4. модел на взаимодействие GAS - Твърди

Предимствата на тази част се смятат модел основното описание адсорбция - десорбция и трансфер на енергия и скорост на молекулите на газа в системата - твърдо тяло.

4.1. Общата модел на взаимодействие

Когато молекулите газове се сблъскват с твърдата повърхност са процеси, които могат да бъдат представени от веригата, показана на Фиг. 4.1. Тук и по-долу се използва, терминът "молекула", което означава всички частици, съществуващи в газовата фаза, включително атомите [3].

Фиг. 4.1. процес Схема газ взаимодействие с твърдите частици

1. Молекулата претърпява еластично разсейване и се връща в газовата фаза. Както с еластична разсейване на електрони, методът може да доведе до дифракционни ефекти.

2. молекулата прехвърля твърдата част от кинетичната си енергия и се задържа център слаба адсорбция. Това състояние (A), отговаря на най-малките възможни дупки, наречени физическа адсорбция. Когато това се случи обмен на енергия между твърдото вещество

и го удари на молекулата и този процес се нарича настаняване.

3. Молекула първоначално задържа в твърдо състояние А, връзката между молекулата и повърхността на вибрационно възбудими но с допълнително обмен на енергия с твърд молекула може да бъде по-ниско ниво на потенциал кладенеца.

4. молекулата може да падне до най-ниското ниво на потенциал и не е на най-първичния сблъсъка с повърхността, както е в случая 3, и скачане на съседния център и загуба на енергията на възбуждане.

5. молекула с най-ниското ниво на потенциал и А може да се движи към съседен център А, получен от кристалната решетка

топлинна енергия достатъчна за преодоляване на енергийна бариера E m.

6. Ако повърхността има второ състояние В с по-висока свързваща енергия, съответстваща на хемисорбция, молекулата съседна център може да се премести в състояние В, като се получава активиране на енергия Е AB. В този случай, състояние А е състояние на подвижния прекурсор В.

7. състояния А и В могат да бъдат подредени в почти същата точка от повърхността и молекулата влизане в състояние А от газовата фаза може да отиде директно в състояние В над повърхността без изместване. Този процес се счита за по-рано (вж. 2) в описанието на метода срещащи се във взаимодействието на водород с преходен метал чрез физическа адсорбция до слабо хемисорбция. В този случай, състоянието се нарича фиксирана Прекурсор състояние Б.

8. В образуването на силни връзки хемисорбция на адсорбата молекули към повърхността се освобождава големи количества енергия, които, както при предишния етап 4, не се абсорбира напълно в центъра, на който е настъпила оригиналната хемисорбция. Тогава молекулата ще се разпространи от една държава в друга, докато тя ще даде кристалната решетка на достатъчно количество енергия, за да остане в определен център.

9. молекулата може да се десорбира. В този случай, десорбцията се провежда по време на десорбция дифузия (или миграция). Когато тази молекула

изисква активиране енергия E дм.

10. десорбция от състояние А с енергия за активиране Е Da. 11. Десорпционна на държавата в областта на енергетиката за активиране на E db.

12. Преместването на молекула от състояние А към обема на твърдото тяло, за да образуват триизмерна връзка с адсорбента.

13. същото състояние на В.

В етап изброени по-горе може да повлияе на взаимодействието между частиците на адсорбирани, които считат за независими един от друг.

Теоретично описание на тези етапи в момента. Въпреки това, има модели, разработени достатъчно първични сблъсък газови молекули с повърхността. Някои от тях са обсъдени по-долу.

3.3. Молекулите на разсейване повърхност. коефициенти за настаняване

Да разгледаме няколко примера, свързани с действието на взаимодействие между "газ - повърхността" на потока и топлопренасяне в разредения газ. Припомнете си, че газът се счита рядка ако няма тройни сблъсъци на молекулите. Всъщност при нормални температури на газа може да се счита като до няколко десетки или дори стотици атмосфери. "Динамика езотеричен газ" въпроси текат и пренос на топлина на газа взети под внимание. Най-важната характеристика на системата в динамиката на изредените газ е Кнудсен номер Кн на. която се определя като съотношението на средната свободен пътя на газови молекули показния по характерен параметър геометрична задача г. Част от изредените динамика газ, по случая на голяма рядка (Кт = λ / г → ∞), по-нататък "superaerodinamikoy". Проблеми на динамика на разредените газове (и по-специално superaerodinamika) са тясно свързани с проблема за описване на интерфазата "газ - твърдо".

