всей поверхности переноса определяется общим изменением количества движения:

               ,               (1.37)

где А — площадь поверхности переноса. Коэффициент пропорциональности

называют коэффициентом динамической вязкости, а отношение η/ρ — коэффициентом кинематической вязкости (ρ — плотность газа). Точное значение

рассчитанное согласно молекулярно-кинетической теории мало отличается от приближённого значения (1.39)

Рис. 1.5. Расчётная схема для определения коэффициента вязкости в газах при низком вакууме

Численные значения коэффициента η для некоторых газов при Т = 273 К приведены в табл. 1.3.
В области высокого вакуума сила трения пропорциональна молекулярной концентрации или давлению газа. Это объясняется тем, что молекулы газа двигаются между поверхностями переноса без соударений.

Таблица 1.3

Теплопередача в разрежённых газах может происходить за счёт трёх процессов: конвекции, теплопроводности и излучения. Конвективный теплообмен может быть либо естественным из-за силового воздействия гравитационного поля на газ, имеющий различную плотность вследствие температурных градиентов, либо вынужденным при наличии газовых потоков во время откачки вакуумных камер.
В области среднего и высокого вакуума роль конвективного теплообмена в общем балансе передачи тепла мала, и в расчётах им обычно пренебрегают. При низком вакууме конвективный теплообмен является основным способом теплопередачи.
Перенос тепла конвекцией в низком вакууме от поверхности нити, нагретой до температуры Тн  к стенкам вакуумной камеры, имеющим температуру Т,  описывается уравнением Ньютона–Рихмана:

где, а — коэффициент теплообмена; А — площадь поверхности нити.
Теплопередача за счёт теплопроводности может рассматриваться как явление переноса, аналогичное вязкости. Этот процесс характеризуется количеством тепла, отнесённым к одной молекуле газа: c_υmT , где удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме

                             ,                                  (1.41)

а γ =  с_р/с_υ — отношение теплоёмкости газа при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме (для воздуха и двухатомных газов γ = 1,4; для одноатомных γ= 1,66; для трёх атомных γ= 1,3). 
Если концентрация газа n постоянна, то аналогично (1.37) запишем выражение для теплового потока (уравнение Фурье):

                            ,                               (1.42)

где

 .                          (1.43)

В молекулярно-кинетической теории, используя функцию распределения молекул по скоростям, получают для коэффициента теплопроводности λ более точное выражение:

Значения λ, рассчитанные по формулам (1.43) и (1.44) для воздуха, отличаются на 20%.
Теплопроводность газа, так же как и вязкость, не зависит от давления в области низкого вакуума и пропорциональна давлению при высоком вакууме.
Теплопередачу в вакууме излучением Е_и можно определить

,               (1.45)

где Т₁ и Т₂ — температура на внешней и внутренней поверхностях переноса; Е_г — геометрический фактор (для параллельных плоскостей и концентричных цилиндрических оболочек Е_г = 1); Е_е — приведённая степень черноты;
В высоком вакууме излучение является практически единственным способом передачи тепла и не зависит от давления газа.
Приведённые закономерности теплопередачи в газах при низких давлениях широко используются в вакуумной технике для расчёта нагревательных и охлаждающих устройств, а также для косвенных измерений давления в области среднего и низкого вакуума.