Диффузия в газах

Диффузия в газах. Явление Диффузии в газах совершенно аналогично явлению диффузии в жидкостях, но распространение одного газа в другой происходит значительно быстрее диффузии в жидкостях. Различная скорость диффузии в газах проявляется резко, если взять газы, значительно различающиеся по удельному весу. Углекислота в 1 1/2 раза тяжелее воздуха, и диффузия ее в воздуха совершается медленно; в цилиндр с углекислотой на дне, сообщенный с атмосферным воздухом, пускают мыльные пузыри, наполненные углекислотой. Они легче воздуха и тонут до того места, где начинается атмосфера углекислоты. Медленное их поднятие с течением диффузии наглядно доказывает сказанное. Благодаря медленности диффузии, можно переливать углекислоту из одного цилиндра в другой.

Здесь мы будем касаться собственно явлений диффузии, т. е. когда газы непосредственно расположены один над другим. Основные опыты, относящиеся к этому классу явлений, произведены Лошмидтом. Стеклянная трубка около 1 метра длины и 26 мм толщины разделена перпендикулярно ее длине тонкой металлической перегородкой, которую можно передвигать внутри трубки. Трубка и перегородка в ней имеют посредине равные отверстия. Установив на известном месте перегородку и изолировав обе половины трубки А и В, вводят в нее через краны два различных газа при атмосферном давлении, закрывают краны, приводящие газ, и открывают отверстие в перегородке. Полчаса или час спустя отверстие в перегородке закрывается и производится анализ газовой смеси, находящейся в каждой половине трубки. Необходимым условием подобного опыта является во все его продолжение постоянство температуры. Пусть во время t, p1 - давление газа I в слое тп, расположенном на расстоянии z от конца трубки. Производя и здесь выводы аналогично законам теплопроводности, получим для количества газа I, проходящего через единицу поверхности в течение времени dt, величину k(dp1/dz)dt, причем коэффициент диффузии k зависит от природы газа и определяется следующим образом. Это есть количество кубических сантиметров газа I, которое в стационарном состоянии проходит в 1 секунду через единицу поверхности в газ II, когда в пространстве давление газа I убывает с единицы до ноля, между тем как давление II растет от ноля до единицы при температуре 0°.

Подобное определение коэффициента диффузии требует, чтобы эта величина, вычисленная для диффузии одного газа в другой, была равна той же величине для второго газа в первый. Совершенно одинаковый смысл имеет коэффициент диффузии, если в его определение вместо давлений ввести плотности диффундирующих газов. Последнее определение, по которому коэффициентом диффузии будет называться количество газа, протекающее в единицу времени через единицу поверхности при разнице плотностей слоев равных единиц, — является вполне тождественным с коэффициентом диффузии в жидкостях. Вместо концентраций слоев жидкостей здесь имеются плотности слоев газов. Коэффициент диффузии зависит не только от температуры, но и от плотности газа. По опытам Лошмидта скорость диффузии обратно пропорциональна плотности газов: чем газы разреженнее, тем скорость диффузии больше. Кроме того, величина коэффициента диффузии прямо пропорциональна квадрату абсолютной температуры. Лошмидт нашел следующие величины для коэффициента диффузии (см, секунда).

Влияние температуры можно видеть, например, из того, что, по опытам Лошмидта, для диффузии углекислоты в воздух k для — 21° равно 0,1234, а для + 18° — 0,1684. Кроме указанного, существует некоторое, еще вполне не изученное, соотношение коэффициентов диффузии с молекулярным весом газов. Стефан дал формулы, относящиеся к диффузии смеси трех газов, а Вречко подтвердил их экспериментально. Укажем, в заключение, что и диффузия паров подчиняется законам диффузии в газах. Так, Мерже изучил диффузию паров ртути в воздух.