първи качествен влиянието на наблюдение взаимодействието на молекулите на повърхността на потока на газовете в каналите се извършва в миналия век. В 1875 гр. Kundt и Warburg отбележи, че газове преминават през тръбата на много ниско налягане, значително по-висока от очакваното от Поазьой формула (която, както е известно, описва поток от вискозна течност в канала при условие, равно на нула скорост на стената). Те определиха този ефект като "приплъзване" на газ - твърдо. Максуел през 1879 г. предполага, че този плъзгащи може да бъде резултат от факта, че има определен процент на молекулите на а τ. че няма да падне на повърхността, за да дойде

термично равновесие с него, и дифузно от повърхността на изпаряване, а като част от молекули (1 - α τ) огледално отразената от повърхността с обърната

нормална съставна част на пулса.

По-подробно проучване на ситуацията показва, че дори в случай на напълно дифузно отражение на газови молекули от стената на профила на скорост в канала не съответства на разтвора на Navier - Stokes. Следователно, за да се опише такива събития изисква Болцман уравнение с предварително зададени "истински" кинетични условия на стената [6].

Подобен ефект "температура плъзгане" се случва в присъствието на топлинен поток между газа и твърдото вещество. Този ефект е описан за първи път от Smoluchowski през 1898 г. За да се определи количествено характеристиките Кнудсен сила през 1910 г., представи концепцията на коефициента на настаняване. Според Кнудсен, коефициентът на настаняване е мярка за енергийна ефективност при взаимодействието между газа и твърдо тяло разположени на различни температури. Smoluchowski принадлежат към него и първите измервания коефициент настаняване.

Най-съществено е приноса на взаимодействието на молекулите на повърхността в силно разреден газ (т.нар Knudsen режим поток и пренос на топлина). Въпреки това, надеждни експериментални данни в тази област не са съществували доскоро. Поводът за това проучване е бързото развитие на космическите технологии, както и технологията и означава ultravysokovakuumnoy повърхностни диагностика.

Ефект на молекулно взаимодействие с повърхността на проводимостта на канала газ динамична може да се илюстрира чрез сравняване на експерименталните данни с потока от газове през много кратък и много дълги канали (Фигура 3.10 ;. 3.11). В първия случай, делът на молекули сблъсък със страничната повърхност на отвора в общия поток газ е незначително. Във втория случай, почти всички от молекулите, идващ от канала, информация за провеждане на взаимодействието със стената. безразмерна проводимост M В / М 0 е дефиниран като експериментален съотношението на потока

теоретичния, изчислени за свободна граница (диаметър на канала). Стойността на теоретичната поток в случай на дълъг канал се изчислява предположи напълно дифузно отражение на молекули от стената. Тези примери показват, че присъствието на продължителен линия по резултатите на потока в значително допринася за взаимодействието на молекули с повърхността на стойност канал проводимост газова динамика. Този принос зависи от степента на оскъдица газ (режим поток) и естеството на молекулите.

Фиг. 3.10. Газ-динамичен краткосрочен канал проводимост (почти перфектен дупка). канал дължина съотношение диаметър 0.03 до

Фиг. 3.11. Газ динамичен проводимост дълъг цилиндричен стъклен канал. канал дължина съотношение диаметър от 300 до

Таблица. 3.2 показва средната експериментални стойности на дълго стъкло канал Той газ проводимост. Ne и Аг в свободен режим (Кн → ∞). Същата таблица показва

Експерименталната грешка на измерване Δ М.

Long свободна проводимост на стъклото канал

- Поазьой проводимост в зависимост от налягането P. Б -

компонент проводимост горе "плъзгащи», R - радиус на канала ", - дължина, η - коефициент на газа вискозитет, к - Болцман константа, T -

Температура, m - маса на молекулите на газа, σ - приплъзване константа (за BGK модел, с напълно дифузни отражателни молекули сигма Т = 1147).

Фиг. 3.12 показва експерименталната зависимост на приплъзване константа от вида на газ, получен за сериозни стъклени цилиндрични канали. За най-простите схеми на гранични условия под формата на σ стойност на Максуел може да се изрази чрез α τ, както следва:

където γ зависи от броя Knudsen фактори в канала и взаимодействието на газови молекули с повърхността на канал. γ приема стойности в диапазона от 0 до ½.

Експерименталните данни за Той и Ar са представени на фиг. 3.13. Този ефект първо се изследва чрез Knudsen на отвора и е известен като ефект на разлика в налягането Thermomolecular или Knudsen ефект.

