Grahamin laki
Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 11. marraskuuta 2019 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .Grahamin laki (tunnetaan myös nimellä effuusiolaki , Grahamin laki (väärä)) [1] on laki eri kaasujen suhteellisesta ulosvirtausnopeudesta huokoisen pinnan tai keinotekoisen kalvon läpi samoissa olosuhteissa. Löysi skotlantilainen kemisti Thomas Graham vuonna 1829 .
Lain sisältö
Effuusio on kaasujen hidasta virtausta pienten (usein mikroskooppisten) reikien, kuten erilaisten huokoisten materiaalien, läpi, joissa yksittäiset molekyylit kulkevat reiän läpi törmäämättä toisiinsa. Tämä tapahtuu, jos reiän halkaisija on huomattavasti pienempi kuin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti. Vuonna 1829 Thomas Graham suoritti sarjan effuusiokokeita ja havaitsi, että vakiolämpötilassa ja paineessa kaasun ulosvirtausnopeus r on kääntäen verrannollinen kaasun tiheyden d neliöjuureen :
missä k on vakio.
Siten mitä suurempi kaasun tiheys on, sitä pienempi effuusionopeus (vakiolämpötilassa ja paineessa). Vakio k (edellä olevan yhtälön oikealla puolella) yhtäläisissä olosuhteissa on suunnilleen sama kaikille kaasuille. Kuten ideaalisen kaasun tilayhtälöstä seuraa , vakiolämpötilassa ja paineessa kaasun tiheys on verrannollinen sen moolimassaan M. Tämän perusteella voidaan kirjoittaa uudelleen Grahamin lain yhtälö kahdelle eri kaasulle seuraavasti:
missä r 1 ja r 2 ovat vastaavasti ensimmäisen ja toisen kaasun ulosvirtausnopeudet, M 1 ja M 2 ovat niiden moolimassat . Siten toinen Grahamin lain muotoilu sanoo, että kaasun effuusionopeus on kääntäen verrannollinen moolimassan (sen molekyylien massan) neliöjuureen.
Siten, jos yhden kaasun molekyylipaino on neljä kertaa toisen kaasun molekyylipaino, se diffundoituisi huokoisen pinnan tai kalvon läpi puolet toisen nopeudella. Täydellinen teoreettinen selitys Grahamin laista annettiin muutama vuosi myöhemmin molekyylikineettisellä teorialla .
Käytännön sovellus
Grahamin laki selittää, miksi heliumilla täytetyt ilmapallot menettävät tilavuutta lyhyen ajan kuluttua, toisin kuin ilmalla täytetyt ilmapallot. Kevyt helium, jonka suhteellinen molekyylipaino on 4, tunkeutuu kumin huokosten läpi noin 2,7 kertaa nopeammin kuin ilma (pääasiassa typen ja hapen seos, keskimääräinen suhteellinen molekyylipaino 29). Metalloidusta polyesterikalvosta valmistetut ilmapallot, joissa huokoset ovat huomattavasti pienemmät, voivat sisältää heliumia useita viikkoja.
Ilman ulosvirtaus avaruusaluksen materiaalien läpi on huomioitava pitkiä lentoja suunniteltaessa: esimerkiksi kansainvälisen avaruusaseman ilmavarantojen uusiminen tapahtuu Progress - kuljetusrahtialusten avulla .
Grahamin lain taustalla on atmolyysi , prosessi, jossa erotetaan kaasuseos, jolla on eri tiheydet, johtamalla ne toistuvasti huokoisen materiaalin läpi (kaasudiffuusiomenetelmä). Atmolyysiä käytettiin ensimmäisen kerran teollisessa mittakaavassa isotooppien erottamiseen Yhdysvaltain uraanin rikastusprosessissa . Manhattan-projektin toteutuksen aikana vuonna 1942 Oak Ridgen kaupungissa rakennettiin 600-vaiheinen laitteisto haihtuvien uraaniuraaniheksafluoridien UF 6 kaasudiffuusiota varten huokoisen väliseinän läpi. Luonnonuraani on isotooppiseos , jossa on 0,7 % 235 U ja 99,3 % 238 U. Vain ensimmäisestä isotoopista pystyttiin valmistamaan atomipommeja ja ydinpolttoainetta reaktoreihin . Näiden kahden heksafluoridin tiheyssuhde on 349:352. Kevyempi heksafluoridi 235 UF 6 diffundoituu vain 1,004 kertaa nopeammin kuin toinen isotooppi heksafluoridi. Siksi huokoisen väliseinän läpi johdettu kaasuseos on hieman rikastettu heksafluoridilla 235 UF 6 . Kaasuseoksen merkittävän rikastamisen saavuttamiseksi vaaditulla isotoopilla tämä menettely on toistettava tuhansia kertoja. Neuvostoliitossa käytettiin toista, vähemmän energiaintensiivistä menetelmää haihtuvien uraaniheksafluoridien UF 6 erottamiseen - kaasusentrifugien avulla .
Muistiinpanot
- ↑ Äännä Names - Äännä Graham, Kuinka äännetään sana Graham, Kuinka äännetään sana Graham, Ääntäminen sanasta Graham, kuinka sanotaan Graham, kuinka sanotaan nimi Graham . Haettu 21. helmikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 18. maaliskuuta 2013.