התנהגות של מולקולות הגז: דיפוזיה מולקולרית, הנתיב החופשי הממוצע ואפוזיה(התפלטות)

בקבוק בושם סגור מכיל ריכוז גבוה של מולקולות גז ארומטיות הזזות כל הזמן ומתנגשות זו בזו באופן אקראי. באותו זמן, האוויר מחוץ לבקבוק ריק בפועל ממולקולות אלה. כשפותחים את הבקבוק נוצר מפל ריכוזים בין אזורים בריכוז גבוה לאזורים בריכוז נמוך.

המולקולות ממשיכות לנוע באופן אקראי. עם כיוון כללי של תנועה מהאזור בריכוז הגבוה לאזור בעל הריכוז הנמוך. הערבוב וההתפשטות הספונטנית של נוזלים או גזים בתגובה למפל ריכוזים נקראת פעפוע פעפוע הוא תהליך איטי.

למרות שחלקיקי הגז נעים במהירויות גבוהות, ההתנגשויות הרבות יוצרות שינויים תכופים במהירות ובכיוון. המרחק הממוצע שחלקיק נע בין התנגשויות נודע כמהלך חופשי ממוצע. המהלך החופשי הממוצע של חלקיק גז מושפע מצפיפות הגז, המשפיעה גם על הלחץ.

ככל שצפיפות החלקיקים גדלה, כך גם תדירות ההתנגשויות. מכאן שהמהלך החופשי הממוצע קצר יותר. כמו כן, ככל שצפיפות החלקיקים קטנה, קטנה גם תכיפות ההתנגשויות, מה שמוביל למהלך חופשי ממוצע ארוך יותר.

גזים שונים מפעפעים בקצב שונה לפי מהירויות החלקיקים של כל גז. מאחר שבין RMS, המהירות הריבועית הממוצעת והמסה המולית של גז יש יחס הפוך. גזים קלים יותר מפעפעים מהר יותר מגזים כבדים.

דמיינו צינור זכוכית בין מאגרים עם כמויות שוות של אמוניה ושל מימן כלורי במצב גז. כשהגזים המפעפעים נפגשים, הם מגיבים ויוצרים טבעת של אמוניום כלוריד. הטבעת קרובה יותר לצד של המימן הכלורי מפני שמולקולות האמוניה הקלות יותר נעו רחוק יותר בצינור מאשר מולקולות המימן הכלורי הכבדות באותו פרק זמן.

הפעה(אפוזיה)הוא תהליך נוסף המתאר תנועה של מולקולות גז. זו היכולת של מולקולות גז לעבור דרך חריר שקוטרו קטן הרבה יותר מהמהלך החופשי הממצע של הגז עצמו בתגובה להפרשי לחצים. זו הסיבה לכך שבלוני הליום בסופו של דבר מידלדלים.

ההליום מפעפע בהדרגה דרך נקבים זעירים בחומר ממנו עשוי הבלון. בדומה לדפוזיה, קצב ההפעה תלוי במהירות RMS ובמסה המולית של הגז. בפרט, קצב ההפעה נמצא ביחס הפוך לשורש המרובע של המסה המולית של הגז.

לכן בגזים כבדים יותר ההפעה איטית יותר מבגזים קלים. עבור כל שני גזים, היחס בין קצבי ההפעה שלהם הוא השורש המרובע של היחס ההפוך של המסות המוליות שלהם. זהו חוק גרהם של ההפעה.

נדמיין שני בלונים שמנופחים לאותה רמת לחץ, אחד מהם עם הליום והשני עם חמצן. להליום מסה מולית קטנה יותר משל חמצן, מה שבא לידי ביטוי בכך שהבלון צף באוויר. אם נשתמש בחוק גרהם להליום ולחמצן, נראה כי ההפעה בהליום מהירה פי 2.8 מאשר בחמצן.

מכאן שבלון ההליום יידלדל מהר יותר מבלון החמצן.