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克努森流

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克努森流(Knudsen flow)[1]也稱為自由分子流(Free molecular flow)是指流體空間的平均自由程大於其特徵尺度流體動力學。針對尺寸數公分的管道或是物體,這代表其壓力小於10−3mbar。這也是高真空甚至超高真空英语ultra-high vacuum的範圍,和較高壓力下出現的粘性流(viscous flow)不同[2]。是否有克努森流可以用克努森數(Kn)來計算或是估計。若Kn > 10,則為克努森流[3]。克努森流得名自丹麥科學家馬丁·克努森英语Martin Knudsen

克努森流下的氣體壓力可以視為接近零。沸點和殘餘壓力無關。流體可以視為是延直線運動的殘留粒子。其「氣體粒子」無法轉彎,也無法到達其他粒子後的空間,因此會直接撞到管壁。傳統的是使用粘性流及流體壓力,無法在此情形下使用,此時需使用特殊的吸附泵英语sorption pump离子泵以及渦輪分子泵英语turbomolecular pump

克努森流常用在分子蒸餾英语molecular distillation超高真空英语ultra-high vacuum設備(如粒子加速器),也用在外太空。

利用克努森流的分离过程

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若氣體通過薄壁上的一個小孔,符合克努森流的定義,通過小孔的分子數和氣體壓力成正比,和分子質量成反比,因此若氣體是由不同分子量的氣體混合而成,可以用此方式進行部份分離。像同位素就是利用多孔薄膜以此方式分離[4]。此方式也成功的應用在製氫英语Hydrogen production上,先利用太陽能或是其他能量來源將水加熱,再將產生的氣體混合物以此方式分離出氫氣[5]

相關條目

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  • 克努森氣體:平均自由徑大於包含分子容器的直徑的氣體。

參考資料

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  1. ^ Sundén, Bengt; Fu, Juan. Heat Transfer in Aerospace Applications.. Elsevier Ltd. 2016: 61. ISBN 978-0-12-809761-8. OCLC 961337485. 
  2. ^ Yamamoto, K.; Pack, D. C.; Transient free molecular flow through a tube; Rarefied gas dynamics; Proceedings of the Eleventh International Symposium, Cannes, France, July 3-8, 1978. Volume 1. (A80-34876 14-77) Paris, Commissariat a l'Energie Atomique, 1979, p. 207-218.
  3. ^ Laurendeau, Normand M. Statistical thermodynamics : fundamentals and applications. New York: Cambridge University Press. 2005: 434. ISBN 0-521-84635-8. OCLC 71819273. 
  4. ^ Villani, S. Isotope Separation. Hinsdale, Ill.: American Nuclear Society. 1976. 
  5. ^ Kogan, A. Direct solar thermal splitting of water and on-site separation of the products - II. Experimental feasibility study. Int. J. Hydrogen Energy (Great Britain: Elsevier Science Ltd). 1998, 23 (2): 89–98. doi:10.1016/S0360-3199(97)00038-4.