Grahamův zákon

Grahamův zákon (také známý jako zákon výpotku , Grahamův zákon (nesprávný)) [1]  je zákon relativní rychlosti výtoku různých plynů přes porézní povrch nebo umělou membránu za stejných podmínek. Objeven v roce 1829 skotským chemikem Thomasem Grahamem .

Obsah zákona

Efúze  je pomalé proudění plynů malými (často mikroskopickými) otvory, jako jsou různé porézní materiály, kdy jednotlivé molekuly procházejí otvorem, aniž by se navzájem srazily. K tomu dochází, pokud je průměr otvoru výrazně menší než střední volná dráha molekul. V roce 1829 provedl Thomas Graham řadu experimentů s výtokem a zjistil, že při konstantní teplotě a tlaku je rychlost výtoku plynu r nepřímo úměrná druhé odmocnině hustoty plynu d :

kde k  je konstanta.

Čím vyšší je tedy hustota plynu, tím nižší je rychlost výpotku (při konstantní teplotě a tlaku). Konstanta k (na pravé straně výše uvedené rovnice) za stejných podmínek je přibližně stejná pro všechny plyny. Jak vyplývá ze stavové rovnice ideálního plynu , při konstantní teplotě a tlaku je hustota plynu úměrná jeho molární hmotnosti M. Na základě toho lze přepsat rovnici Grahamova zákona pro dva různé plyny takto:

kde r1 a r2 jsou průtokové rychlosti prvního a druhého  plynu, v tomto pořadí, M1 a M2 jsou  jejich molární hmotnosti . Jiná formulace Grahamova zákona tedy říká, že rychlost výronu plynu je nepřímo úměrná druhé odmocnině molární hmotnosti (hmotnosti jeho molekul).

Pokud je tedy molekulová hmotnost jednoho plynu čtyřikrát větší než molekulová hmotnost druhého, pak by difundoval porézním povrchem nebo membránou poloviční rychlostí než druhý. Kompletní teoretické vysvětlení Grahamova zákona bylo podáno o několik let později molekulární kinetickou teorií .

Praktická aplikace

Grahamův zákon vysvětluje, proč balónky naplněné heliem po krátké době ztrácejí objem, na rozdíl od těch naplněných vzduchem. Lehké helium s relativní molekulovou hmotností 4 proniká póry pryže přibližně 2,7krát rychleji než vzduch (směs převážně dusíku a kyslíku, průměrná relativní molekulová hmotnost 29). Balónky vyrobené z metalizované polyesterové fólie s výrazně menšími póry udrží helium několik týdnů.

Při plánování dlouhodobých letů je třeba počítat s prouděním vzduchu materiálem kosmické lodi: například obnova zásob vzduchu na palubě Mezinárodní vesmírné stanice se provádí pomocí transportních nákladních lodí Progress .

Grahamův zákon je základem atmolýzy  , procesu oddělování směsi plynů s nestejnou hustotou opakovaným průchodem přes porézní materiál (metoda plynové difúze). Atmolýza byla poprvé použita v průmyslovém měřítku pro separaci izotopů v americkém procesu obohacování uranu . Během realizace projektu Manhattan v roce 1942 ve městě Oak Ridge bylo vybudováno 600-stupňové zařízení pro plynnou difúzi těkavých hexafluoridů uranu a uranu UF 6 přes porézní přepážku. Přírodní uran je směs izotopů 0,7 % 235 U a 99,3 % 238 U. Pouze první izotop mohl být použit k výrobě atomových bomb a jaderného paliva pro reaktory . Poměr hustoty těchto dvou hexafluoridů je 349:352. Lehčí hexafluorid 235 UF 6 difunduje pouze 1,004krát rychleji než jiný izotop hexafluorid. Proto je směs plynů procházející porézní přepážkou mírně obohacena o hexafluorid 235 UF 6 . Aby se dosáhlo výrazného obohacení plynné směsi o požadovaný izotop, musí se tento postup opakovat tisíckrát. V Sovětském svazu byla k separaci těkavých hexafluoridů uranu UF 6  - pomocí plynových odstředivek použita jiná, energeticky méně náročná metoda .

Poznámky

1. ↑ Vyslovovat jména - Vyslovit Graham, Jak vyslovit Graham, Jak vyslovit jméno Graham, Výslovnost Graham, jak se řekne Graham, jak se řekne Graham . Získáno 21. února 2013. Archivováno z originálu 18. března 2013. (neurčitý)

Viz také

• Viskozita
• Tření
• Grahamovo číslo