Диффузия. Это явление переноса имеет место в том случае, когда молекулы одного вещества попадают в другое вещество и благодаря хаотичному движению начинают в нём

Это явление переноса имеет место в том случае, когда молекулы одного вещества попадают в другое вещество и благодаря хаотичному движению начинают в нём распространятся. Один газ может распространятся в другом, молекулы одной жидкости благодаря диффузии (проникновению) перемешиваются с молекулами другой. Наконец, диффузия имеет место в твёрдых телах. Если твёрдое тело имеет пористую структуру, в нём хорошо диффундирует газ.

Диффузия приводит к переносу массы вещества. Первое из уравнений (6.92) есть макроскопическое уравнение диффузии. Так же, как и в предыдущем случае, для выяснения смысла входящего в него коэффициента диффузии найдём перенесенную за время D t массу D M, рассматривая хаотичное движение молекул, перелетающих через площадку D S по оси x и против неё (рис.6.17).

На рисунке 6.17(б) показано, что вдоль этой оси происходит падение плотности, а на рисунке 6.17(а) – что диффузия имеет место лишь через площадку D S. Через r ₁ и r ₂ обозначены плотности в точках, находящихся от площадки на расстоянии, равном длине свободного пробега.

В силу хаотичности движения молекулы будут перелетать в обоих направлениях оси x, перенося с собой свою массу. Тогда масса, перенесённая через D S за D t секунд, будет:

,

(6.106)

где N ₁и N ₂ – число молекул, перелетающих в разных направлениях через площадку D S за этот промежуток времени, а m ₀ – масса каждой из них. Величина N ₁не равна N ₂, так как вдоль оси меняется концентрация:

; .

(6.107)

Подставляя эти значения в (6.106), получаем:

.

(6.108)

Разность концентраций может быть заменена через разность плотностей, так как очевидно, что

.

(6.109)

Значит

.

(6.110)

Используя формулу конечных приращений, разность плотностей можно выразить через градиент плотности (Dr @ r ¢ D x):

,

(6.111)

и теоретическое уравнение для перенесенной массы примет вид:

.

(6.112)

Сопоставляя полученное равенство с макроуравнением (6.52), получим для коэффициента диффузии выражение

.

(6.113)

Заменив скорость хаотичного движения молекул по основному уравнению молекулярно-кинетической теории (6.67), получим:

.

(6.114)

То есть коэффициент диффузии растёт при увеличении температуры и зависит от массы одной молекулы: чем легче молекула, тем больше D.

На том факте, что легкие молекулы быстрее диффундируют, основано действие диффузионного насоса. Этот насос осуществляет вакуум в откачиваемом сосуде тогда, когда обычный поршневой насос уже создал в сосуде низкое давление (форваккум). Принцип действия диффузионного насоса заключается в следующем: откачиваемый воздух продувается так, что рядом с ним, отделенные пористой перегородкой, находятся пары ртути. Коэффициент диффузии для них намного ниже, чем для молекул воздуха из-за большой массы их молекул. Поэтому ртуть практически не успевает диффундировать в ту половину сосуда, где находится откачиваемый воздух. Молекулы же воздуха постепенно диффундируют в пары ртути и удаляются вместе с ней.

Существует диффузионный метод разделения изотопов. Изотопами называют атомы, принадлежащие одной клеточке таблицы Менделеева, то есть имеющие один порядковый номер, но различающиеся массой своего ядра (атома). В силу одинаковости заряда ядра изотопы имеют равное число электронов, значит, идентичны их химические свойства. Поэтому разделение их – сложное дело. Если смесь изотопов привести в газообразное состояние и продувать через сосуд, имеющий пористую преграду, за которой только вакуум, то лёгкий изотоп диффундирует в большем количестве в свободную часть сосуда. Многократное повторение процесса приведёт к практически полному отделению легких изотопов от более тяжелых.

Вопрос о разделении изотопов приобрел решающее значение для осуществления реакции деления ядер урана. Эта задача, помимо разделения изотопов самого урана, требовала ещё на первых порах и разделения "изотопов" воды – тяжелую воду D₂O (D₂ – дейтерий, тяжелый водород) – следовало отделить от легкой (H₂O). В любом объеме обычной природной воды содержится приблизительно 0,7% тяжелой воды.