自由分子流

自由分子流は、分子の平均自由行程がチャンバーまたは試験対象物のサイズよりも大きい場合のガスの流体力学を表します。数 cm サイズのチューブ/物体の場合、これは 10 ⁻³mbarをはるかに下回る圧力を意味します。これは、高真空状態、または超高真空状態とも呼ばれます。これは、より高い圧力で発生する粘性流とは対照的です。^[1]自由分子流の存在は、少なくとも推定では、クヌーセン数(Kn) で計算できます。^[2] Kn > 10 の場合、システムは自由分子流であり、^[3]クヌーセン流としても知られています。^[4]クヌーセン流は、粘性流と分子流の間の遷移範囲として定義されており、λ ≈ d の中真空範囲で重要です。^[5]

ガスの流れは4つの領域に分類できます。Kn≤0.001の場合、流れは連続的でナビエ・ストークス方程式が適用可能であり、0.001<Kn<0.1では滑り流れが発生し、0.1≤Kn<10では遷移流が発生し、Kn≥10では自由分子流が発生します。^[6]

自由分子流では、残留ガスの圧力は実質的にゼロとみなすことができます。したがって、沸点は残留圧力に依存しません。流れは、直線上を移動する個々の粒子とみなすことができます。実際には、「蒸気」は単に管壁にぶつかるため、曲がり角を回ったり、障害物の後ろの他のスペースに移動したりすることはできません。これは、粘性流と流体圧力に依存する従来のポンプを使用できないことを意味します。代わりに、特殊な吸着ポンプ、イオンポンプ、および運動量転送ポンプ、つまりターボ分子ポンプが使用されます。

自由分子流は、分子蒸留などのさまざまなプロセス、粒子加速器などの超高真空装置、そして宇宙空間の自然界でも発生します。

自由分子流の定義は、考慮する距離スケールによって異なります。たとえば、惑星間媒体では、1 AU 未満のスケールではプラズマは自由分子流状態にあります。そのため、惑星や衛星は実質的に粒子の衝突を受けています。ただし、より大きなスケールでは、粒子間の衝突の確率が大きくなるため、流体のような動作が観察されます。

クヌーセンフロー

クヌーセン流は、クヌーセン数がほぼ 1である流体の動き、つまり流れ空間における特性長さが平均自由行程と同じ桁である流体の動きを表します。情報源によって異なりますが、クヌーセン流が発生する範囲は 0.1<Kn<10 と記載されています。この流れの状態は、自由分子流と粘性流の間の遷移状態を表すため、中間流、遷移流、またはスリップ流とも呼ばれます。したがって、クヌーセン流条件下での流体の流れは、分子現象と粘性の両方によって確立されます。^[7]

分離プロセス

クヌーセン流域の薄い壁の小さな穴を通過するガスの場合、穴を通過する分子の数はガスの圧力に比例し、その分子量に反比例します。したがって、成分の分子量が異なる場合、ガス混合物を部分的に分離することができます。この技術は、多孔質膜を通したガス拡散を利用して、ウランなどの同位体混合物を分離するために使用されます。^[8]また、太陽エネルギーやその他のエネルギー源を使用して水を高温に加熱したときに生成されるガス状生成物混合物から水素を分離する技術として、水素製造での使用が実証されています。^[9]

参照

クヌーセン方程式 – 自由分子流におけるガスの流れの記述
クヌーセン数 – 粒子の平均自由行程に関連する無次元数

参考文献

^ 山本健、パック DC、管を通る過渡的自由分子流、希薄気体力学、第 11 回国際シンポジウム議事録、フランス、カンヌ、1978 年 7 月 3 ～ 8 日。第 1 巻。(A80-34876 14-77) パリ、原子エネルギー委員会、1979 年、p. 207-218。
^ クヌーセン数は次のように定義される無次元数です:ここで=平均自由行程[L ¹ ]、= 代表的な物理的長さスケール [L ¹ ]。
$\mathrm {Kn} \ ={\frac {\lambda }{L}},$
$\lambda$ $L$
^ ローレンドー、ノーマンド M. (2005). 統計熱力学:基礎と応用. ニューヨーク:ケンブリッジ大学出版局. p. 434. ISBN 0-521-84635-8. OCLC 71819273.
^ スンデン、ベングト;フー、フアン（2016）。航空宇宙用途における熱伝達。エルゼビア株式会社p. 61.ISBN 978-0-12-809761-8. OCLC 961337485.
^ 「クヌーセンフローとは何か？」。ライボルト真空アカデミーナレッジセンター。 2024年8月19日閲覧。
^ Guo, Yangyu; Wang, Moran (2015). 「フォノン流体力学とナノスケール熱輸送への応用」. Physics Reports . 595. 4.1.1 マイクロスケールガス流の速度滑り境界. Bibcode :2015PhR...595....1G. doi :10.1016/j.physrep.2015.07.003. ISSN 0370-1573.
^ Roth, A. (1990).真空技術 - 第3版、更新および拡大版。エルゼビア。pp. 62– 64。
^ Villani, S. (1976).同位体分離. イリノイ州ヒンズデール: アメリカ原子力協会.
^ Kogan, A. ( 1998). 「太陽熱による水の直接分解と生成物のオンサイト分離 - II. 実験的実現可能性調査」。International Journal of Hydrogen Energy。23 ( 2)。イギリス：Elsevier Science Ltd：89– 98。Bibcode ：1998IJHE...23...89K。doi ：10.1016/S0360-3199(97)00038-4。

[1] 山本健、パック DC、管を通る過渡的自由分子流、希薄気体力学、第 11 回国際シンポジウム議事録、フランス、カンヌ、1978 年 7 月 3 ～ 8 日。第 1 巻。(A80-34876 14-77) パリ、原子エネルギー委員会、1979 年、p. 207-218。

[2] クヌーセン数は次のように定義される無次元数です:ここで=平均自由行程[L ¹ ]、= 代表的な物理的長さスケール [L ¹ ]。
$\mathrm {Kn} \ ={\frac {\lambda }{L}},$
$\lambda$ $L$

[3] ローレンドー、ノーマンド M. (2005). 統計熱力学:基礎と応用. ニューヨーク:ケンブリッジ大学出版局. p. 434. ISBN 0-521-84635-8. OCLC 71819273.

[4] スンデン、ベングト;フー、フアン（2016）。航空宇宙用途における熱伝達。エルゼビア株式会社p. 61.ISBN 978-0-12-809761-8. OCLC 961337485.

[5] 「クヌーセンフローとは何か？」。ライボルト真空アカデミーナレッジセンター。 2024年8月19日閲覧。

[6] Guo, Yangyu; Wang, Moran (2015). 「フォノン流体力学とナノスケール熱輸送への応用」. Physics Reports . 595. 4.1.1 マイクロスケールガス流の速度滑り境界. Bibcode :2015PhR...595....1G. doi :10.1016/j.physrep.2015.07.003. ISSN 0370-1573.

[7] Roth, A. (1990).真空技術 - 第3版、更新および拡大版。エルゼビア。pp. 62– 64。

[8] Villani, S. (1976).同位体分離. イリノイ州ヒンズデール: アメリカ原子力協会.

[9] ^ Kogan, A. ( 1998). 「太陽熱による水の直接分解と生成物のオンサイト分離 - II. 実験的実現可能性調査」。International Journal of Hydrogen Energy。23 ( 2)。イギリス：Elsevier Science Ltd：89– 98。Bibcode ：1998IJHE...23...89K。doi ：10.1016/S0360-3199(97)00038-4。