Efuzja (fizyka)

Ten artykuł dotyczy tematu związanego z fizyką. Zobacz też: Efuzja (geologia).

Efuzja (z łac. efussio – wylew) – wypływ gazu (lub cieczy) przez bardzo mały otwór lub porowatą barierę^[1].

Formalny opis efuzji zależy od ciśnienia gazu.

Efuzja przy bardzo małym ciśnieniu

Gdy różnica ciśnień po obu stronach otworu jest niewielka a średnica otworu jest mała w porównaniu ze średnią drogą swobodną molekuły, wówczas wypływ gazu jest swobodnym ruchem molekuł przez otwór.

Szybkość efuzji przy małym ciśnieniu wynika z ruchu cząsteczek gazu.

Gdy z jednej strony przegrody jest gaz, a z drugiej próżnia, masę cząsteczek przepływających w jednostce czasu przez otwór o powierzchni ${\displaystyle (S)}$ określa wzór^[2]

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{4}}\rho {\overline {c}}S=pS{\sqrt {\frac {M}{2\pi RT}}}=S{\sqrt {\frac {p\rho }{2\pi }}}.}$

Z wzoru tego wynika prawo Grahama podające stosunek wydatków w molowych ${\displaystyle (R){:}}$

${\displaystyle n={\frac {m}{M}},}$

${\displaystyle R={\frac {p}{\sqrt {2\pi MRT}}},}$

${\displaystyle {\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\sqrt {\frac {M_{2}}{M_{1}}}},}$

gdzie:

${\displaystyle \mu }$ – wydatek masowy jednostki powierzchni, czyli masa przepływającego gazu w jednostce czasu z otworu o jednostkowej powierzchni,

${\displaystyle \rho }$ – gęstość gazu,

${\displaystyle {\overline {c}}}$ – średnia prędkość cząsteczek gazu,

${\displaystyle p}$ – ciśnienie,

${\displaystyle M}$ – masa cząsteczkowa gazu,

${\displaystyle R}$ – uniwersalna stała gazowa,

${\displaystyle T}$ – temperatura,

${\displaystyle S}$ – pole powierzchni otworu,

${\displaystyle R_{i}}$ – liczba moli substancji ${\displaystyle i,}$ która przepłynie przez otwór.

Efuzja przy dużym ciśnieniu

Gdy ciśnienie jest duże i droga swobodna cząsteczek jest mniejsza od średnicy otworów, wówczas wydajność objętościowa jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z gęstości gazów. Związek ten określany jest prawem Grahama. Jeżeli gazy spełniają równania gazów doskonałych, to zależność ta prowadzi do tej, opisanej w efuzji przy małym ciśnieniu.

Zastosowania

Efuzja stosowana jest do pomiaru bardzo małych, jak i bardzo dużych ciśnień, określania gęstości gazów. Wykorzystywana jest też do rozdzielania gazów. Jest stosowana do wzbogacania uranu przez efuzję fluorku uranu.

Zobacz też

• dyfuzja

Przypisy

Bibliografia

• Encyklopedia fizyki, praca zbiorowa, t. 1, s. 456, PWN 1973.