2.7.1. Диффузия газа

Газ, находящийся в замкнутом объеме, благодаря хаотическому движению его молекул проявляет тенденцию к быстрому выравниванию концентрации и по возможности равномерному распределению частиц во всем объеме.

Явление переноса частиц одного газа по отношению к частицам другого (или того же самого) газа называется газовой диффузией. Механизм диффузии зависит от условий, в которых находится газ.

Для анализа явления диффузии рассмотрим замкнутый сосуд (фиг. 2.11), в объемах которого а и b при температуре Т находятся два разных газа, разделенные перегородкой z—z. Их давления ра и рb одинаковы (ра=рb)• Таким образом, в объеме а концентрация газа (а) равна nа, а концентрация газа (b) равна нулю; в объеме же b концентрация газа (b) равна nb, а газа (а) равна нулю. В момент устранения перегородки произойдет перемещение частиц газа (a) из объема а в направлении объема b, и наоборот.

Молекулярные условия

В молекулярных условиях молекулы обоих газов движутся 0ез взаимных столкновений, а поэтому выравнивание концентраций происходит почти мгновенно. При данных размерах сосуда это произойдет тем быстрее, чем больше скорость частиц V (чем выше температура и меньше масса частиц).

Вязкостные условия

В вязкостных условиях в момент устранения перегородки в плоскости z—z возникают градиенты концентраций dnа/dх и dnb/dх, вызывающие движение частиц газа (а) в направлении b и газа (b) в направлении а.

Количество частиц v'1(а), и v'1(b) соответствующих газов, протекающих за 1 с через 1 см2 сечения сосуда, может быть выражено на основании первого закона Фика:

в которых Dab и Dba — коэффициенты пропорциональности, называемые коэффициентами диффузии (отрицательные знаки в правой части формул объясняются тем, что молекулы газа движутся в направлениях, противоположных градиентам ) В каждый момент времени должно выполняться условие постоянства полного давления в сечении z — z:

Или

na+nb=const, откуда

а также

Поэтому

и

Это означает, что потоки частиц в обоих направлениях одинаковы (перемешивание газов происходит одновременно) а также что коэффициент диффузии газа (а) в газе (b) равен коэффициенту диффузии газа (b) в газе (а).

Коэффициент диффузии частиц газа (а), диффундирующих в такой же газ (а), можно назвать коэффициентом собственной диффузии (самодиффузии) Dа. В случае же диффузии газа (а) в газ (b) (или наоборот) это будет коэффициент взаимной диффузии (Dаb=Dbа).