الانصباب

في الفيزياء والكيمياء، يُعرف الانصباب بأنه عملية خروج الغاز من وعاء عبر ثقب قطره أصغر بكثير من متوسط ​​المسار الحر لجزيئاته. ^{[ 1 ]} يُوصف هذا الثقب عادةً بأنه ثقب صغير جدًا ، ويعود خروج الغاز إلى فرق الضغط بين الوعاء والسطح الخارجي.

في ظل هذه الظروف، تستمر جميع الجزيئات التي تصل إلى الفتحة في الحركة وتمر عبرها، نظرًا لأن التصادمات بين الجزيئات في منطقة الفتحة ضئيلة للغاية. وعلى العكس من ذلك، عندما يكون القطر أكبر من متوسط ​​المسار الحر للغاز، فإن التدفق يخضع لقانون سامبسون .

في المصطلحات الطبية، يشير الانصباب إلى تراكم السوائل في حيز تشريحي ، وعادةً ما يكون ذلك بدون تكيسات . ومن الأمثلة المحددة على ذلك الانصباب تحت الجافية ، والانصباب الخشائي ، والانصباب التاموري ، والانصباب الجنبي .

كلمة effusion مشتقة من الكلمة اللاتينية effundo، والتي تعني "سكب" أو "صب" أو "سكب" أو "إفراغ" أو "إسراف".

يمكن حساب معدل التدفق من وعاء متوازن إلى الفراغ الخارجي بناءً على النظرية الحركية . ^{[ 2 ]} يُعطى عدد التصادمات الذرية أو الجزيئية مع جدار الوعاء لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمن ( معدل الاصطدام ) بالمعادلة التالية:$${\displaystyle J_{\text{impingement}}={\frac {P}{\sqrt {2\pi mk_{\text{B}}T}}}.}$$ بافتراض أن متوسط ​​المسار الحر أكبر بكثير من قطر الثقب الدقيق، ويمكن التعامل مع الغاز كغاز مثالي . ^{[ 3 ]}

إذا كانت مساحة صغيرة${\displaystyle A}$إذا تم ثقب الحاوية لتصبح فتحة صغيرة، فسيكون معدل التدفق الانصبابي $${\displaystyle {\begin{aligned}Q_{\text{effusion}}&=J_{\text{impingement}}\times A\\&={\frac {PA}{\sqrt {2\pi mk_{\text{B}}T}}}\\&={\frac {PAN_{\text{A}}}{\sqrt {2\pi MRT}}}\end{aligned}}}$$ أين${\displaystyle M}$الكتلة المولية ،${\displaystyle N_{\text{A}}}$هو ثابت أفوجادرو ، و${\displaystyle R=N_{\text{A}}k_{\text{B}}}$هو ثابت الغازات العام .

متوسط ​​سرعة الجسيمات المتدفقة هو $${\displaystyle {\begin{aligned}{\overline {v_{x}}}&={\overline {v_{y}}}=0\\{\overline {v_{z}}}&={\sqrt {\frac {\pi k_{\text{B}}T}{2m}}}.\end{aligned}}}$$

بالإضافة إلى معدل التدفق الانصبابي، فإن قوة الارتداد/الدفع على النظام نفسه هي $${\displaystyle F=m{\overline {v_{z}}}{\times }Q_{\text{effusion}}={\frac {PA}{2}}.}$$

ومن الأمثلة على ذلك قوة الارتداد على بالون به ثقب صغير يطير في الفراغ.

وفقًا للنظرية الحركية للغازات ، فإن الطاقة الحركية للغاز عند درجة حرارة معينة${\displaystyle T}$يكون

${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv_{\rm {rms}}^{2}={\frac {3}{2}}k_{\rm {B}}T}$

أين${\displaystyle m}$كتلة جزيء واحد،${\displaystyle v_{\rm {rms}}}$هي متوسط ​​سرعة الجزيئات التربيعية، و${\displaystyle k_{\rm {B}}}$هو ثابت بولتزمان . يمكن حساب متوسط ​​سرعة الجزيئات من توزيع سرعة ماكسويل كما يلي:${\textstyle v_{\rm {avg}}={\sqrt {8/3\pi }}\ v_{\rm {rms}}\approx 0.921\ v_{\rm {rms}}}$(أو، على نحو مماثل،${\textstyle v_{\rm {rms}}={\sqrt {3\pi /8}}\ v_{\rm {avg}}\approx 1.085\ v_{\rm {avg}}}$المعدل${\displaystyle \Phi _{N}}$حيث غاز ذو كتلة مولية${\displaystyle M}$ثم يتم التعبير عن التدفقات (عادةً ما يتم التعبير عنها بعدد الجزيئات التي تمر عبر الفتحة في الثانية) ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \Phi _{N}={\frac {\Delta PAN_{A}}{\sqrt {2\pi MRT}}}.}$

هنا${\displaystyle \Delta P}$يمثل فرق ضغط الغاز عبر الحاجز،${\displaystyle A}$هي مساحة الثقب،${\displaystyle N_{\text{A}}}$هو ثابت أفوجادرو ،${\displaystyle R}$هو ثابت الغاز و${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة المطلقة . بافتراض أن فرق الضغط بين جانبي الحاجز أصغر بكثير من${\displaystyle P_{\rm {avg}}}$، متوسط ​​الضغط المطلق في النظام ( أي${\displaystyle \Delta P\ll P_{\rm {avg}}}$)، من الممكن التعبير عن تدفق الانصباب كمعدل تدفق حجمي على النحو التالي:

${\displaystyle \Phi _{V}={\frac {\Delta Pd^{2}}{P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi k_{\text{B}}T}{32m}}}}$

أو

${\displaystyle \Phi _{V}={\frac {\Delta Pd^{2}}{P_{\rm {avg}}}}{\sqrt {\frac {\pi RT}{32M}}}}$

أين${\displaystyle \Phi _{V}}$يمثل معدل التدفق الحجمي للغاز،${\displaystyle P_{\rm {avg}}}$يمثل متوسط ​​الضغط على جانبي الفتحة، و${\displaystyle d}$هو قطر الثقب.

عند ثبات الضغط ودرجة الحرارة، تتناسب سرعة التدفق، وبالتالي معدل التدفق، عكسياً مع الجذر التربيعي للوزن الجزيئي. تتدفق الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض بسرعة أكبر من الغازات ذات الوزن الجزيئي المرتفع، مما يؤدي إلى زيادة عدد الجزيئات الأخف وزناً التي تمر عبر الفتحة في وحدة الزمن.

تُستخدم خلية كنودسن لقياس ضغط بخار مادة صلبة ذات ضغط بخار منخفض للغاية. تُشكّل هذه المادة بخارًا عند ضغط منخفض عن طريق التسامي . ينتشر البخار ببطء عبر ثقب صغير، ويتناسب فقدان الكتلة طرديًا مع ضغط البخار، ويمكن استخدامه لتحديد هذا الضغط. ^{[ 4 ]} كما يمكن تحديد حرارة التسامي بقياس ضغط البخار كدالة لدرجة الحرارة، باستخدام علاقة كلاوزيوس-كلابيرون . ^{[ 6 ]}