Efuzja (fizyka)

Efuzja gazów

Efuzja, pochodząca z łacińskiego słowa efussio, oznacza wypływ gazu lub cieczy przez mały otwór lub porowatą barierę. Jej formalny opis zależy od ciśnienia gazu.

Efuzja przy niskim ciśnieniu

W przypadku niewielkiej różnicy ciśnień i małej średnicy otworu, wypływ gazu zachodzi swobodnie. Szybkość efuzji w takich warunkach jest determinowana przez ruch cząsteczek gazu. W sytuacji, gdy z jednej strony przegrody znajduje się gaz, a z drugiej próżnia, masę cząsteczek przepływających przez otwór o powierzchni $(S)$ można określić za pomocą wzoru:

$mu\; =\; \{frac\; 1\; 4\}\; rho\; overline\{c\}\; S\; =\; p\; S\; sqrtfrac\; \{M\}\{2\; pi\; R\; T\}\; =\; S\; sqrtfrac\; \{p\; rho\}\; \{2pi\}.$

Dzięki temu wzorowi można zrozumieć prawo Grahama, które podaje stosunek wydatków molowych:

• $n\; =\; frac\; m\; M$
• $R\; =\; frac\; \{p\}\; \{sqrt\; \{2\; pi\; MRT\}\}$
• $frac\; \{R\_1\}\; \{R\_2\}\; =\; sqrtfrac\; \{M\_2\}\; \{M\_1\}$

Gdzie:

• $mu$ – wydatek masowy jednostki powierzchni,
• $rho$ – gęstość gazu,
• $overline\{c\}$ – średnia prędkość cząsteczek,
• $p$ – ciśnienie,
• $M$ – masa cząsteczkowa gazu,
• $R$ – uniwersalna stała gazowa,
• $T$ – temperatura,
• $S$ – pole powierzchni otworu,
• $R\_i$ – liczba moli substancji $i$.

Efuzja przy wysokim ciśnieniu

W warunkach dużego ciśnienia, gdy droga swobodna cząsteczek jest mniejsza od średnicy otworów, wydajność objętościowa jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z gęstości gazów. To zależność również opisana przez prawo Grahama, które przy równaniach gazów doskonałych prowadzi do podobnych wyników jak w przypadku niskiego ciśnienia.

Zastosowania efuzji

Efuzja ma szerokie zastosowanie, w tym:

• Pomiar bardzo małych i dużych ciśnień,
• Określanie gęstości gazów,
• Separacja gazów,
• Wzbogacanie uranu przez efuzję fluorku uranu.