Efusión y Difusión

Una botella cerrada de perfume contiene una alta concentración de moléculas gaseosas aromáticas que están en movimiento y colisionando de forma aleatoria constantemente. Mientras tanto, el aire que está fuera de la botella básicamente no contiene ninguna de estas moléculas. Al abrir la botella, se establece un gradiente de concentración entre estas áreas de alta y baja concentración.

Las moléculas siguen moviéndose de forma aleatoria y con un desplazamiento general desde el área de alta concentración hacia el área de baja concentración. La mezcla y dispersión espontáneas de líquidos o gases en respuesta a un gradiente de concentración se llama difusión molecular. La difusión es un proceso lento.

A pesar de que las partículas de gas viajan a altas velocidades, las numerosas colisiones ocasionan cambios frecuentes en la velocidad y la dirección. La distancia promedio que recorre una partícula entre colisiones se conoce como camino libre medio. En el caso de una partícula de gas, el camino libre medio se ve influenciado por la densidad de la partícula, la cual también afecta la presión.

A medida que la densidad de la partícula aumenta, la frecuencia de colisión también lo hace. Por consiguiente, su camino libre medio es más corto. Del mismo modo, a medida que la densidad de la partícula disminuye, la frecuencia de colisión también lo hace, lo que resulta en un camino libre medio más largo.

Distintos gases se dispersan a ritmos diferentes, dependiendo de la velocidad de las partículas de gas. Dado que la media cuadrática de la velocidad, o velocidad RMS, y la masa molar de un gas están en relación inversa, los gases más ligeros se dispersan más rápido que los gases pesados. Imaginen un tubo de vidrio en medio de dos depósitos con las mismas cantidades de amoníaco y de cloruro de hidrógeno.

Cuando los gases se dispersan se encuentran, reaccionan y forman un anillo de cloruro de amonio. El anillo estará más cerca del extremo del tubo con cloruro de hidrógeno porque las moléculas más ligeras de amoníaco habrán viajado más lejos en el tubo que las moléculas más pesadas de cloruro de hidrógeno en la misma cantidad de tiempo. La efusión es otro proceso que involucra movimiento por parte de las moléculas gaseosas.

Es la habilidad que tienen las moléculas gaseosas para viajar a través de un agujero cuyo diámetro es mucho más pequeño que el camino libre medio del gas en sí como respuesta a una diferencia de presión. Es por esto que los globos de helio en algún punto se desinflan. El helio se escapa por efusión gradualmente a través de poros diminutos presentes en el material del globo.

Al igual que la difusión, el ritmo de efusión depende de la velocidad media cuadrática y la masa molar del gas. En concreto, el ritmo de efusión es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molar del gas. Por lo tanto, los gases pesados se escapan por efusión más lento que los ligeros.

En dos gases cualesquiera, la proporción de sus ritmos de efusión es igual a la raíz cuadrada de la relación inversa de sus masas molares. Esto se llama ley de efusión de Graham. Imaginen dos balones inflados a la misma presión, uno con helio y otro con oxígeno.

El helio tiene una masa molar menor que la del oxígeno, como se demuestra con la flotabilidad del globo de helio. Al aplicarles la ley de Graham al helio y al oxígeno, se obtiene que el helio se escapa por efusión 2, 8 veces más rápido que el oxígeno. Por consiguiente, el globo de helio se desinfla más rápido que el globo de oxígeno.