§ 52. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ВАКУУМЕ

Рассмотрим теплопередачу между двумя пластинками с температурами в условиях вакуума. В первом приближении будем полагать, что молекулы газа, столкнувшиеся с первой пластинкой, приобретают энергию, соответствующую температуре температура же будет характеризовать энергию молекул, столкнувшихся со второй пластинкой. Легко понять, что между пластинками

Рис. 5.6.

Рис. 5.7.

Рис. 5.8.

возникает перенос энергии практически несталкивающимися молекулами. При этом внутри газа будет отсутствовать градиент температуры.

Запишем выражение для плотности потока внутренней энергии в направлении от пластинки 1 к пластинке 2 (рис. 5.6):

Здесь теплоемкость при постоянном объеме, приходящаяся на одну молекулу. Соответствующая плотность потока энергии в обратном направлении равна:

где и с — средние значения концентрации молекул и скорости их теплового движения. Разность очевидно, определит плотность теплопередачи (передачу теплоты через единицу площади за единицу времени):

Воспользовавшись соотношением перепишем (52.3) в виде

здесь удельная теплоемкость газа при постоянном объеме. Полученный результат показывает, что теплопередача в условиях вакуума пропорциональна плотности газа.

В действительности в условиях вакуума степень контакта падающих молекул со стенками недостаточна для передачи им при отражении средней энергии, соответствующей температуре твердого тела; при этом возникают скачки температур на границе газа со стенками. При учете последнего обстоятельства формула (52.5) принимает вид

где коэффициент аккомодации, учитывающий указанные выше скачки температур и зависящий от свойств газа и поверхностей твердых тел.

Зависимость теплопроводности газов от давления в условиях вакуума можно наблюдать с помощью устройства, изображенного на рисунке 5.7. Через две трубки 1 и 2, соединенные резиновой пробкой А, протянута проволока, нагреваемая электрическим током до красного свечения. Если из трубки 2 через отросток В выкачивать воздух форвакуумным насосом, то свечение проволоки в этой

трубке из красного переходит в более высокотемпературное (белое) вследствие уменьшения отвода теплоты газовой средой.

Согласно (52.6) понижением давления теплопроводность в вакууме можно сделать чрезвычайно малой. Это обстоятельство используется в сосудах Дьюара (рис. 5.8), предназначенных для хранения сжиженных газов и осуществления адиабатичности в ряде устройств. Сосуды Дьюара имеют двойные стенки, между которыми создается высокий вакуум, благодаря чему теплопроводность сосудов чрезвычайно мала. Передача теплоты извне в такого рода сосуды осуществляется главным образом излучением, для уменьшения которого стенки сосудов покрываются тонким слоем серебра.