Диффузионная ячейка

Полезная модель относится к области молекулярной физики и может быть использована для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов. Задачей полезной модели является создание простого, наглядного устройства для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров жидкости и газа. Решение указанный технической задачи достигается тем, что прозрачный капилляр частично заполняется жидкостью, один конец которого плотно закрывается, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава). В процессе испарения вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным и имеет максимально возможную плотность (концентрацию молекул). Испарившиеся из жидкости молекулы преодолевают расстояние от ее поверхности к открытому во внешнюю газовую среду концу капилляра путем диффузии. Скорость перемещения поверхности жидкости, наблюдаемой в микроскоп с мерной шкалой для определения ее положения, вследствие испарения молекул зависит от ее расстояния до открытого конца капилляра, плотности (концентрации молекул) насыщенного пара при температуре измерения и коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров и внешнего газа, который рассчитывается по первому закону Фика, описывающему это явление.

Полезная модель (ПМ) относится к области молекулярной физики и может быть использована для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов.

Известен метод определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов на установке, в котором два сосуда соединены между собой трубкой определенной длины и сечения и заполнены смесью двух газов (гелия и воздуха) при одинаковом давлении, но с разной концентрацией компонентов (Лабораторный практикум по общей физике: учебное пособие в 2 т. T.1: Термодинамика и молекулярная физика. 2-е изд., испр. - 292 с./Гладун А.Д., Александров Д.А., Игошин Ф.Ф. и др.; Под ред. А.Д. Гладуна. - М., МФТИ, 2007.). Коэффициент взаимной диффузии определяется из зависимости концентрации гелия в воздухе от времени. Для измерения концентрации гелия применяются датчики теплопроводности с использованием зависимости концентрации газовой смеси от ее состава. Недостатком этого метода является то, что он является косвенным, требует предварительного измерения зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава, обладает невысокой точностью измерений.

Наиболее близким техническим решением является диффузионная ячейка для измерения коэффициента диффузии в прозрачном капилляре, соединяющем два сосуда со смесями газов с разной концентрацией при стационарном диффузионном потоке, а также при наличии движения газа как целого (А.с. 511539 СССР. МКП G01N 13/00; G01N 21/40; G01N 27/18; Диффузионная ячейка /Курлапов Л.И., Косов Н.Д.; (СССР). - 19572990/25; заявл.03.09.73; опубл. 25.04.76, Бюл. 15. - 2 с.: ил.). Распределение газов в капилляре измеряется с помощью подвижного вдоль его оси интерферометра. Кроме интерферометра, внутри соединительного капилляра по всей длине установлены два проводящих вывода из немагнитного материала, между которыми на скользящих магнитных контактах установлен чувствительный элемент детектора по теплопроводности (катарометра). Использование последнего позволяет выделить направленный массоперенос из общего потока движущегося неоднородного газа и отделить диффузионный поток. Далее по первому закону Фика вычисляют коэффициент диффузии.

Недостатком данного метода является применение двух измерительных устройств и сложной процедуры измерения.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание более простого, наглядного устройства по сравнению с прототипом для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров исследуемых жидкостей и газа. Решение указанный технической задачи достигается тем, что прозрачный капилляр частично заполняется жидкостью, один конец которого плотно закрывается, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава). В процессе испарения вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным и имеет максимально возможную плотность (концентрацию молекул). Испарившиеся из жидкости молекулы преодолевают расстояние от ее поверхности к открытому во внешнюю газовую среду концу капилляра путем диффузии. Скорость перемещения поверхности жидкости, наблюдаемой в микроскоп с мерной шкалой для определения ее положения, вследствие испарения молекул зависит от ее расстояния до открытого конца капилляра, плотности (концентрации молекул) насыщенного пара при температуре измерения и коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров и внешнего газа, который рассчитывается по первому закону Фика, описывающему это явление.

Отличительными признаками предлагаемой ПМ является диффузионная ячейка в виде тонкостенного прозрачного капилляра открытого с одного конца и плотно закрытым с другого и частично заполненного жидким исследуемым веществом (например, спирт этиловый и др. спирты, ацетон, дихлорэтан, бензол и т.п.).

При испарении молекулы жидкости, покидая ее поверхность, преодолевают расстояние до открытого конца путем диффузии во внешней газовой среде, заполняющей свободное от жидкости пространство капилляра. Вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным, его давление максимально для данной температуры, которое известно и является табличным. На открытом конце капилляра давление и плотность пара равны нулю для всех исследуемых жидкостей кроме воды, которая всегда присутствует в атмосфере. Для воды давление пара в атмосфере зависит от влажности воздуха при проведении измерений. Дождавшись установления стационарного потока, измеряют начальное положение h мениска от свободного конца капилляра, а затем - малое перемещение h (h<<h) поверхности жидкости вдоль капилляра за время измерения.

Процесс диффузии наблюдается микроскопе, в поле зрения которого имеется изображение масштабной линейки для измерения положения мениска жидкости относительно свободного конца капилляра. Скорость перемещения поверхности жидкости вследствие испарения молекул зависит от ее расстояния до открытого конца капилляра, плотности (концентрации молекул) насыщенного пара при температуре измерения и коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров и газа, который затем вычисляется по первому закону Фика, описывающему это явление.

Диффузионная ячейка в виде прозрачного капилляра постоянного сечения, отличающаяся тем, что капилляр выполнен открытым с одного конца и плотно закрытым с другого и частично заполнен жидким исследуемым веществом.