Диффузия газов

Диффузия газов

Это процесс самопроизвольного выравнивания плотностей (концентраций) в смеси, обусловленный тепловым движением микрочастиц.

Если среда однокомпонентная, то речь пойдет о самодиффузии. Перенос больших масс газа в результате конвекционных потоков составляет молярный перенос. Выравнивание плотности в газе в процессе диффузии осуществляется вследствие переноса массы в направлении уменьшения плотности. Диффузия – процесс необратимый. Вообще процесс диффузии нестационарный, так как при этом происходит выравнивание различий плотностей. Искусственно можно создать и стационарную диффузию, определенным образом поддерживая постоянными разницы плотностей в газе.

Самодиффузия

Рассмотрим стационарную самодиффузии в газах. Основным исследовательским законом самодиффузии является закон Фика, согласно которому поверхностная плотность потока массы $jm$ пропорциональна градиенту плотности $\frac{d\rho }{dx}$

${{j}_{m}}=-D\frac{d\rho }{dx}$

где $D$ – коэффициент диффузии (самодиффузии), м2/с.

Коэффициент диффузии зависит от физико-химических свойств вещества, которое диффундирует и свойств других компонентов системы. При значительных плотностях он также зависит и от плотности.

Закон Фика в первом приближении является верным и для конденсированных тел (жидкостей и твердых тел и их растворов).

Взаимная диффузия

Для смеси газов характерна взаимная диффузия.

Такие смеси используются во многих технологических процессах как специальные среды, а также для дыхания под водой, под землей, в высотных и космических полетах и тому подобное.

Коэффициент взаимной диффузии D12 одного компонента газовой смеси в другом определяется следующим выражением:

${{D}_{12}}=\frac{1}{3}\left( \frac{{{\rho }_{2}}}{\rho }{{l}_{1}}{{v}_{1}}+\frac{{{\rho }_{1}}}{\rho }{{l}_{2}}{{v}_{2}} \right),$

где индексы 1 и 2 относятся к первому и второму компонентам смеси;
$ρ_1/ρ$ и $ρ_2/ρ$ – относительные концентрации компонентов;
$ρ$ – плотность смеси.

При $ρ_1/ρ << l ρ_2/ρ → l$, ${{D}_{12}}=D=\frac{1}{3}{{v}_{1}}{{l}_{1}}$

Таким образом, структура коэффициента самодиффузии D12 характерна и для смеси газов, если концентрация одного из компонентов незначительна.

На практике мы имеем дело с нестационарной диффузии. Для определенной области переменными величинами являются концентрация и градиенты концентраций компонентов. Расчеты кинетики нестационарной диффузии сводятся к нахождению эволюции полей плотности (концентрации) со временем для определенной области благодаря решению дифференциального уравнения при заданных начальных и граничных условиях.

Термодиффузия

Кроме изотермической диффузии газов во многих физических явлениях большую роль играет термодиффузия. Она обусловлена наличием в газовой смеси (растворе) градиента температуры.

Речь идет о возникновении в газовой смеси grad С при наличии grad Т. Это явление впервые открыл в 1856 году К. Людвиг в растворах. В 1879-1881 гг. Ч. Cope исследовал и объяснил это явление, которое получило название эффекта Cope. В 1873 Д. Дюфор наблюдал возникновения разности температур при диффузии одного газа в другой (эффект Дюфора). В газах эта разница температур $ΔT$ составляет несколько градусов.

Эффект термодиффузии в газах теоретически обнаружил Д. Энског (1911 г.) и независимо от него С. Чепмен (1912 р.). Экспериментально явление подтвердили С. Чепмен и Ф. Дутсон (в 1916 г…) на смесях газов. Термодиффузия в газовых смесях происходит одновременно с диффузией. Эти два противоположно направленные процесса должны привести к установлению равновесного градиента концентрации.

Термодиффузия – достаточно сложное явление, которое нельзя объяснить простыми молекулярно-кинетическими представлениями.

В отличие от коэффициента диффузии, который довольно слабо зависит от концентрации, коэффициент термодиффузии DT пропорционален произведению концентраций обоих компонентов:

$\frac{{{D}_{T}}}{{{D}_{12}}}=\alpha C(1-C)$

где $α$ – константа термодиффузии.

Статья по физике на заказ от проверенных исполнителей!

Тест по теме «Диффузия газов»