En física y química, la efusión es el proceso en el que un gas escapa de un recipiente a través de un orificio de diámetro considerablemente menor que el camino libre medio de las moléculas. [1] Tal agujero se describe a menudo como un agujero de alfiler y el escape del gas se debe a la diferencia de presión entre el recipiente y el exterior. En estas condiciones, esencialmente todas las moléculas que llegan al agujero continúan y pasan a través del agujero, ya que las colisiones entre moléculas en la región del agujero son insignificantes. Por el contrario, cuando el diámetro es mayor que la trayectoria libre media del gas, el flujo obedece a la ley de flujo de Sampson .
En terminología médica, un derrame se refiere a la acumulación de líquido en un espacio anatómico , generalmente sin loculación . Los ejemplos específicos incluyen derrames subdurales , mastoideos , pericárdicos y pleurales .
Efusión al vacío
La efusión de un recipiente equilibrado al vacío exterior se puede calcular basándose en la teoría cinética . [2] El número de colisiones atómicas o moleculares con una pared de un contenedor por unidad de área por unidad de tiempo ( tasa de impacto ) viene dado por:
suponiendo que el camino libre medio es mucho mayor que el diámetro del orificio y que el gas puede tratarse como un gas ideal . [3]
Si un área pequeña en el recipiente se perfora para convertirse en un pequeño orificio, la tasa de flujo efusivo será
dónde es la masa molar ,es la constante de Avogadro , yes la constante del gas .
La velocidad promedio de las partículas derramadas es
Combinado con la tasa de flujo efusivo, la fuerza de retroceso / empuje en el sistema en sí es
Un ejemplo es la fuerza de retroceso de un globo con un pequeño orificio que vuela en el vacío.
Medidas de caudal
Según la teoría cinética de los gases , la energía cinética de un gas a una temperatura es
dónde es la masa de una molécula, es la velocidad cuadrática media de las moléculas, yes la constante de Boltzmann . La velocidad molecular promedio se puede calcular a partir de la distribución de velocidad de Maxwell como(o equivalente, ). La tasaen el que un gas de masa molar efusiones (típicamente expresadas como el número de moléculas que pasan a través del orificio por segundo) es entonces [4]
Aquí es la diferencia de presión del gas a través de la barrera, es el área del hoyo, es la constante de Avogadro ,es la constante del gas yes la temperatura absoluta . Suponiendo que la diferencia de presión entre los dos lados de la barrera es mucho menor que, la presión absoluta promedio en el sistema ( es decir, ), es posible expresar el flujo de efusión como una tasa de flujo volumétrico de la siguiente manera:
o
dónde es el caudal volumétrico del gas, es la presión promedio a cada lado del orificio, y es el diámetro del agujero.
Efecto del peso molecular
A presión y temperatura constantes, la raíz cuadrada de la velocidad y, por lo tanto, la tasa de efusión son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada del peso molecular. Los gases con un peso molecular más bajo se derraman más rápidamente que los gases con un peso molecular más alto, por lo que el número de moléculas más ligeras que pasan por el orificio por unidad de tiempo es mayor.
Ley de graham
El químico escocés Thomas Graham (1805-1869) descubrió experimentalmente que la velocidad de efusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de sus partículas. [5] En otras palabras, la razón de las tasas de efusión de dos gases a la misma temperatura y presión viene dada por la razón inversa de las raíces cuadradas de las masas de las partículas de gas.
dónde y representan las masas molares de los gases. Esta ecuación se conoce como ley de efusión de Graham .
La tasa de efusión de un gas depende directamente de la velocidad promedio de sus partículas. Por lo tanto, cuanto más rápido se mueven las partículas de gas, es más probable que pasen a través del orificio de efusión.
Célula de derrame de Knudsen
La celda de efusión de Knudsen se utiliza para medir las presiones de vapor de un sólido con una presión de vapor muy baja. Tal sólido forma un vapor a baja presión por sublimación . El vapor se derrama lentamente a través de un orificio, y la pérdida de masa es proporcional a la presión de vapor y se puede utilizar para determinar esta presión. [4] El calor de sublimación también se puede determinar midiendo la presión de vapor en función de la temperatura, utilizando la relación de Clausius-Clapeyron . [6]
Referencias
- ^ KJ Laidler y JH Meiser, Química física, Benjamin / Cummings 1982, p.18. ISBN 0-8053-5682-7
- ^ "5.62 Química Física II" (PDF) . MIT OpenCourseWare .
- ^ "Derrame de gases a baja presión" . www.chem.hope.edu . Hope College . Consultado el 6 de abril de 2021 .
- ↑ a b Peter Atkins y Julio de Paula, Physical Chemistry (8a ed., WHFreeman 2006) p.756 ISBN 0-7167-8759-8
- ^ Zumdahl, Steven S. (2008). Principios químicos . Boston: Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. pag. 164. ISBN 978-0-547-19626-8.
- ^ Drago, RS Métodos físicos en química (WBSaunders 1977) p.563 ISBN 0-7216-3184-3