Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

_{Водород диффундирует внутрь сосуда сквозь пористую стенку J быстрее, чем воздух из него} 

Фиг. 14.Диффузия газов.

_{Углекислый газ диффундирует внутрь сосуда через пористую стенку J медленнее, чем воздух из него}

В этом и состоит физический метод разделения, основанный на различии молекулярных скоростей, которое обусловлено различием масс молекул (фиг. 15). Здесь не требуется различия химических свойств, и им можно пользоваться для разделения «изотопов» — близнецов, которые совершенно идентичны химически, но немного отличаются атомным весом. Когда впервые были открыты изотопы — один образец газообразного неона оказался на 10 % плотнее другого, а одни атомы свинца тяжелее других, — это казалось любопытным курьезом. Разделение имело смысл с точки зрения демонстрации эффекта. Диффузия естественной смеси неона в атмосфере давала такую возможность. Ню после того как стало известно, что в природном уране перемешаны два изотопа, один из которых легко расщепляется, а другой нет, выделение редкого изотопа стало вопросом первостепенной важности. Сейчас для этого в огромных масштабах используют диффузию газов (см. задачу 11 и фиг.16–18; см. также гл. 30 и 43

[137].

Фиг. 15.Диффузия газов.

_{Воздух и углекислый газ при атмосферном давлении разделяются пористой перегородкой. Сначала они занимали равные объемы при одинаковом давлении и содержали одинаковое число молекул (а). Но молекулы воздуха в среднем проходят по порам быстрее, чем молекулы СО2. Поэтому число молекул и давление становятся неодинаковыми (б).}

Фиг. 16.Разделение изотопов урана с помощью диффузии UF₆ через пористую перегородку.

_{Молекулы газа, много раз соударяясь, с перегородкой и стенками пор, частично проникают сквозь них.}

Фиг. 17. Разделение изотопов урана с помощью диффузии UF₆ через пористую перегородку (а) и многоступенчатое разделение диффузией (б).

_{Смесь, прошедшая первую ступень, перекачивается на вход второй ступени. Неиспользованная смесь перекачивается назад на вход предыдущей ступени}

Фиг. 18.Разделение изотопов урана с помощью диффузии.

_{Чтобы добиться почти полного отделения U²³⁵F}

6, необходимы тысячи ступеней

Температура

Нагревание газа увеличивает р или V. С увеличением температуры всегда возрастает pV, а поэтому и ¹/₃ Nmv^¯2. Следовательно, нагревание газа увеличивает v² и заставляет молекулы двигаться быстрее. В этом суть эффекта повышения температуры.

Задача 10

а) Как по-вашему, при повышении температуря воздуха скорость звука станет больше, меньше или останется той же самой? Объясните.

б) Как вы думаете, при повышении температуры диффузия газов происходит быстрее, медленнее или с той же скоростью? Объясните.

Развитие кинетической теории газов

Мы не в силах дать точных ответов на подобные вопросы, пока не изучим подробнее теплоту, температуру и энергию. Затем мы сможем извлечь новые данные о внутреннем трении в газе, теплопроводности и найдем способ измерения массы отдельной молекулы, так что сможем сосчитать мириады молекул в объеме газа. Мы вернемся к кинетической теории газов после изучения энергии. И именно кинетическая теория газов приводит нас к понятию энергии.

Что такое mv²?

Выражение ¹/₃ Nmv² очень важно с точки зрения изучения газов. Оно означает (забудем на время множитель ¹/₃):

ЧИСЛО МОЛЕКУЛ ГАЗА∙(mv² одной молекулы).