Диффузия газов

Диффузия – самопроизвольное взаимное проникновение и перемешивание частиц соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел.

Рассмотрим это явление вначале с макроскопической точки зрения, а затем с позиции молекулярно-кинетической теории.

В химически чистых газах диффузия возникает вследствие неодинаковой плотности в различных частях объема газа. В случае смеси газов причиной диффузии является различие в концентрациях отдельных газов в разных частях объема смеси. Если это явление не осложнено изменением температуры по объему газа, то оно заключается в переносе массы газа из мест с большей концентрацией данного газа в места с меньшей концентрацией.

Пусть площадка перпендикулярна оси Х (рис.1) и пусть в двух точках, отстоящих друг от друга на , плотность газа отличается на величину .

Экспериментально установлено, что масса вещества, переносимая при диффузии через площадку за время , подчиняется закону Фика:

. (1)

Т. е., масса газа , которая переносится за временя через площадку , прямо пропорциональна прямо пропорциональна величине этой площадки, времени и градиенту плотности .

Знак минус в формуле (1) указывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

– градиент плотности, т. е. изменение плотности, приходящееся на единицу длины, в направлении наиболее быстрого её возрастания.

Градиент – мера измерения какой-либо физической величины при перемещении на единицу длины в направлении наиболее быстрого её возрастания. Если отношение непостоянно, его следует заменить производной . (В общем случае, градиент – вектор, своим направлением указывающий направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой, а по величине равный быстроте роста этой величины в этом направлении: .)

Величина D называется коэффициентом диффузии.

Коэффициент диффузии – физическая величина, численно равная массе вещества, переносимого через единицу поверхности за единицу времени при градиенте плотности, равном единице:

, .

С точки зрения молекулярно-кинетической теории коэффициент диффузии определяется формулой:

, (2)

где – средняя арифметическая скорость молекул; – средняя длина свободного пробега молекул.