Выпот - Effusion

Не путать с Обливание.

Для использования в других целях см. Выпот (значения).

Изображение слева показывает излияние, а изображение справа показывает распространение. Выпот происходит через отверстие, меньшее, чем длина свободного пробега движущихся частиц, тогда как диффузия происходит через отверстие, через которое могут проходить несколько частиц одновременно.

По физике и химии, излияние это процесс, при котором газ выходит из контейнера через отверстие диаметром значительно меньше, чем длина свободного пробега молекул.^[1] Такое отверстие часто называют точечное отверстие а утечка газа происходит из-за разницы давлений между контейнером и внешней частью. В этих условиях практически все молекулы, которые достигают отверстия, продолжают движение и проходят через отверстие, поскольку столкновения между молекулами в области отверстия незначительны. И наоборот, когда диаметр больше, чем длина свободного пробега газа поток подчиняется Поток Сампсона закон.

В медицинской терминологии излияние относится к накоплению жидкости в анатомическое пространство, обычно без расположение. Конкретные примеры включают субдуральный, сосцевидный отросток, перикардиальный и плевральный выпот.

Излияние в вакуум

Вытекание из уравновешенного контейнера во внешний вакуум можно рассчитать на основе кинетическая теория.^[2] Число столкновений атомов или молекул со стенкой контейнера на единицу площади в единицу времени (скорость столкновения ) дан кем-то:

${\displaystyle {\begin{aligned}J_{\text{impingement}}&={\frac {P}{\sqrt {2\pi mk_{B}T}}}\end{aligned}}}$

Если небольшая площадь ${\displaystyle A}$ на контейнере пробивается небольшое отверстие, скорость эффузивного потока будет:

${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\text{effusion}}&=J_{\text{impingement}}\times A\\&={\frac {PA}{\sqrt {2\pi mk_{B}T}}}\\&={\frac {PAN_{A}}{\sqrt {2\pi MRT}}}\propto {\frac {1}{\sqrt {M}}}({\text{Graham's Law}})\end{aligned}}}$

Где ${\displaystyle M}$ это молярная масса. Обратите внимание, что внешний вакуум имеет нулевое давление, поэтому ${\displaystyle P}$ это разница давлений между двумя сторонами отверстия.

Средняя скорость истекающих частиц составляет:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\overline {v_{x}}}&={\overline {v_{y}}}=0\\{\overline {v_{z}}}&={\sqrt {\frac {\pi k_{B}T}{2m}}}\end{aligned}}}$

В сочетании с эффузивным потоком сила отдачи / тяги в самой системе составляет:

${\displaystyle F=m{\overline {v_{z}}}{\times }Q_{\text{effusion}}={\frac {PA}{2}}}$

Примером может служить сила отдачи воздушного шара с маленьким пробитым отверстием, летящего в вакууме.

Меры расхода

Посредством кинетическая теория газов, то кинетическая энергия для газа при температуре ${\displaystyle T}$,

${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv_{\rm {rms}}^{2}={\frac {3}{2}}k_{\rm {B}}T}$

куда ${\displaystyle m}$ - масса одной молекулы, ${\displaystyle v_{\rm {rms}}}$ это среднеквадратичная скорость молекул и ${\displaystyle k_{\rm {B}}}$ это Постоянная Больцмана. Среднюю молекулярную скорость можно рассчитать из Распределение скорости Максвелла в качестве ${\displaystyle v_{\rm {avg}}={\sqrt {8/3\pi }}\ v_{\rm {rms}}\approx 0.921\ v_{\rm {rms}}}$(или, что то же самое, ${\displaystyle v_{\rm {rms}}={\sqrt {3\pi /8}}\ v_{\rm {avg}}\approx 1.085\ v_{\rm {avg}}}$). Скорость, с которой газ молярная масса M излияния (обычно выражаются как номер молекул, проходящих через отверстие в секунду), тогда^[3]

${\displaystyle Rate={\frac {\Delta PAN_{A}}{\sqrt {2\pi MRT}}}}$,

Здесь ΔP - перепад давления газа через преграду, А площадь отверстия, N_А это Константа Авогадро, р это газовая постоянная и Т это абсолютная температура. Если предположить, что разница давлений между двумя сторонами барьера намного меньше, чем ${\displaystyle P_{\rm {avg}}}$, среднее абсолютное давление в системе (т.е. ${\displaystyle \Delta P\ll P_{\rm {avg}}}$), эффузионный поток можно выразить как объемный расход следующим образом:

${\displaystyle Q_{E}={\frac {\Delta Pd^{2}}{4P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi k_{B}T}{2m}}}}$

или же

${\displaystyle Q_{E}={\frac {\Delta Pd^{2}}{4P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi RT}{2M}}}}$

Где ${\displaystyle Q_{E}}$ - объемный расход газа, ${\displaystyle P_{\rm {avg}}}$ - среднее давление по обе стороны от отверстия, и ${\displaystyle d}$ диаметр отверстия.

Влияние молекулярной массы

При постоянном давлении и температуре среднеквадратичная скорость и, следовательно, скорость излияния обратно пропорциональны квадратному корню из молекулярной массы. Газы с более низкой молекулярной массой истекают быстрее, чем газы с более высокой молекулярной массой, так что номер более легких молекул, проходящих через отверстие в единицу времени, больше. Вот почему баллон с низким молекулярным весом гелий (M = 4) сдувается быстрее, чем эквивалентный баллон с более высокой молекулярной массой кислород (M = 32). Однако общая масса Количество убегающих молекул прямо пропорционально квадратному корню из молекулярной массы и меньше для более легких молекул.

Закон Грэма

Шотландский химик Томас Грэм (1805–1869) экспериментально обнаружили, что скорость истечения газа обратно пропорциональна квадратному корню из массы его частиц.^[4] Другими словами, соотношение скоростей истечения двух газов при одинаковых температуре и давлении определяется обратным соотношением квадратных корней из масс частиц газа.

${\displaystyle {{\mbox{Rate of effusion of gas}}_{1} \over {\mbox{Rate of effusion of gas}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}}$

куда ${\displaystyle M_{1}}$ и ${\displaystyle M_{2}}$ представляют собой молярные массы газов. Это уравнение известно как Закон излияния Грэма.

Скорость истечения газа напрямую зависит от средней скорости его частиц. Таким образом, чем быстрее движутся частицы газа, тем больше вероятность их прохождения через эффузионное отверстие.

Выпотная клетка Кнудсена

В Выпотная клетка Кнудсена используется для измерения давление пара твердого вещества с очень низким давлением пара. Такое твердое вещество образует пар при низком давлении за счет сублимация. Пар медленно выходит через точечное отверстие, и потеря массы пропорциональна давлению пара и может использоваться для определения этого давления.^[3] В тепло сублимации также может быть определено путем измерения давления пара как функции температуры, используя Соотношение Клаузиуса – Клапейрона.^[5]

Рекомендации

1. К.Дж. Лайдлер и Дж. Мейзер, Физическая химия, Бенджамин / Каммингс, 1982, с.18. ISBN  0-8053-5682-7
2. "5.62 Физическая химия II" (PDF). MIT OpenCourseWare.
3. Питер Аткинс и Хулио де Паула, Физическая химия (8-е изд., У. Х. Фриман, 2006) с.756. ISBN  0-7167-8759-8
4. Зумдал, Стивен С. (2008). Химические принципы. Бостон: издательство Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. п. 164. ISBN  978-0-547-19626-8.
5. Драго, Р. Физические методы в химии (У. Б. Сондерс 1977) с.563 ISBN  0-7216-3184-3