Grahams lag
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 11 november 2019; kontroller kräver 2 redigeringar .Grahams lag (även känd som effusionslagen , Grahams lag (felaktig)) [1] är lagen om den relativa hastigheten för utflödet av olika gaser genom en porös yta eller ett konstgjort membran under samma förhållanden. Upptäcktes 1829 av den skotske kemisten Thomas Graham .
Lagens innehåll
Effusion är det långsamma flödet av gaser genom små (ofta mikroskopiska) hål, såsom olika porösa material, där enskilda molekyler passerar genom hålet utan att kollidera med varandra. Detta inträffar om hålets diameter är betydligt mindre än den genomsnittliga fria vägen för molekylerna. År 1829 genomförde Thomas Graham en serie utgjutningsexperiment och fann att, vid konstant temperatur och tryck, är gasutflödeshastigheten r omvänt proportionell mot kvadratroten av gasdensiteten d :
där k är en konstant.
Ju högre gasdensiteten är, desto lägre blir effusionshastigheten (vid konstant temperatur och tryck). Konstanten k (på höger sida av ovanstående ekvation) under lika förhållanden är ungefär densamma för alla gaser. Som följer av den ideala gasekvationen för tillstånd , vid konstant temperatur och tryck, är densiteten hos en gas proportionell mot dess molära massa M. Baserat på detta kan man skriva om ekvationen av Grahams lag för två olika gaser enligt följande:
där r 1 och r 2 är utflödeshastigheterna för den första respektive andra gasen, M 1 och M 2 är deras molära massor . En annan formulering av Grahams lag säger alltså att utgjutningshastigheten för en gas är omvänt proportionell mot kvadratroten av molmassan (massan av dess molekyler).
Således, om molekylvikten för en gas är fyra gånger den för den andra, skulle den diffundera genom en porös yta eller membran med halva hastigheten av den andra. En fullständig teoretisk förklaring av Grahams lag gavs några år senare av molekylär kinetisk teori .
Praktisk tillämpning
Grahams lag förklarar varför ballonger fyllda med helium tappar volym efter en kort tid, till skillnad från de som är fyllda med luft. Lätt helium, med en relativ molekylvikt på 4, penetrerar genom porerna på gummi ungefär 2,7 gånger snabbare än luft (en blandning av övervägande kväve och syre, genomsnittlig relativ molekylvikt på 29). Ballonger gjorda av metalliserad polyesterfilm med betydligt mindre porer kan hålla helium i flera veckor.
Luftflödet genom rymdfarkostens material måste beaktas vid planering av långtidsflygningar: till exempel utförs förnyelsen av luftförsörjningen ombord på den internationella rymdstationen med hjälp av Progress -transportfraktfartyg .
Grahams lag ligger till grund för atmolys , processen att separera en blandning av gaser med olika densiteter genom att upprepade gånger passera dem genom ett poröst material (gasdiffusionsmetod). Atmolys användes först i industriell skala för isotopseparation i den amerikanska urananrikningsprocessen . Under genomförandet av Manhattan-projektet 1942 i staden Oak Ridge byggdes en 600-stegs installation för gasdiffusion av flyktiga uran-uranhexafluorider UF 6 genom en porös skiljevägg. Naturligt uran är en isotopblandning av 0,7 % 235 U och 99,3 % 238 U. Endast den första isotopen kunde användas för att tillverka atombomber och kärnbränsle för reaktorer . Densitetsförhållandet för dessa två hexafluorider är 349:352. Den lättare hexafluoriden 235 UF 6 diffunderar endast 1,004 gånger snabbare än den andra isotopen hexafluorid. Därför är en blandning av gaser som passerar genom en porös skiljevägg något anrikad på hexafluorid 235 UF 6 . För att uppnå en betydande anrikning av gasblandningen med den erforderliga isotopen måste denna procedur upprepas tusentals gånger. I Sovjetunionen användes en annan, mindre energikrävande, metod för att separera flyktiga uranhexafluorider UF 6 - med hjälp av gascentrifuger .
Anteckningar
- ↑ Uttala namn - Uttala Graham, Hur man uttalar Graham, Hur man uttalar namnet Graham, Uttal av Graham, hur man säger Graham, hur man säger namnet Graham . Hämtad 21 februari 2013. Arkiverad från originalet 18 mars 2013.