Главная > Физика > Общий курс физики. Молекулярная физика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 56. Разность давлений между различно нагретыми частями газа (тепловая транспирация)

Отсутствие столкновений между молекулами в разреженном газе приводит к своеобразному условию равновесия между различными частями газа в замкнутом объеме.

Пусть две части сосуда с газом, температуры которых равны соответственно и соединены друг с другом отверстием 5 (рис. 66). При каких условиях установится равновесие между частями т. е. не будет движения газа? Очевидно, что равновесие установится в том случае, когда за одно и то же время, например за одну секунду, число молекул, переходящих из будет равно числу молекул, переходящих в обратном направлении.

Рис. 66.

Число частиц, проходящих за одну секунду через отверстие 5, пропорционально произведению числа частиц в единице объема на их тепловую скорость. Поэтому условие равновесия газа запишется в виде:

где — плотности и средние тепловые скорости молекул газа в и в В. Учитывая, что

мы получим условие равновесия:

т. е. давления в обеих частях газа оказываются пропорциональными

квадратному корню из температур этих частей. Для плотных газов условием равновесия является, как известно, равенство давлений во всех частях газа:

Такая разница в условиях равновесия на первый взгляд кажется странной, так как равенство (56.1) не содержит ничего, что относилось бы исключительно к разреженному газу; оно справедливо и для плотного газа. Но при обычных давлениях столкновения молекул вызывают дрижение газа в целом, которое и приводит к выравниванию давлений. В разреженном же газе молекулы движутся независимо друг от друга и разность температур не может вызвать движение всего газа.

Вот почему в разреженном газе нарушается и закон Паскаля. Этот закон относится к случаю, когда газ ведет себя как обычная жидкость, т. е. как сплошная среда. Но при малых давлениях, в полной мере сказывается молекулярная структура газа и его уже нельзя рассматривать как сплошную среду.

Опыт в самом деле подтверждает формулу (56.2).

Впервые опыты по наблюдению разности давлений между двумя неодинаково нагретыми частями сосуда с газом, разделенными малыми отверстиями (малыми по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул) были проведены О. Рейнольдсом (1879 г.), давшим этому явлению название тепловой транспирации. Схема опыта Рейнольдса приведена на рис. 67.

Рис. 67.

Пластина 5 из пористого вещества (вместо отверстия) укреплена между двумя эбонитовыми кольцами, закрытыми металлическими дисками Исследуемый газ (воздух) заключен в объеме между этими дисками и пористой перегородкой. Диск охлаждается проточной водой, а диск нагревается горячим паром, как показано на рис. 67. Таким образом создается разность температур между объемами газа по обе стороны от пористой пластинки. При помощи манометров, присоединенных через трубки и к обеим частям сосуда, измерялись давления

Измерения показали, что при достаточно малых давлениях уравнение (56.2) весьма удовлетворительно выполняется. При больших давлениях разность давлений между обоими объемами исчезала.

Описанное только что явление тепловой транспирации имеет важное значение при измерении давления в вакууме в случае, когда манометр, находящийся, конечно, при комнатной температуре,

соединен с исследуемым объемом узким каналом (трубкой), а сам объем находится при температуре, отличной от комнатной. Так, например, в тех частях аппаратов, которые находятся при температуре жидкого азота (77 К), давление будет равно только 0,55 от давления, измеренного манометром, находящимся при комнатной температуре. Точно так же давление в сосуде, нагретом в печи до 2000 градусов, будет почти в три раза выше, чем показания манометра, соединенного с этим сосудом.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление