§ 55. Диффузия газов в вакууме

Как известно, диффузия в газах происходит благодаря тепловым движениям молекул, и если бы она определялась только скоростью этих движений, то она протекала бы почти мгновенно. Только частые столкновения между молекулами делают диффузию весьма медленным процессом.

В вакууме, когда столкновений между молекулами нет, диффузия газов, проникновение одного газа в другой, действительно определяется скоростью тепловых движений молекул, и здесь это уже не медленный процесс. Не стесняемые столкновениями молекулы беспрепятственно проникают в любую часть сосуда, и диффузия происходит очень быстро.

Кроме скоростей молекулярных движений на диффузию влияют форма и размеры сосуда, в котором она происходит. Если диффузия происходит в цилиндрическом сосуде, то коэффициент диффузии (точнее, коэффициент самодиффузии) определяется следующей формулой:

где средняя скорость молекул и диаметр трубы.

От выражения для коэффициента диффузии плотного газа эта формула отличается тем, что вместо длины свободного пробега в нее входит диаметр трубы. Впрочем, в условиях вакуума расстояние между стенками сосуда как раз и может считаться длиной свободного пробега, так как именно со стенками и сталкиваются частицы.

Нестационарная диффузия. Следующий опыт иллюстрирует процесс диффузии в условиях вакуума. Хотя в этом опыте диффундирующие газы находятся при атмосферном давлении, тем не менее условия вакуума обеспечиваются тем, что газ диффундирует через пористое вещество, в котором размеры пор меньше длины свободного пробега при атмосферном давлении. Сосуд (рис. 65), изготовленный из пористого вещества (например, из необожженного фарфора), соединен с манометром Сосуд помещают в стакан, наполненный водородом (стакан В опрокинут, чтобы водород не улетучился). Тотчас же давление в сосуде А, который до этого, естественно, был наполнен атмосферным воздухом, начинает повышаться. Это о бшруживается по разности уровней жидкости в обоих коленах манометра После того как давление в сосуде А достигнет некоторой максимальной величины, оно начинает падать и достигает в конце концов исходного значения. Если после этого убрать стакан с водородом, давление в сосуде А падает ниже атмосферного, доходит теперь уже до некоторого минимального значения, а затем через некоторое время снова достигает первоначального значения. Все это просто объясняется различием в скорости тепловых движений молекул водорода и воздуха.

Рис. 65.

Действительно, вначале, когда внутри сосуда А был чистый воздух, а снаружи (в стакане В) водород, молекулы последнего проникали в А с большей скоростью, чем молекулы воздуха диффундировали из Поэтому давление в сосуде А возрастало.

Под действием возникшей разности давлений смесь начинает течь наружу и давление выравнивается.

После того как стакан с водородом удаляется, сосуд снова оказывается окруженным атмосферным воздухом, тогда как внутри него находится смесь воздуха с водородом. Молекулы водорода, как более легкие, снова, теперь уже наружу, диффундируют сквозь порйстые стенки сосуда А, и так как встречная диффузия воздуха в А происходит медленнее, то давление внутри сосуда падает.

Описанный опыт представляет собой пример нестационарной диффузии, поскольку концентрация диффундирующего газа непрерывно изменяется. Но он дает весьма наглядное представление о механизме диффузии.