Effusion et diffusion

Une bouteille de parfum fermée contient une forte concentration de molécules aromatiques gazeuses qui se déplacent constamment et entrent en collision au hasard. Pendant ce temps, l'air à l'extérieur de la bouteille contient essentiellement aucune de ces molécules. Lors de l'ouverture de la bouteille, un gradient de concentration est établi entre ces régions de concentration élevée et faible.

Les molécules continuent de se déplacer de façon aléatoire, avec un mouvement global de la région à forte concentration vers la région à faible concentration. Le mélange spontané et la propagation de liquides ou de gaz en réponse à un gradient de concentration est appelée diffusion moléculaire. La diffusion est un processus lent.

Même si les particules de gaz se déplacent à grande vitesse, les nombreuses collisions provoquent des changements fréquents de vitesse et de direction. La distance moyenne parcourue par une particule entre les collisions est connue sous le nom de chemin libre moyen. Pour une particule de gaz, son trajet libre moyen est influencé par la densité des particules, ce qui affecte également la pression.

Plus la densité des particules augmente, plus la fréquence des collisions augmente. Ainsi, leur chemin libre moyen est plus court. De même, à mesure que la densité des particules diminue, la fréquence de collision diminue, ce qui conduit à un trajet libre moyen plus long.

Différents gaz diffusent à des vitesses différentes, en fonction de la vitesse des particules de gaz. Étant donné que la vitesse moyenne quadratique, ou RMS, et la masse molaire d'un gaz sont inversement liées, les gaz plus légers diffusent plus rapidement que les gaz plus lourds. Considérons un tube de verre entre les réservoirs de quantités égales d'ammoniac et de chlorure d'hydrogène gazeux.

Lorsque les gaz diffusants se rencontrent, ils réagissent pour former un anneau de chlorure d'ammonium. L'anneau est plus proche de l'extrémité chlorure d'hydrogène du tube parce que les molécules d'ammoniac plus légères ont voyagé plus loin dans le tube que les molécules de chlorure d'hydrogène plus lourdes dans le même laps de temps. L'épanchement est un autre processus qui implique le mouvement des molécules de gaz.

C'est la capacité des molécules de gaz à traverser un trou dont le diamètre est beaucoup plus petit que la voie libre moyenne du gaz lui-même en réponse à une différence de pression. C'est pourquoi les ballons d'hélium finissent par se dégonfler-l'hélium efface progressivement à travers de minuscules pores dans le matériau du ballon. Comme la diffusion, le taux d'épanchement dépend de la vitesse RMS et de la masse molaire du gaz.

Plus précisément, le taux d'épanchement est inversement proportionnel à la racine carrée de la masse molaire du gaz. Par conséquent, les gaz plus lourds s'écoulent plus lentement que les gaz plus légers. Pour deux gaz quelconques, le rapport de leurs taux d'épanchement est la racine carrée du rapport inverse de leurs masses molaires.

C'est ce qu'on appelle la loi d'épanchement de Graham. Considérons deux ballons gonflés à la même pression-l'un rempli d'hélium et l'autre d'oxygène. L'hélium a une masse molaire inférieure à l'oxygène, comme le montre la flottabilité du ballon d'hélium dans l'air.

L'application de la loi de Graham à l'hélium et à l'oxygène suggère que l'hélium s'efface 2, 8 fois plus vite que l'oxygène. Ainsi, le ballon d'hélium dégonfle plus rapidement que le ballon d'oxygène.