التدفق الجزيئي الحر

يصف التدفق الجزيئي الحر ديناميكيات الموائع الغازية عندما يكون متوسط ​​المسار الحر للجزيئات أكبر من حجم الحجرة أو الجسم قيد الاختبار. بالنسبة للأنابيب/الأجسام التي يبلغ حجمها عدة سنتيمترات، يعني هذا ضغوطًا أقل بكثير من 10⁻³ ^ملي بار . يُطلق على هذا أيضًا نظام الفراغ العالي ، أو حتى الفراغ فائق العلو . وهذا يُعارض التدفق اللزج الذي يُصادف عند ضغوط أعلى. ^{[ 1 ]} يمكن حساب وجود التدفق الجزيئي الحر، على الأقل تقديريًا، باستخدام عدد كنودسن (Kn). ^{[ 2 ]} إذا كان Kn > 10، فإن النظام يكون في حالة تدفق جزيئي حر، ^{[ 3 ]} يُعرف أيضًا باسم تدفق كنودسن. ^{[ 4 ]} عُرِّف تدفق كنودسن بأنه النطاق الانتقالي بين التدفق اللزج والتدفق الجزيئي، وهو ذو أهمية في نطاق الفراغ المتوسط ​​حيث λ ≈ d. ^{[ 5 ]}

يمكن تصنيف تدفق الغاز إلى أربعة أنظمة: عندما تكون قيمة Kn ≤ 0.001، يكون التدفق مستمرًا وتُطبق معادلات نافيير-ستوكس ، وعندما تكون قيمة Kn من 0.001 إلى 0.1، يحدث تدفق انزلاقي، وعندما تكون قيمة Kn من 0.1 إلى 10، يحدث تدفق انتقالي أو ديناميكيات الغاز المخفف ، وعندما تكون قيمة Kn ≥ 10، يحدث تدفق جزيئي حر. ^{[ 6 ]}

في التدفق الجزيئي الحر، يُمكن اعتبار ضغط الغاز المتبقي معدومًا فعليًا. وبالتالي، لا تعتمد درجات الغليان على الضغط المتبقي. يُمكن اعتبار التدفق عبارة عن جزيئات منفردة تتحرك في خطوط مستقيمة. عمليًا، لا يستطيع "البخار" التحرك حول المنحنيات أو إلى الفراغات خلف العوائق، لأنه يصطدم بجدار الأنبوب. هذا يعني أنه لا يُمكن استخدام المضخات التقليدية، لأنها تعتمد على التدفق اللزج وضغط السائل. بدلًا من ذلك، تُستخدم مضخات امتصاص خاصة ، ومضخات أيونية ، ومضخات نقل الزخم، أي المضخات التوربينية الجزيئية .

يحدث التدفق الجزيئي الحر في عمليات مختلفة مثل التقطير الجزيئي ، ومعدات الفراغ العالي للغاية مثل مسرعات الجسيمات ، وبشكل طبيعي في الفضاء الخارجي .

يعتمد تعريف التدفق الجزيئي الحر على مقياس المسافة قيد الدراسة. فعلى سبيل المثال، في الوسط بين الكواكب ، يكون البلازما في نظام تدفق جزيئي حر على نطاقات أقل من وحدة فلكية واحدة ؛ وبالتالي، تتعرض الكواكب والأقمار فعليًا لقصف الجسيمات. مع ذلك، على نطاقات أكبر، يُلاحظ سلوك شبيه بالسوائل، لأن احتمالية تصادم الجسيمات تصبح كبيرة.

يصف تدفق كنودسن حركة السوائل عندما يكون عدد كنودسن قريبًا من الواحد، أي عندما يكون الطول المميز في حيز التدفق من نفس رتبة مقدار متوسط ​​المسار الحر . ويُذكر، بحسب المصدر، نطاق يتراوح بين 0.1 و10 لحدوث تدفق كنودسن. ويُطلق على هذا النوع من التدفق أسماء أخرى مثل التدفق الوسيط أو الانتقالي أو الانزلاقي، لأنه يمثل حالة انتقالية بين التدفق الجزيئي الحر والتدفق اللزج . وبالتالي، يتحدد تدفق السوائل في ظل ظروف تدفق كنودسن بالظواهر الجزيئية واللزوجة معًا. ^{[ 7 ]}

• معادلة كنودسن – وصف تدفق الغاز في التدفق الجزيئي الحر 
• عدد كنودسن – عدد لا بُعدي يتعلق بمتوسط ​​المسار الحر للجسيم