Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
молекул вблизи поверхности, обменивается с ними импульсом и отражается.
При этом взаимодействии угол отражения не равен, вообще говоря, углу
падения и зависит от конкретных условий взаимодействия с молекулами
поверхности. Таким образом, поверхность является "шероховатой". В среднем
для молекул, приходящих с данного направления, угол отражения р меньше
угла падения а (рис. 144). В результате этого на поверхность действует не
только сила давления, но и тангенциальная сила в направлении
тангенциальной составляющей скорости падающих на поверхность молекул.
Если потоки молекул на поверхности со всех направлений одинаковы, то
тангенциальные силы взаимно компенсируются и остается лишь давление
молекул на поверхность.
При отражении молекул, вообще говоря, меняется их энергия. Если
температура потоков падающих на поверх-
143
143. Зависимость давления от времени по разные стороны пористой
перегородки в случае различных газов при равной температуре
144. Отражение молекул от поверхности твердого тела
§ 54. Физические явления в разреженных газах 381
145
Т2>Ти йТ2/йх>С
const
146
йТ/йх>0
носгь молекул равна температуре поверхности, то температура отраженных
потоков равна температуре падающих. В других случаях в результате
взаимодействия с поверхностью температура потока изменяется и становится
равной температуре поверхности.
Рассмотрим взаимодействие молекул с поверхностью в условиях глубокого
вакуума. Поток молекул в этом случае изотропен и имеет одинаковую
температуру во всех направлениях. Если температура поверхности постоянна,
то никакие .тангенциальные силы не возникают, а давление во всех точках
поверхности одинаково* Если же температура поверхности изменяется от
точки к точке, то очевидно, что тангенциальных сил по-прежнему нет,
поскольку падающий поток молекул по-прежнему изотропен, но давление в
разных точках поверхности различно. Давление больше на участке
поверхности с большей температурой, поскольку при отражении молекул
нормальная Доставляющая их импульса не только меняет направление на
обратное, но и увеличивается по абсолютному значению. В результате этого
на тело с изменяющейся вдоль его поверхности температурой в условиях
вакуума действуют силы, которые приводят в движение его центр масс и
создают момент вращения относительно оси, проходящей через центр масс
(рис. 145). Эти силы называют радиометрическими.
По-другому обстоит дело в условиях не очень глубокого вакуума. Характер
взаимодействия отдельных молекул со стенкой такой же, как было разобрано
выше (см. рис. 144). Однако теперь температура поверхности оказывает
влияние на температуру газа в некотором слое вблизи поверхности, в
котором происходят столкновения между молекулами. Благодаря этому
изменяются свойства потока молекул, падающих на поверхность. Если
поверхность нагрета равномерно, то, как и в предшествующем случае,
тангенциальные силы не возникают, а давление во
145. Возникновение радиометрических сил
146. Возникновение теплового скольжения
Вакуум в молекулярной физике является относительным понятием и
определяется соотношением между средней длиной свободного пробега и
линейными размерами области, в которой содержится газ.
В условиях вакуума практически отсутствует взаимодействие молекул между
собой. Поэтому картина переноса молекулярных признаков посредством
столкновений между молекулами перестает быть справедливой. Вместо этого
возникает картина переноса молекулярных признаков в результате
последовательных столкновений молекул с поверхностями материальных тел.
382 6. Процессы переноса
всех точках поверхности одинаково. Если же температура различных точек
поверхности различна, то ситуация изменяется. Пусть для определенности
температура поверхности растет в направлении положительных значений оси X
(рис. 146). Тогда падающие на некоторый участок молекулы имеют в среднем
тангенциальную составляющую в направлении отрицательных значений оси X
больше, чем в направлении положительных, поскольку первые молекулы
приходят со стороны более нагретых приповерхностных слоев. Поэтому
равнодействующая тангенциальных сил взаимодействия направлена в сторону
отрицательных значений оси X. Эта сила приложена к поверхности тела. Из
третьего закона Ньютона следует, что изменение импульса молекул,
провзаимодействовавших со стенкой, должно быть направлено в
противоположную сторону, т. е. в сторону положительных значений оси X.
Это означает, что в пристеночном слое возникает поток вдоль поверхности
от менее нагретых участков к более нагретым. Это явление называется
тепловым скольжением. Как ясно из изложенного, оно имеет место при не
слишком глубоком вакууме. С другой стороны, тепловое скольжение также
прекращается при определенном увеличении давления. Действие сил,
возникающих при тепловом скольжении, на участки поверхности тела с
различной температурой очевидно. Их надо добавить к силам и давлениям,
изображенным на рис. 145.
При повышении давления между областями с различным давлением возникают
