El flujo molecular libre describe la dinámica de fluidos de un gas donde el recorrido libre medio de las moléculas es mayor que el tamaño de la cámara o del objeto en prueba. Para tubos/objetos de varios cm de tamaño, esto significa presiones muy por debajo de 10 −3 mbar . Esto también se denomina régimen de alto vacío o incluso de ultra alto vacío . Esto se opone al flujo viscoso que se encuentra a presiones más altas. [1] La presencia de flujo molecular libre se puede calcular, al menos en estimación, con el número de Knudsen (Kn). [2] Si Kn > 10, el sistema está en flujo molecular libre, [3] también conocido como flujo de Knudsen. [4] El flujo de Knudsen se ha definido como el rango de transición entre el flujo viscoso y el flujo molecular, que es significativo en el rango de vacío medio donde λ ≈ d. [5]
El flujo de gas se puede agrupar en cuatro regímenes: para Kn≤0,001, el flujo es continuo y son aplicables las ecuaciones de Navier-Stokes , desde 0,001<Kn<0,1, se produce un flujo de deslizamiento, desde 0,1≤Kn<10, se produce un flujo transicional y para Kn≥10, se produce un flujo molecular libre. [6]
En el flujo molecular libre, la presión del gas restante puede considerarse prácticamente nula. Por tanto, los puntos de ebullición no dependen de la presión residual. El flujo puede considerarse como partículas individuales que se mueven en línea recta. En la práctica, el "vapor" no puede moverse por curvas ni hacia otros espacios detrás de obstáculos, ya que simplemente choca contra la pared del tubo. Esto implica que no se pueden utilizar bombas convencionales, ya que dependen del flujo viscoso y de la presión del fluido. En su lugar, se utilizan bombas de sorción especiales , bombas de iones y bombas de transferencia de momento, es decir, bombas turbomoleculares .
El flujo molecular libre ocurre en diversos procesos como la destilación molecular , los equipos de ultra alto vacío como los aceleradores de partículas y, naturalmente, en el espacio exterior .
La definición de flujo molecular libre depende de la escala de distancia considerada. Por ejemplo, en el medio interplanetario , el plasma se encuentra en un régimen de flujo molecular libre en escalas menores a 1 UA; por lo tanto, los planetas y las lunas están efectivamente bajo bombardeo de partículas. Sin embargo, en escalas mayores, se observa un comportamiento similar al de un fluido, porque la probabilidad de colisiones entre partículas se vuelve significativa.
El flujo de Knudsen describe el movimiento de fluidos con un número de Knudsen cercano a la unidad, es decir, donde la longitud característica en el espacio de flujo es del mismo orden de magnitud que el camino libre medio . Dependiendo de la fuente hay un rango mencionado de 0,1<Kn<10 para el cual ocurre el flujo de Knudsen. Otros nombres para este régimen de flujo son flujo intermedio, transicional o de deslizamiento, ya que representa un estado de transición entre el flujo molecular libre y el flujo viscoso . Así, el flujo de fluidos en condiciones de flujo de Knudsen se establece tanto por fenómenos moleculares como por la viscosidad. [7]
En el caso de un gas que pasa a través de pequeños orificios en una pared delgada en el régimen de flujo de Knudsen, el número de moléculas que pasan a través de un orificio es proporcional a la presión del gas e inversamente proporcional a su masa molecular. Por lo tanto, es posible efectuar una separación parcial de una mezcla de gases si los componentes tienen diferentes masas moleculares. La técnica se utiliza para separar mezclas isotópicas , como el uranio , mediante difusión gaseosa a través de membranas porosas. [8] También se ha demostrado con éxito su uso en la producción de hidrógeno , como técnica para separar el hidrógeno de la mezcla de productos gaseosos creada cuando el agua se calienta a altas temperaturas utilizando energía solar u otras fuentes de energía. [9]
