Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
объеме практически нет, передача молекулярных признаков происходит со
скоростью движения молекул, т. е. очень быстро. Время уравнивания
концентраций даже в очень больших объемах является малым. Это время
зависит от формы объема.
Трение при малых давлениях. Если имеются две твердые поверхности,
движущиеся друг относительно друга, причем между поверхностями находится
газ в условиях вакуума, то между поверхностями возникают силы трения,
стремящиеся затормозить более быстро движущуюся и ускорить медленнее
движущуюся поверхности. Это явление похоже по внешнему виду на
возникновение аналогичных сил при достаточно высоком давлении воздуха
между движущимися поверхностями, но механизм совершенно другой. В
условиях вакуума между движущимися поверхностями не возникает слоев газа,
движущихся поступательно друг относительно друга, в результате чего
возникает сила внутреннего трения, передающаяся от слоя к слою. При
столкновении с движущейся поверхностью молекула приобретает
соответствующий импульс упорядоченного движения и, пролетев без
столкновений пространство
§ 54. Физические явления в разреженных газах 379
между поверхностями, обменивается импульсом своего упорядоченного
движения с другой поверхностью. Импульс, переданный поверхности
молекулами в каждую секунду, численно равен силе трения. Таким образом, в
условиях вакуума отсутствует внутреннее трение в газе в том смысле, в
каком оно существует при более высоком давлении, но имеется взаимное
трение движущихся друг относительно друга поверхностей.
Сосуды, сообщающиеся через пористую перегородку. Размеры пор в пористой
перегородке могут быть столь малыми, что в них соблюдаются условия
вакуума уже при нормальном атмосферном давлении. В результате этого
возникает ряд интересных явлений.
Если по разные стороны пористой перегородки имеется один и тот же газ и
поддерживаются различные температуры, то устанавливается равновесное
состояние, при котором давления по разные стороны пористой перегородки
различны (рис. 142). Обозначим величины, относящиеся к объемам по разные
стороны пористой оболочки, индексами 1 и 2. В условиях равновесия число
молекул, перелетающих из одной половины в другую через пористую
перегородку, равно числу молекул, пролетающих через пористую перегородку
в обратном направлении. Поскольку сами поры молекулы проходят без
столкновений, то это условие на основании (8.32) имеет вид
"01 <^1> ^эф/4 = "02 <v2> ?эф/4, С54-1)
где 5эф - эффективная суммарная "площадь" пор в пе-
регородке.
Учитывая, что п0 = р/{кТ), (v) = const ]/ Т, из (54.1) получаем
Pi/1/тГ = Р2/\/т2, (54.2)
т. е. там, где температура больше, давление также больше. Такая ситуация
при нормальных условиях невозможна, поскольку возникшие при разности
давлений 142. Условия равновесия газов, гидродинамические потоки быстро
выравнивают давление.
сообщающихся посредст- Эта формула была Проверена экспериментально Рейвом
пористой перегородки нольдсом (1879)
pj\ 7', - р2/\ г2 Обмен молекулами различных сортов через пористую
перегородку. Представим себе, что в некоторый момент времени объемы по
разные стороны пористой перегородки сосуда (рис. 142) заполнены двумя
различными газами при одних и тех же давлениях и температурах. Это
состояние не является равновесным. Плотность молекул с обеих сторон
одинакова, однако средние
380 6. Процессы переноса
скорости их движения различны - более легкие молекулы движутся быстрее.
Поэтому в соответствии с формулой
(8.32) частота ударов легких молекул о пористую перегородку больше,
чем тяжелых, и, следовательно, число легких молекул, проникающих в
единицу времени в половину сосуда, занятую тяжелыми молекулами, больше,
чем число тяжелых молекул, проникающих в половину сосуда, занятую легкими
молекулами. В результате этого давление в половине, занятой первоначально
тяжелыми молекулами, начнет повышаться, а на стороне легких молекул -
уменьшаться. По мере перемешивания молекул рост давления замедляется,
затем прекращается. В этот момент число молекул, проникающих через
перегородку в единицу времени в двух направлениях, уравнивается, однако
концентрации каждого сорта молекул по разные стороны перегородки не
уравнялись. Плотность молекул в половине сосуда с тяжелыми молекулами
больше, чем в половине с легкими. После этого число молекул, проходящих в
единицу времени через пористую перегородку со стороны части сосуда,
первоначально занятой тяжелыми молекулами, становится больше, чем число
молекул, проходящих перегородку в обратном направлении. Давление начинает
в первой части сосуда уменьшаться, а во второй - повышаться. Одновременно
с выравниванием давлений выравниваются концентрации молекул каждого сорта
по обе стороны пористой перегородки. Зависимость р по разные стороны
пористой перегородки от времени в условных единицах показана на рис. 143
(см. пример 54.1).
Взаимодействие молекул с поверхностью твердого тела. Ударяясь о
поверхность, молекула взаимодействует лишь с небольшим числом атомов или
