Hispanopedia WikiEl flujo molecular libre describe la dinámica de fluidos de un gas donde el camino libre medio de las moléculas es mayor que el tamaño de la cámara o del objeto bajo prueba. Para tubos/objetos de varios centímetros, esto significa presiones muy inferiores a 10⁻³ mbar . Esto también se denomina régimen de alto vacío , o incluso ultra alto vacío . Esto se opone al flujo viscoso que se encuentra a presiones más altas. [ 1 ] La presencia de flujo molecular libre se puede calcular, al menos de forma estimada, con el número de Knudsen (Kn). [ 2 ] Si Kn > 10, el sistema está en flujo molecular libre, [ 3 ] también conocido como flujo de Knudsen. [ 4 ] El flujo de Knudsen se ha definido como el rango de transición entre el flujo viscoso y el flujo molecular, que es significativo en el rango de vacío medio donde λ ≈ d. [ 5 ]
El flujo de gas se puede agrupar en cuatro regímenes: para Kn≤0,001, el flujo es continuo y se aplican las ecuaciones de Navier-Stokes ; para 0,001<Kn<0,1, se produce un flujo deslizante; para 0,1≤Kn<10, se produce un flujo transicional o dinámica de gases enrarecidos ; y para Kn≥10, se produce un flujo molecular libre. [ 6 ]
En el flujo molecular libre, la presión del gas restante puede considerarse prácticamente nula. Por lo tanto, los puntos de ebullición no dependen de la presión residual. El flujo puede considerarse como partículas individuales que se mueven en línea recta. En la práctica, el vapor no puede sortear curvas ni acceder a otros espacios detrás de obstáculos, ya que simplemente choca contra la pared del tubo. Esto implica que no se pueden utilizar bombas convencionales, puesto que dependen del flujo viscoso y la presión del fluido. En su lugar, se utilizan bombas especiales de sorción , bombas de iones y bombas de transferencia de momento, es decir, bombas turbomoleculares .
El flujo molecular libre se produce en diversos procesos, como la destilación molecular , equipos de ultra alto vacío como los aceleradores de partículas y, de forma natural, en el espacio exterior .
La definición de flujo molecular libre depende de la escala de distancia considerada. Por ejemplo, en el medio interplanetario , el plasma se encuentra en un régimen de flujo molecular libre a escalas menores de 1 UA ; por lo tanto, los planetas y las lunas están sometidos a un bombardeo de partículas. Sin embargo, a escalas mayores, se observa un comportamiento similar al de un fluido, debido a que la probabilidad de colisiones entre partículas se vuelve significativa.
flujo de Knudsen
El flujo de Knudsen describe el movimiento de fluidos con un número de Knudsen cercano a la unidad, es decir, donde la longitud característica en el espacio de flujo es del mismo orden de magnitud que el camino libre medio . Según la fuente, se menciona un rango de 0,1 < Kn < 10 para el cual ocurre el flujo de Knudsen. Otros nombres para este régimen de flujo son flujo intermedio, transicional o de deslizamiento, ya que representa un estado de transición entre el flujo molecular libre y el flujo viscoso . Por lo tanto, el flujo de fluidos bajo condiciones de flujo de Knudsen se establece tanto por fenómenos moleculares como por la viscosidad. [ 7 ]
Procesos de separación
Para un gas que pasa a través de pequeños orificios en una pared delgada en el régimen de flujo de Knudsen, el número de moléculas que pasan a través de un orificio es proporcional a la presión del gas e inversamente proporcional a su masa molecular. Por lo tanto, es posible efectuar una separación parcial de una mezcla de gases si los componentes tienen masas moleculares diferentes. La técnica se utiliza para separar mezclas isotópicas , como el uranio , mediante difusión gaseosa a través de membranas porosas. [ 8 ] También se ha demostrado con éxito su uso en la producción de hidrógeno , como técnica para separar el hidrógeno de la mezcla de productos gaseosos creada cuando el agua se calienta a altas temperaturas utilizando energía solar u otras fuentes de energía. [ 9 ]
Véase también
- Ecuación de Knudsen : descripción del flujo de gas en flujo molecular libre.
- Número de Knudsen : número adimensional relacionado con el camino libre medio de una partícula.
Referencias
- ↑ Yamamoto, K.; Pack, DC; Flujo molecular libre transitorio a través de un tubo; Dinámica de gases enrarecidos; Actas del Undécimo Simposio Internacional, Cannes, Francia, 3-8 de julio de 1978. Volumen 1. (A80-34876 14-77) París, Commissariat a l'Energie Atomique, 1979, págs. 207-218.
- ↑ El número de Knudsen es un número adimensional definido como:dónde= camino libre medio [L 1 ],= escala de longitud física representativa [L 1 ].
- ↑ Laurendeau, Normand M. (2005). Termodinámica estadística : fundamentos y aplicaciones . Nueva York: Cambridge University Press . pág. 434. ISBN 0-521-84635-8OCLC 71819273
- ^ Sundén, Bengt; Fu, Juan (2016). Transferencia de calor en aplicaciones aeroespaciales . Elsevier Ltd. pag. 61.ISBN 978-0-12-809761-8OCLC 961337485
- ↑ "¿Qué es el flujo de Knudsen?" . Centro de conocimiento de la Academia de Vacío Leybold . Consultado el 19 de agosto de 2024 .
- ↑ Guo, Yangyu; Wang, Moran (2015). "Hidrodinámica de fonones y sus aplicaciones en el transporte de calor a nanoescala" . Physics Reports . 595. 4.1.1 Límite de deslizamiento de velocidad en el flujo de gas a microescala. Bibcode : 2015PhR...595....1G . doi : 10.1016/j.physrep.2015.07.003 . ISSN 0370-1573 .
- ↑ Roth, A. (1990). Tecnología del vacío: tercera edición, actualizada y ampliada . Elsevier. págs. 62–64 .
- ↑ Villani, S. (1976). Separación de isótopos . Hinsdale, Ill.: Sociedad Nuclear Americana.
- ↑ Kogan, A. (1998). "División solar térmica directa del agua y separación in situ de los productos - II. Estudio de viabilidad experimental". International Journal of Hydrogen Energy . 23 (2). Gran Bretaña: Elsevier Science Ltd: 89– 98. Bibcode : 1998IJHE...23...89K . doi : 10.1016/S0360-3199(97)00038-4 .
- esbozos de dinámica de fluidos
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