Régimenes de flujo en la teoría cinética de los gases
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La trayectoria libre media (TLM) de las moléculas aumenta cuando se reduce la presión del gas, y a una presión suficientemente baja la (TLM) es tan grande que las moléculas empiezan a rebotar de pared en pared del canal de flujo más bien que colisionar una con otra. Cuando esto ocurre el carácter del flujo cambia. Por consiguiente, se presentan diferentes regímenes de flujo dependiendo del valor de la razón a partir del número de Knudsen (Kn).
Flujo laminar ordinario (Kn<<1)
Se aplica la ley de Poiseuille. El flujo en este régimen se basa en las siguientes dos hipótesis:
- (a) z = (viscosidas/gc)* (du/dy) con viscosidad = constante.
- (b) la velocidad en la pared es cero.
Flujo intermedio o de deslizamiento (Kn = 1)
En este caso el supuesto (b) empieza a no cumplirse.
Flujo molecular (Kn>1)
En este caso hay muy pocas colisiones entre las moléculas. La mayoría de las colisiones son con la pared. Por tanto el concepto de viscosidad no tiene significado y el supuesto (a) empieza también a no cumplirse.
La trayectoria libre media de las moléculas gaseosas varía con la presión, y de la teoría cinética de los gases se encuentra que es aproximadamente
En un extremo del sistema el fluido puede estar en un régimen, en el otro extremo en el otro. Además, al efectuar el vacío en un sistema, la presión disminuye con el tiempo, consecuentemente la velocidad másica disminuye, y el número de Reynolds se hace muy pequeño. Por consiguiente, la transición es desde flujo laminar a molecular, rara vez desde flujo turbulento a molecular.
Flujo laminar
En este régimen se supone que no hay colisiones entre las moléculas, éstas simplemente rebotan de pared en pared del tubo.
Sea f = fracción de moléculas reflejadas difusamente.
Para estas Knudsen demostró que el número que se reflejan según un ángulo determinado, viene dado por n=kcos(ángulo). Entonces 1-f=fracción reflejado por colisión elástica. f=0.77->tuberías cobre y vidrio. f=0.9->tuberías hierro. Aunque suponemos f=1.