Диффузия в газах

Наиболее быстрым образом диффузия осуществляется в газах, а самым медленным - в твердых телах, что объясняется характером движения частиц в данных средах. Для газа процесс диффузии считается распределением молекул примеси от источника (иными словами, это взаимная диффузия газа).

Процесс диффузии в газах

Каждый необратимый процесс представляет результат влияния внешних условий на физическую систему. В данных условиях положение физической становится неравновесным.

Подобные явления переноса являются необратимыми и возникают самопроизвольным образом вследствие теплового движения в условиях отступления от равновесного состояния физической системы. При этом они характеризуются формированием потоков диффузии, импульса. Импульс будет связан с двумя следующими направлениями:

• направлением импульса;
• направлением переноса импульса.

Согласно абсолютному значению, каждый поток оказывается равнозначным массе вещества внутренней энергии (теплопроводность), а также импульсу (вязкость). В более строгом формате молекулярно-кинетический анализ таких явлений, как перенос, оказывается достаточно затруднительным по причине нарушения положения полной хаотичности молекулярного движения. Это, в свою очередь, провоцирует отклонения от распределения молекул согласно скоростям по Максвеллу.

Явление диффузии в газах будет выглядеть следующим образом. Диффузия будет характеризоваться взаимным проникновением и перемешиванием частиц двух и соприкасающихся физических систем (и больше). Самодиффузия имеет место при перемешивании частиц одного и того же вещества. В смеси газов диффузия возникнет по причине разности в концентрациях отдельно взятых газов, которые составляют смесь.

В рамках процесса диффузии осуществляется перенос массы вещества из зон с большей концентрацией в зоны с меньшей. При диффузии в однородном газе перенос массы вещества будет описан законом Фика:

$m=-{DSt}\frac{dp}{dx}$, где:

• $m$ – масса газа;
• $D$ – коэффициент диффузии;
• $\frac{dp}{dx}$– градиент плотности газа вдоль оси $X$;
• $S$ – некоторая площадка, расположенная перпендикулярно направлению переноса массы вещества;
• $t$ – время переноса.

В условиях диффузии перенос массы вещества будет происходить в направлении убывания плотности газа. На базе молекулярно – кинетической теории, коэффициент диффузии будет характеризовать скорость переноса массы вещества, определяясь по формуле:

$D={u\lambda}\frac{1}{3}$, где:

• $u$ средняя арифметическая скорость молекул;
• $\lambda$ – средняя длина свободного пробега молекул.

При вводе такого понятия, как вектор плотности тока $j_D$ диффундирующих молекул, закон Фика записывают в таком формате:

$j_D = - Dgrad \ {n_0}$,

где $n_0$– концентрация молекул газа.

Явление переноса в газах

Возникающие в термодинамических неравномерных системах особые необратимые процессы получили название явлений переноса. К таковым принадлежат:

• диффузия (перенос массы);
• теплопроводность (перенос энергии);
• вязкость, или внутреннее трение (перенос импульса).

Таким образом, диффузия в газах при повышении температуры начинает заметно ускоряться, а в условиях увеличения давления – замедляться. Процесс диффузии в газах с тяжелыми молекулами будет протекать более медленным образом.

В ситуации, когда какое-либо тело перемещается в газе, фиксируется его столкновение с молекулами газа, сообщая им импульс.

В то же время, тело также испытает со стороны молекул определенные соударения, получая при этом собственный импульс с направлением в противоположную сторону. При этом наблюдается ускорение газа, торможение тела и воздействие на него сил трения. Аналогичная сила трения будет воздействовать также и между двумя соседствующими слоями газа, движущимися с различными скоростями.

В качестве причины внутреннего трения в газах, таким образом, выступает явление переноса импульса из одного слоя в иной. Сила трения оказывается пропорциональной градиенту скорости на основании закона Ньютона:

$f={-n}\frac{dv}{dx}$

Здесь $n$ - коэффициент динамической вязкости, зависящей от плотности газа $p$.

Физический смысл $n$ заключен в том, что он численно равнозначен импульсу, который переносится в единицу времени через единицу площади при равном единице градиенте скорости. Коэффициент вязкости газов при этом не будет зависеть от давления газа и увеличится при повышении температуры.

Теплопроводность характеризуется переносом внутренней энергии из одного газового слоя в другой. Если в соседствующих газовых слоях создается и поддерживается разность температур, между ними возникнет тепловой обмен.

За счет хаотического движения молекулы в соседствующих слоях будет осуществляться также их выравнивание их средних энергий. Таким образом, мы наблюдаем энергетический перенос от нагретых слоев к более холодным. Тепловой поток q оказывается пропорциональным градиенту температуры, подчиняясь при этом закону Фурье:

$q=-\lambda\frac{dT}{dx}$

Разреженность газов и понятие вакуума

Различают такие степени вакуума:

• сверхвысокая ($\lambda$>> l);
• высокая ($\lambda$> l);
• средняя ($\lambda$=l);
• низкая.

Свойства разреженных газов отличны от свойств не разреженных. Если из сосуда начать откачивать газ, по мере снижения давления количество столкновений молекул начнет уменьшаться, провоцируя при этом увеличение их длины свободного пробега.

Проблема создания вакуума играет большую роль в научно-технической сфере. В большинстве современных электронных приборов, например, применяются электронные пучки, чье формирование становится возможным исключительно в условиях вакуума.