9.4 Útflæði og sveim gastegunda

Ef þú hefur einhvern tíma verið í herbergi þegar rjúkandi heit pizza var borin inn hefur þú tekið eftir því að gassameindir geta dreifst hratt um herbergið. Það sést á þægilegum ilminum sem berst fljótt í nefið. Þótt gassameindir ferðist á gríðarlegum hraða, mörg hundruð metra á sekúndu, rekast þær á aðrar gassameindir og fara í margar mismunandi áttir áður en þær ná á áfangastað. Við stofuhita verður gassameind fyrir milljörðum árekstra á sekúndu. Meðalfrjáls leið er meðalvegalengdin sem sameind fer milli árekstra. Hún lengist þegar þrýstingur lækkar og er almennt hundruð sinnum meiri en þvermál gassameindarinnar.

Almennt vitum við að þegar gassýni er sett í einn hluta lokaðs íláts dreifast sameindir þess mjög hratt um allt ílátið. Þetta ferli, þar sem sameindir dreifast um rúm vegna styrkjamunar, kallast sveim (mynd 9.27). Gasfrumeindirnar eða gassameindirnar eru auðvitað ómeðvitaðar um styrkstigulinn; þær hreyfast einfaldlega af handahófi. Á svæðum með meiri styrk eru fleiri agnir en á svæðum með minni styrk og því verður nettóflutningur efnistegunda frá svæðum með háan styrk til svæða með lágan styrk. Í lokuðu kerfi leiðir sveim að lokum til þess að styrkur gassins verður jafn alls staðar, eins og sýnt er á mynd 9.27. Gasfrumeindirnar og sameindirnar halda áfram að hreyfast, en þar sem styrkur þeirra er sá sami í báðum kúlum er flutningshraðinn milli kúlanna jafn í báðar áttir og enginn nettóflutningur sameinda á sér stað.

Við höfum oft áhuga á sveimhraðanum, það er magni gass sem fer um tiltekið flatarmál á hverri tímaeiningu:

Sveimhraðinn ræðst af nokkrum þáttum: hitastigi, massa frumeinda eða sameinda, styrkstiglinum, það er aukningu eða minnkun styrks frá einum stað til annars, yfirborðsflatarmálinu sem stendur sveimi til boða og vegalengdinni sem gasagnirnar þurfa að ferðast. Athugið einnig að tíminn sem sveim tekur er í öfugu hlutfalli við sveimhraðann, eins og jafnan fyrir sveimhraða sýnir.

Ferli sem felur í sér hreyfingu gastegunda og svipar til sveims er útflæði, það er þegar gassameindir sleppa í gegnum örlítið gat, til dæmis nálarstungu á blöðru, út í lofttæmi (mynd 9.28). Þótt bæði sveimhraði og útflæðishraði ráðist af mólmassa viðkomandi gass eru hraðarnir ekki þeir sömu; hlutfall þeirra er hins vegar það sama.

Ef blanda lofttegunda er sett í ílát með gljúpum veggjum flæða lofttegundirnar út um litlu opin á veggjunum. Léttari lofttegundir fara hraðar í gegnum litlu opin en þær þyngri (mynd 9.29). Árið 1832 rannsakaði Thomas Graham útflæðishraða mismunandi lofttegunda og setti fram lögmál Grahams um útflæði: útflæðishraði gass er í öfugu hlutfalli við kvaðratrót mólmassa þess:

Þetta þýðir að ef tvær lofttegundir, A og B, eru við sama hitastig og þrýsting er hlutfall útflæðishraða þeirra í öfugu hlutfalli við hlutfall kvaðratróta mólmassa þeirra: