§ 53. ДИФФУЗИЯ В ВАКУУМЕ

Диффузионные процессы в вакуумных условиях называются эффузией газа. При эффузии наблюдается ряд своеобразных явлений, некоторые из них рассматриваются ниже.

Изотермическая эффузия однородного газа. Пусть одна часть газа при давлении отделена от другой его части находящейся при давлении перегородкой с отверстием (рис. 5.9), где k — длина свободного пробега. При определим массу газа, протекшею через отверстие в единицу времени Согласно § 34 число молекул, переходящих из области в область II за единицу времени, равно Поток молекул в противоположном направлении равен Результирующий перенос молекул за единицу времени из области в область II определится разностью:

Умножая на массу молекул получим:

Соотношение (53.2) было на опыте подтверждено Кнудсеном (1909 г.).

Изотермическая эффузия разнородных газов. Пусть в опыте, изображенном на рисунке 5.9, в разных частях сосуда содержатся при одинаковом давлении разные газы с сильно отличающимися по массе молекулами, например в части будет водород в части II — кислород Если открыть отверстие в перегородке то возникнут встречные эффузионные потоки кислорода и водорода, пропорциональные их средним скоростям теплового

Рис. 5.9.

движения. Так как то средняя скорость молекул водорода будет в четыре раза больше соответствующей скорости для кислорода: . В результате получается, что, хотя давление в обеих частях сосуда было одинаковым, поток молекул водорода окажется больше встречного потока молекул кислорода в четыре раза. Соответственно на первой стадии процесса эффузия приведет к появлению разиости давлений. Но в конечном результате, со временем, произойдет выравнивание концентраций водорода и кислорода и их парциальных давлений (вначале это произойдет для более быстрых молекул легкой компоненты, позже — для более тяжелой компоненты).

Пусть в схеме, изображенной на рисунке 5.9, в части будет смесь кислорода с водородом, в части же II— полный вакуум. Тогда, как очевидно, после открытия отверстия в перегородке начало процесса будет характеризоваться появлением в части II сосуда газовой смеси, обогащенной легкой компонентой — водородом.

Эффузия широко используется для разделения газовых смесей, компоненты которых являются разными изотопами (разными по массе, неодинаковыми по химическим свойствам атомами) одних и тех же химических элементов. Такого рода смеси разделить химическим способом не удается.

Принцип эффузионного разделения газовой смеси показан на рисунке 5.10. Исходная газовая смесь под давлением подается в часть прибора, отделенную от части II пористой перегородкой Малая часть смеси, проникшая в часть II прибора, обогащается легкой компонентой. Из части прибора выходит смесь, обогащенная тяжелой компонентой. В результате многократного повторения такого процесса удается получить газ, значительно обогащенный легким изотопом соответствующего химического элемента.

Термическая эффузия. Рассмотрим случай, когда в разных частях сосуда, разделенного перегородкой с отверстием, находится однокомпонентный газ при одинаковых давлениях и разных температурах: (рис. 5.9). Если открыть отверстие, то, несмотря на одинаковые давления в обеих частях прибора, возникнет преимущественный поток молекул в ту

Рис. 5.10.

Рис. 5.11.

часть сосуда, где температура ниже. Как было показано в § 46, эффузия прекратится при концентрациях молекул и , удовлетворяющих условию (46.8):

Учитывая, что найдем:

Таким образом, эффузионное равновесие при наличии разности температур в отличие от механического равновесия требует определенной разности давлений.

Опыты по наблюдению разности давлений между двумя неодинаково нагретыми частями газа, разделенными перегородкой с достаточно малыми отверстиями, были выполнены Рейнольдсом (1879 г.) и позднее Кнудсеном. Схема опытов показана на рисунке 5.11. Две части однокомпонентного газа разделены пористой перегородкой А и соединены между собой манометром Через металлическую стенку а газ в части охлаждается проточной водой, а в части II через стенку нагревается горячим паром. Опыт показал, что при достаточно малых давлениях в сосуде между его частями и II возникает разность давлений, фиксируемая манометром. Результаты опыта согласуются с расчетом, основанным на формуле (53.4).