Выпот

Не путать с Афьюзией .

Чтобы узнать о других значениях, см. Излияние (значения) .

Изображение слева показывает выпот, тогда как изображение справа показывает диффузию . Эффузия происходит через отверстие, размер которого меньше длины свободного пробега движущихся частиц, тогда как диффузия происходит через отверстие, через которое одновременно могут проходить несколько частиц.

В физике и химии под эффузией понимают процесс, при котором газ выходит из сосуда через отверстие, диаметр которого значительно меньше длины свободного пробега молекул. Такое отверстие часто называют точечным , и выход газа происходит из-за разницы давлений между контейнером и внешней средой. В этих условиях практически все молекулы, приходящие к отверстию, продолжают движение и проходят через отверстие, поскольку столкновения между молекулами в области отверстия пренебрежимо малы. И наоборот, когда диаметр больше длины свободного пробега газа, поток подчиняется закону потока Сэмпсона .

В медицинской терминологии под выпотом понимают скопление жидкости в анатомическом пространстве , обычно без локуляции . Конкретные примеры включают субдуральный , сосцевидный , перикардиальный и плевральный выпоты .

Этимология

Слово излияние происходит от латинского слова effundo, что означает «пролить, излить, излить, излить, расточить, расточить».

Излияние в вакуум

Истечение из уравновешенного контейнера во внешний вакуум можно рассчитать на основе кинетической теории . Число атомных или молекулярных столкновений со стенкой контейнера на единицу площади в единицу времени ( скорость столкновения ) определяется выражением:

$$J_{\text{impingement}}={\frac {P}{\sqrt {2\pi mk_{B}T}}}.$$

Предполагая, что средняя длина свободного пробега намного больше диаметра точечного отверстия, и газ можно рассматривать как идеальный газ .

Если небольшая площадь $A$ на контейнере пробивается небольшое отверстие, скорость эффузивного потока будет

$${\begin{aligned}Q_{\text{effusion}}&=J_{\text{impingement}}\times A\\&={\frac {PA}{\sqrt {2\pi mk_{B}T}}}\\&={\frac {PAN_{A}}{\sqrt {2\pi MRT}}}\end{aligned}}$$

где $M$ это молярная масса , $N_{A}$ – постоянная Авогадро , а $R=N_{A}k_{B}$ это газовая постоянная .

Средняя скорость вылетающих частиц равна

$${\begin{aligned}{\overline {v_{x}}}&={\overline {v_{y}}}=0\\{\overline {v_{z}}}&={\sqrt {\frac {\pi k_{B}T}{2m}}}.\end{aligned}}$$

В сочетании со скоростью эффузивного потока сила отдачи/тяги на самой системе равна

$$F=m{\overline {v_{z}}}{\times }Q_{\text{effusion}}={\frac {PA}{2}}.$$

Примером может служить сила отдачи воздушного шара с небольшим отверстием, летящего в вакууме.

скорости

Согласно кинетической теории газов , кинетическая энергия газа при температуре $T$ является

${\frac {1}{2}}mv_{\rm {rms}}^{2}={\frac {3}{2}}k_{\rm {B}}T$

где $m$ - масса одной молекулы, $v_{\rm {rms}}$ - среднеквадратическая скорость молекул, а $k_{\rm {B}}$ — постоянная Больцмана . Среднюю скорость молекул можно рассчитать по распределению скоростей Максвелла. как ${\textstyle v_{\rm {avg}}={\sqrt {8/3\pi }}\ v_{\rm {rms}}\approx 0.921\ v_{\rm {rms}}}$ (или, что то же самое, ${\textstyle v_{\rm {rms}}={\sqrt {3\pi /8}}\ v_{\rm {avg}}\approx 1.085\ v_{\rm {avg}}}$). Ставка $\Phi _{N}$ при котором газ с молярной массой $M$ тогда расход (обычно выражаемый как количество молекул, проходящих через отверстие в секунду)

$\Phi _{N}={\frac {\Delta PAN_{A}}{\sqrt {2\pi MRT}}}.$

Здесь $\Delta P$ - разница давления газа на барьере, $A$ площадь отверстия, $N_{A}$ – постоянная Авогадро , $R$ газовая постоянная и $T$ это абсолютная температура . Предполагая, что разница давлений между двумя сторонами барьера намного меньше, чем $P_{\rm {avg}}$, среднее абсолютное давление в системе ( т.е. $\Delta P\ll P_{\rm {avg}}$), поток выпота можно выразить как объемную скорость потока следующим образом:

$\Phi _{V}={\frac {\Delta Pd^{2}}{P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi k_{B}T}{32m}}}$

или

$\Phi _{V}={\frac {\Delta Pd^{2}}{P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi RT}{32M}}}$

где $\Phi _{V}$ - объемный расход газа, $P_{\rm {avg}}$ - среднее давление по обе стороны от отверстия, и $d$ это диаметр отверстия.

Влияние

При постоянном давлении и температуре среднеквадратическая скорость и, следовательно, скорость эффузии обратно пропорциональны квадратному корню из молекулярной массы. Газы с более низкой молекулярной массой испаряются быстрее, чем газы с более высокой молекулярной массой, поэтому число более легких молекул, проходящих через отверстие в единицу времени, больше.

Закон Грэма

Шотландский химик Томас Грэм (1805–1869) экспериментально установил, что скорость истечения газа обратно пропорциональна корню квадратному из массы его частиц. Другими словами, соотношение скоростей истечения двух газов при одинаковых температуре и давлении определяется обратным отношением квадратных корней из масс частиц газа.

${{\mbox{Rate of effusion of gas}}_{1} \over {\mbox{Rate of effusion of gas}}_{2}}={\sqrt {M_{2} \over M_{1}}}$

где $M_{1}$ и $M_{2}$ представляют собой молярные массы газов. Это уравнение известно как закон излияния Грэма .

Скорость истечения газа напрямую зависит от средней скорости его частиц. Таким образом, чем быстрее движутся частицы газа, тем больше вероятность того, что они пройдут через эффузионное отверстие.

Выпотная клетка Кнудсена

Эффузионная ячейка Кнудсена используется для измерения давления пара твердого вещества с очень низким давлением пара. Такое твердое вещество образует пар при низком давлении путем сублимации . Пар медленно выходит через точечное отверстие, а потеря массы пропорциональна давлению пара и может быть использована для определения этого давления. Теплоту сублимации также можно определить путем измерения давления пара в зависимости от температуры с использованием соотношения Клаузиуса-Клапейрона .