En física y química, la efusión es el proceso en el cual un gas escapa de un recipiente a través de un orificio de diámetro considerablemente menor que el recorrido libre medio de las moléculas. [1] Dicho orificio se describe a menudo como un agujero de alfiler y el escape del gas se debe a la diferencia de presión entre el recipiente y el exterior.
En estas condiciones, prácticamente todas las moléculas que llegan al agujero continúan su recorrido y pasan a través de él, ya que las colisiones entre moléculas en la región del agujero son despreciables. Por el contrario, cuando el diámetro es mayor que el recorrido libre medio del gas, el flujo obedece a la ley de flujo de Sampson .
En la terminología médica, un derrame se refiere a la acumulación de líquido en un espacio anatómico , generalmente sin loculación . Algunos ejemplos específicos incluyen derrames subdurales , mastoideos , pericárdicos y pleurales .
La palabra efusión deriva del latín effundo, que significa "derramar", "derramar", "derramar", "prodigar", "desperdiciar".
La efusión desde un recipiente equilibrado al vacío exterior se puede calcular con base en la teoría cinética . [2] El número de colisiones atómicas o moleculares con una pared de un recipiente por unidad de área por unidad de tiempo (tasa de impacto) se da: suponiendo que el camino libre medio es mucho mayor que el diámetro del orificio y que el gas puede tratarse como un gas ideal . [3]
Si se perfora una pequeña área del recipiente para convertirla en un pequeño orificio, la tasa de flujo efusivo será donde es la masa molar , es la constante de Avogadro y es la constante molar del gas .
La velocidad media de las partículas efundidas es
Combinado con el caudal efusivo, la fuerza de retroceso/empuje en el propio sistema es
Un ejemplo es la fuerza de retroceso de un globo con un pequeño agujero que vuela en el vacío.
Según la teoría cinética de los gases , la energía cinética de un gas a una temperatura es
donde es la masa de una molécula, es la velocidad cuadrática media de las moléculas y es la constante de Boltzmann . La velocidad molecular promedio se puede calcular a partir de la distribución de velocidad de Maxwell como (o, equivalentemente, ). La velocidad a la que se efunde un gas de masa molar (típicamente expresada como el número de moléculas que pasan a través del orificio por segundo) es entonces [4]
Aquí está la diferencia de presión del gas a través de la barrera, es el área del agujero, es la constante de Avogadro , es la constante del gas y es la temperatura absoluta . Suponiendo que la diferencia de presión entre los dos lados de la barrera es mucho menor que , la presión absoluta promedio en el sistema ( es decir, ), es posible expresar el flujo de efusión como un caudal volumétrico de la siguiente manera:
o
donde es el caudal volumétrico del gas, es la presión media a cada lado del orificio y es el diámetro del orificio.
A presión y temperatura constantes, la velocidad cuadrática media y, por lo tanto, la tasa de efusión son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada del peso molecular. Los gases con un peso molecular menor efunden más rápidamente que los gases con un peso molecular mayor, de modo que el número de moléculas más ligeras que pasan a través del orificio por unidad de tiempo es mayor.
El químico escocés Thomas Graham (1805-1869) descubrió experimentalmente que la velocidad de efusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de sus partículas. [5] En otras palabras, la relación de las velocidades de efusión de dos gases a la misma temperatura y presión está dada por la relación inversa de las raíces cuadradas de las masas de las partículas de gas.
donde y representan las masas molares de los gases. Esta ecuación se conoce como ley de efusión de Graham .
La velocidad de efusión de un gas depende directamente de la velocidad media de sus partículas. Por lo tanto, cuanto más rápido se muevan las partículas de gas, más probabilidades hay de que pasen por el orificio de efusión.
La celda de Knudsen se utiliza para medir las presiones de vapor de un sólido con una presión de vapor muy baja. Un sólido de este tipo forma un vapor a baja presión por sublimación . El vapor se expulsa lentamente a través de un orificio y la pérdida de masa es proporcional a la presión de vapor y se puede utilizar para determinar esta presión. [4] El calor de sublimación también se puede determinar midiendo la presión de vapor en función de la temperatura, utilizando la relación de Clausius-Clapeyron . [6]