Фиг. 3.13. Експериментална зависимост от γ за степента на дълъг канал

недостатъчните молекули газове и природата (твърдо вещество крива - теорията за напълно молекули дифузно отражение)

Експерименти показват, че ефектът на разликата в налягането в Thermomolecular дълги канали, както в случая на дупки, най-значимите в областта на свободното молекулно режим на диаметъра на канала, обаче, за разлика от отвора, ефектът на дълги канали е силно зависим от газ. Това обстоятелство е доста убедително показва приноса на повърхността на разсейване молекули в процес на не-изотермично поток от газове.

Решаваща роля в областта на процесите за пренос на топлина между газ и твърдо вещество. При изчисляване на различни топлообменниците, топлинният режим самолет евентуално трябва да се справят с ефективността на пренос на енергия между молекули газове и твърдата повърхност. Механизмът на топлопредаване от газ в реално повърхности е като цяло доста сложно, но от микроскопични гледна точка, основният проблем се състои в описанието разсейване повърхностни молекули в т.нар Knudsen слой (т.е., в региона средната свободен пътя на молекулите от повърхността). Експерименталният изследването на твърдата повърхност на разсейване молекули посветена много работа. Една от основните измерените стойности в тези изследвания е коефициентът на енергия настаняване [2].

Най-простият система, която може да бъде реализирано чрез измерване на енергия настаняване коефициент, системата може да служи като дълги коаксиални цилиндри при различни температури, между които има газ при ниско налягане. Ако външния цилиндър е много по-голям от вътрешния пренос на топлина и газ свободна молекулно режим, степента на топлинния поток между цилиндрите (пренебрегва радиация и пренос на топлина чрез краищата на цилиндъра) е напълно определя от ефикасността на обмен на енергия между молекули газ и повърхността на вътрешния цилиндър,

т.е. коефициент енергия настаняване α Е. молекули специфична топлина на потока Q М в този случай може да се запише, както следва:

Този пример показва, че зависимостта на топлинния поток от взаимодействие "газ - твърда повърхност тяло" може да бъде доста значителна (топлинен поток е пряко пропорционална на фактор на взаимодействие

Фиг. 3.14. Зависимостта на намалената топлина Q поток M и вида на газ номер Knudsen

Взаимодействие на молекули с повърхността води до прекъсване на граничната температура "газ - твърдо" в непрекъснат режим на пренос на топлина. Наличието на този фактор е необходимо да се разглеждат, например, при измерване на топлопроводимост на газове.

От теоретична гледна точка, основният проблем в спецификацията на посочения по-горе явления лежи в създаването на граничните условия на уравнението на Болцман. С други думи, необходимо е да се знае, функцията за разпределение, отразена от R молекула на повърхността е и да го асоциирате с функция за разпределение

молекули, които попадат е аз. функцията на разпределение на отразените молекули записани като [6]:

където K (ξ аз. ξ с)

отразени молекули, и Е е - енергия, която би извършила признати

молекула, ако газът е в равновесие с повърхността.

За измерване на коефициентите на настаняване може да използва горните експериментални подходи, т.е. изчисли α τ и α E

директно от потока от данни и разрежда пренос на топлина газа. Въпреки това, в този случай, е трудно да се следи за състоянието на повърхността и не може да се съди от ъгловата разпределението на отразените молекулите, че е важно да се знае, за решаването на определени проблеми.

Друг експериментален подход позволява да се изследва разпределението на ъгловата зависимост на отразява подход молекули се основава на разсейването на молекулното лъч. Използването на техника молекулярен лъч осигурява indicatrix на разсейване, което дава коефициентите на настаняване интеграция стойност. Фиг. 3.15 показва характерен изглед на indicatrix на разсейване, произведен от техника молекулно лъч.

техники за нанасяне на базата на разсейване молекулно светлина, той е по-удобно да се получи α τ и α Е на чиста и контролиран

В момента има достатъчно експериментални данни за α τ и а Е. но само няколко от тях са получени при контролирани условия

повърхност. Особено малко данни за коефициентите на настаняване на тангенциалната скорост на молекулите на термично скорости на чисти повърхности или повърхности частично покрити с филми от адсорбираните известен състав.

Коефициентът на настаняване на реални системи, може да варира в широки граници (обикновено от 0 до 1). За една и съща система "Хелий - волфрам" в различни условия на повърхността на а Е стойности бяха получени от 0.018 до 0.4. Това означава, че топлината потоци за

такава система в свободен режим на пренос на топлина може да варира с повече от 20 пъти, в зависимост от състоянието на повърхността.

Наскоро група изследователи, ръководени от Shteynhelya (1976) представи данни за α τ. получен съгласно добре контролирано повърхност.

Фиг. 3.15. Типичната форма на indicatrix на разсейване: