Диффузия газов

Представим себе два различных газа, помещенных в замкнутый сосуд и разделенных непроницаемой перегородкой (рис. 1.5). Пока перегородка не удалена, она, как и остальные стенки сосуда, испытывает удары молекул обоих газов; однако благодаря непроницаемости перегородки молекулярные концентрации газов сохраняются неизменными, каждая в своей части сосуда.
С удалением перегородки независимо от того, расположен ли сверху более тяжелый или более легкий газ, оба газа распространяются по всему объему сосуда.
В случае низкого вакуума (рис. 1.5), вследствие взаимных столкновений (λ « d), молекулы газа движутся, как мы знаем, по пространственным ломаным линиям, прямолинейные участки которых могут иметь всевозможные длины и направления. Однако в результате этого движения каждый газ перемещается преимущественно в сторону своей меньшей концентрации, т. е. по линии d (один газ вверх, другой — вниз), и концентрации обоих газов постепенно выравниваются во всем объеме. Это явление называется взаимной диффузией газов.

Число молекул газа, диффундирующее в единицу времени в среду другого газа (dN/dt) через поверхность (F), перпендикулярную направлению диффузии (l), пропорционально этой поверхности и падению концентрации на единице длины  

Множитель D называется коэффициентом диффузии.
Если значения D одинаковы для обоих газов, то D называется коэффициентом взаимной диффузии.
Чтобы получить представление о влиянии средней длины свободного пути λ на скорость диффузии газов, возьмем самый простой случай, когда в сосуде по обеим сторонам перегородки имеются газы, не отличающиеся друг от друга ни концентрацией, ни температурой, ни составом.
В этом случае, очевидно, происходит диффузия газа самого в себя (самодиффузия). Кинетическая теория дает следующее простое выражение для коэффициента самодиффузии:

Мы видим, что при низком вакууме коэффициент D пропорционален средней скорости теплового движения и средней длине свободного пути, т.е. диффузия происходит тем скорее чем ниже давление газа.
При высоком вакууме (рис. 1.6), когда давление снизится до состояния λ » d, взаимные столкновения молекул прекращаются, поэтому в предоставленном для обоих газов (после снятия перегородки) объеме каждый газ ведет себя так, как будто другого газа нет. Это значит, что в случае высокого вакуума диффузия газов происходит практически мгновенно; она зависит только от скорости теплового движения и размеров сосуда, но не от λ.

Следовательно, формулы, описывающие диффузию при низком вакууме, для высокого вакуума неприменимы.
В заключение параграфа отметим, что явление диффузии газообразных веществ играет роль в вакуумной технике. Мы уже отмечали, что на принципе диффузии газа, поступающего из откачиваемого объекта в пар рабочей жидкости диффузионного насоса, осуществляется быстрая откачка до весьма высокого вакуума. В производстве газонаполненных электровакуумных приборов применяется операция их наполнения однородными смесями газов или паров; эти смеси заготавливают заранее или их получают на самих вакуумных системах, заставляя газы диффундировать друг в друга.