Газ Кнудсена сквозь призму Статической теории газов (СТГ)
Публикации на профильных ресурсах приносят бесценный опыт и обратную связь. Читатели не только поддерживают идеи, но и делятся редкими техническими материалами, а также подвергают мои гипотезы жесткой критике с позиций общепринятых теорий. Именно этот критический взгляд позволяет находить новые аргументы и, при необходимости, корректировать собственные модели.
Так, в ходе обсуждения принципов работы вихревой трубки Ранка-Хилша (ВТР), я пересмотрел свои взгляды на температуру воздушной струи непосредственно на срезе дросселя. Обновленная расчетная модель показала цифры, которые гораздо точнее согласуются с практическими экспериментами. Текущая статья родилась благодаря очередному замечанию «активного критика», который подтолкнул меня к изучению явлений, идеально укладывающихся в логику Статической теории газов (СТГ).
Эффект «запирания» наноканалов и кнудсеновский газ
Тема «газа Кнудсена» возникла в споре с приверженцем молекулярно-кинетической теории (МКТ). Пытаясь опровергнуть мои доводы о статичном расположении молекул, оппонент привел в пример течение газов в нанометровых каналах. Однако результат оказался обратным: явление «запирания» каналов кнудсеновским газом стало еще одним подтверждением СТГ.
В литературе этот процесс описывается как кнудсеновская диффузия. На практике он проявляется в том, что пористые материалы становятся практически непроницаемыми для газов при определенных условиях (низкое давление или крайне малый диаметр пор).
Газ Кнудсена — это состояние, при котором среднее расстояние между молекулами сопоставимо с размерами сосуда или канала, в котором он находится. Согласно формулировке специалистов из ИТМО, критерий Кнудсена определяется соотношением длины свободного пробега (в МКТ) или среднего расстояния (в СТГ) к диаметру канала.
Для воздуха при стандартных условиях (20 °C, 1 атм) характерное расстояние между молекулами составляет около 3,3 нм. Расчет прост: молярный объем (0,0224 м³/моль) делится на число Авогадро (6 * 10²³), и из результата извлекается кубический корень.
Расхождение МКТ и СТГ:
Согласно МКТ, диаметр молекул азота или кислорода составляет менее 0,4 нм. Это значит, что в канале диаметром 1 нм молекулы («бильярдные шары») должны пролетать свободно. Однако в реальности наблюдается «запирание». СТГ объясняет это тем, что молекула — это не просто твердый объект, а центр силового поля отталкивания. Если диаметр канала меньше диаметра этой «сферы влияния» (индивидуального объема), молекула просто не может в него протиснуться.
Моделирование взаимодействия по СТГ
Если представить газ не как хаотично летящие частицы, а как структуру из молекул, окруженных полями отталкивания («индивидуальными объемами»), картина становится наглядной.
При контакте газа с твердой стенкой возможны два сценария:
- Вариант А: Газ отталкивается от поверхности, не касаясь её физически.
- Вариант Б: Происходит «адсорбция» — влипание первого слоя молекул в структуру стенки.
В наноканалах диаметром меньше критического (d < D) газ блокируется собственными полями отталкивания. Но если канал чуть шире или на систему действуют внешние факторы (вибрация, градиент температур), начинается медленное просачивание.
Эффект Кнудсена и температурное движение
Эффект Кнудсена заключается в перемещении газа через пористую перегородку из холодной области в теплую при изначально равном давлении. В рамках СТГ это объясняется изменением «индивидуального объема»: у нагретого газа сфера отталкивания больше. Молекулы холодного газа, имея меньший эффективный диаметр, легче проникают в каналы, создавая поток в сторону более разреженного (с точки зрения плотности частиц) теплого газа.
Этот процесс напоминает работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), где холодный воздух входит в узкое сопло, расширяется при нагреве и выбрасывается с высокой скоростью.
Сила межмолекулярного отталкивания (F) прямо зависит от температуры (T) и обратно пропорциональна расстоянию между молекулами (D):
F = RT / (D * Na)
Адсорбция в нанопорах: работа кислородных концентраторов
Работа современных концентраторов кислорода основана на селективной адсорбции азота цеолитами. Цеолит — это пористый материал с нанометровой структурой каналов. При повышении давления азот буквально «впрессовывается» в поры, в то время как кислород проходит насквозь.
Объяснение через СТГ:
Азот обладает сродством к поверхности цеолита. Прилипая к стенкам пор, молекулы азота «обрезают» часть своего поля отталкивания (ауры), что позволяет им упаковываться гораздо плотнее, чем в свободном пространстве. Расчеты показывают, что в порах может содержаться в 6 раз больше газа, чем в пустом баллоне при том же давлении.
Кислород же не имеет такого сродства к стенкам цеолита. Его «аура» остается целой, и из-за этого он просто не может войти в узкие поры, уже занятые «прилипшим» азотом. Таким образом, СТГ дает четкое механическое объяснение разделению газов, в то время как МКТ вынуждена полагаться на сложные статистические коэффициенты.
Выводы
Статическая теория газа предлагает элегантное и логичное объяснение явлений, происходящих в микро- и нано-масштабах:
- Кнудсеновский газ: запирание каналов происходит из-за превышения диаметра силового поля молекулы над диаметром отверстия.
- Эффект Кнудсена: перетекание газа обусловлено разницей в «индивидуальных объемах» молекул при разных температурах.
- Работа адсорберов: высокая емкость цеолитов объясняется геометрическим «обрезанием» полей отталкивания молекул при их контакте со стенками нанопор.
Если задаться вопросом, где находятся две молекулы в пустом сосуде, СТГ дает два варианта: либо они прилипнут к стенкам максимально далеко друг от друга (адсорбция), либо займут положение силового равновесия в объеме, отталкиваясь и друг от друга, и от стенок.
