يتدفق الغاز من خلال فتحة صغيرة نحو الفراغ. الإجابة الصحيحة هي : صواب. بمعنى أن العبارة صحيحة، لأنه يتدفق الغاز من خلال فتحة صغيرة نحو الفراغ.
تدفق الغاز من خلال فتحة صغيرة نحو الفراغ
تعد دراسة تدفق الغاز من خلال الفتحات الصغيرة ذات أهمية كبيرة في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أنظمة التفريغ، والصناعات الدقيقة، والعمليات الجيولوجية. عندما يتدفق الغاز من خلال فتحة صغيرة من ضغط مرتفع إلى فراغ، تحدث ظاهرة مثيرة تسمى تدفق الغاز المتخلخل.
أنواع تدفق الغاز المتخلخل
تنقسم تدفقات الغاز المتخلخلة إلى ثلاث فئات رئيسية بناءً على رقم كنودسن، وهو النسبة بين متوسط المسار الحر للجزيئات وقطر الفتحة:
التدفق الجزيئي: يحدث عندما تكون رقم كنودسن أكبر من 1. في هذا النمط، تصطدم الجزيئات ببعضها البعض بشكل متكرر ويمكن تجاهل تصادمات الجدران.
التدفق الانتقالي: يحدث عندما يكون رقم كنودسن بين 0.1 و 1. في هذا النمط، لا يمكن تجاهل تصادمات الجدران وتتفاعل الجزيئات مع كل من الجزيئات الأخرى والجدران.
التدفق اللزج: يحدث عندما يكون رقم كنودسن أصغر من 0.1. في هذا النمط، تتصادم الجزيئات ببعضها البعض بشكل متكرر ويمكن تجاهل تصادمات الجدران.
تدفق الغاز المتخلخل الجزيئي
في التدفق الجزيئي، تتحرك الجزيئات في مسارات مستقيمة ويمكن تجاهل تصادمات الجزيئات الأخرى. وبالتالي، فإن معدل التدفق الجبري هو:
“`
Q = (1/4) (d^3 P sqrt(pi / (2 M R T)))
“`
حيث:
Q هو معدل التدفق (mol/s)
d هو قطر الفتحة (m)
P هو فرق الضغط عبر الفتحة (Pa)
M هي الكتلة المولية للغاز (kg/mol)
R هو ثابت الغاز (8.314 J/molK)
T هي درجة الحرارة (K)
تدفق الغاز المتخلخل الانتقالي
في التدفق الانتقالي، تتفاعل الجزيئات مع كل من الجزيئات الأخرى والجدران. يتم استخدام معامل تصحيح لإدخال هذه التأثيرات في معدل التدفق الجبري، ويعتمد هذا المعامل على رقم كنودسن.
تدفق الغاز المتخلخل اللزج
في التدفق اللزج، تتصادم الجزيئات ببعضها البعض بشكل متكرر ويمكن تجاهل تصادمات الجدران. يمكن حساب معدل التدفق اللزج باستخدام قانون هاجن-بوازوي:
“`
Q = (pi d^4 P) / (128 eta L)
“`
حيث:
eta هي اللزوجة الديناميكية للغاز (Pas)
L هو طول الفتحة (m)
التطبيقات
تستخدم ظاهرة التدفق المتخلخل في مجموعة واسعة من التطبيقات، منها:
أنظمة التفريغ: تستخدم لإنشاء فراغات عالية.
الصناعات الدقيقة: تُستخدم لترسيب الأغشية الرقيقة.
العمليات الجيولوجية: تساعد على فهم تدفق السوائل في الخزانات الجوفية.
العوامل المؤثرة على تدفق الغاز المتخلخل
تؤثر العديد من العوامل على معدل تدفق الغاز المتخلخل، بما في ذلك:
قطر الفتحة: يزداد معدل التدفق مع زيادة قطر الفتحة.
فرق الضغط: يزداد معدل التدفق مع زيادة فرق الضغط.
درجة الحرارة: يزداد معدل التدفق مع زيادة درجة الحرارة.
الكتلة المولية للغاز: ينخفض معدل التدفق مع زيادة الكتلة المولية للغاز.
القيود
توجد بعض القيود على معادلات التدفق المتخلخل، بما في ذلك:
لا تأخذ المعادلات في الاعتبار التدفق غير المستقر أو المتعدد الأبعاد.
قد تكون معادلات التدفق الانتقالي واللزج غير دقيقة لرقم كنودسن كبير جدًا أو صغير جدًا.
يعد تدفق الغاز المتخلخل ظاهرة معقدة لها تطبيقات مهمة في مجموعة واسعة من المجالات. من خلال فهم أنواع التدفق المختلفة والعوامل المؤثرة عليه، يمكن للباحثين والمهندسين تحسين تصميم أنظمتهم واستخدامها بفعالية.