Дифузія газів

ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 5 ЯВИЩА ПЕРЕНЕСЕННЯ

5.3. Дифузія газів

Дифузією називається явище взаємопроникнення двох або кількох речовин, які дотикаються одна до одної. Дифузія виникає в газі, якщо газ неоднорідний за складом, тобто якщо він складається з двох або кількох різних компонент, концентрація яких змінюється від точки до точки. Процес дифузії полягає у тому, що кожна з компонент суміші переходить із тих частин об’єму газу, де його концентрація більша, туди, де вона менша, тобто в напрямі падіння концентрації.

Переміщення тієї чи іншої компоненти під дією різниці концентрацій називається дифузійним потоком цієї компоненти. Виражається він кількістю дифундуючої компоненти, яка проходить за одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярної до напряму дифузії, тобто до напряму падіння концентрації.

Дифузійний потік можна виразити в одиницях маси. У СІ він виражається у кілограмах на квадратний метр-секунду, а в системі СГС – у грамах на квадратний сантиметр-секунду. Одиницею виміру дифузійного потоку може бути також число молів або молекул і т. д. Концентрація цієї компоненти може виражатися в кілограмах на кубічний метр (кг/м3), грамах на кубічний сантиметр (г/см3), моль на кубічний сантиметр (моль/см3) і т. д.

Неоднорідна газова суміш, на яку не впливають зовнішні фактори, стане

через певний час, завдяки дифузії, однорідною (гази перемішуються).

Дифузію, що приводить до вирівнювання концентрацій, тобто до зміни різниці концентрацій і самих концентрацій компонент, називають нестаціонарною дифузією.

Стаціонарна дифузія відбувається у газовій системі, коли якимось штучним шляхом різниця концентрацій компонент суміші підтримується незмінною. Для цього потрібно, наприклад, в одну частину посудини неперервно добавляти таку компоненту, а з другої частини посудини відбирати її в такій самій кількості. Найчастіше доводиться мати справу з нестаціонарною дифузією.

Основний закон дифузії (закон Фіка). Досвід показує, що дифузійний потік будь-якої компоненти пропорційний градієнту концентрації цієї компоненти, взятому з оберненим знаком (закон Фіка).

Градієнтом будь-якої величини (скалярної) G, що залежить від координат, називають вектор, який характеризує зміни цієї величини у просторі. Надалі розглядатимемо випадки, коли величини G, які ми аналізуємо, змінюються лише вздовж якогось одного напряму, наприклад уздовж осі х. У цьому разі чисельне значення градієнта G (позначається grad G) дорівнює швидкості зміни величини G зі зміною х, тобто похідній  Дифузія газів або зміні величини G на одиницю довжини.

Якщо концентрація п певної компоненти газової суміші змінюється вздовж осі х, а по інших напрямах залишається однаковою, то градієнтом концентрації n називається величина grad n =  Дифузія газів.

Відповідно до основного закону дифузії (закону Фіка) запишемо:

 Дифузія газів

Де І – дифузійний потік заданої компоненти у напрямі осі х. Знак мінус у правій частині (5.11) вказує на те, що дифузійний потік спрямований у бік зменшення концентрації. Коефіцієнт D в рівнянні (5.11) називають коефіцієнтом дифузії. Суть його полягає в тому, що він чисельно дорівнює дифузійному потоку, коли градієнт концентрації становить 1.

Коефіцієнт дифузії у СІ виражається у квадратних метрах на секунду (м2/с), а у системі СГС – у квадратних сантиметрах на секунду (см2/с).

Проте слід мати на увазі, що в рівнянні (5.11) кількість речовини в обох частинах рівності виражають в однакових одиницях. Це означає, якщо потік дифундуючої компоненти виражати його масою М (кількість грамів, що протікає через 1 см2 за одиницю часу), то концентрація має виражатися кількістю цієї компоненти в 1 см3 суміші густиною ρ:

 Дифузія газів

Коефіцієнт дифузії D залежить від властивостей дифундуючої речовини і компонент. При стаціонарній дифузії градієнт концентрації залишається сталим (незмінним з часом). Тому залишається сталим також і дифузійний потік. У разі нестаціонарної дифузії градієнт концентрації змінюється (концентрації вирівнюються). Відповідно до цього змінюється з часом і дифузійний потік.



1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
Loading...

Склад наголос інтонація
Дифузія газів