Máy tính tốc độ khuếch tán khí là gì?
Khuếch tán (effusion) là quá trình các phân tử khí thoát ra qua một lỗ nhỏ vào chân không. Định luật Graham cho biết khí nhẹ sẽ khuếch tán nhanh hơn khí nặng — tốc độ khuếch tán tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng mol. Công cụ này dùng định luật Graham để tìm tốc độ khuếch tán của một khí (khí 1) khi bạn đã biết tốc độ của một khí tham chiếu (khí 2) cùng khối lượng mol của cả hai.
Cách sử dụng
Nhập tốc độ khuếch tán đã biết của khí 2 (rate₂), khối lượng mol của khí 1 (M₁) và khối lượng mol của khí 2 (M₂), đều tính bằng g/mol. Máy tính sẽ trả về rate₁ với cùng đơn vị như rate₂, kèm theo tỉ số tốc độ không thứ nguyên rate₁/rate₂.
Giải thích công thức
Định luật Graham được viết dưới dạng $$\frac{r_1}{r_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}}$$ Hãy để ý rằng khối lượng mol bị hoán đổi vị trí so với tốc độ — khí nhẹ hơn (M nhỏ hơn) sẽ có tốc độ lớn hơn. Khi biến đổi để tìm đại lượng chưa biết, ta có: $$r_1 = r_2 \times \sqrt{\frac{M_2}{M_1}}$$ Nếu \(M_1 < M_2\) thì giá trị căn bậc hai sẽ lớn hơn 1 và khí 1 khuếch tán nhanh hơn khí 2.
Ví dụ minh họa
So sánh heli (\(M_1 = 4{,}0026\) g/mol) với oxy (\(M_2 = 31{,}998\) g/mol), trong đó oxy khuếch tán với rate₂ = 1. Khi đó $$r_1 = 1 \times \sqrt{\frac{31{,}998}{4{,}0026}} = \sqrt{7{,}994} \approx 2{,}827$$ Heli khuếch tán nhanh hơn oxy khoảng 2,83 lần — hoàn toàn phù hợp với khối lượng mol nhỏ hơn nhiều của nó.
Câu hỏi thường gặp
Khuếch tán (effusion) có giống với khuếch tán (diffusion) không? Hai hiện tượng này có liên quan với nhau; định luật Graham áp dụng cho cả hai ở mức gần đúng, nhưng về mặt chính xác nó mô tả hiện tượng khí thoát qua một lỗ nhỏ (effusion).
rate₂ nên dùng đơn vị nào? Bất kỳ đơn vị tốc độ nào miễn là nhất quán (mol/s, thể tích/thời gian, hoặc thậm chí một giá trị tương đối bằng 1). rate₁ sẽ được trả về với cùng đơn vị đó.
Tại sao khối lượng mol lại bị đảo vị trí? Ở cùng nhiệt độ, các phân tử nhẹ hơn chuyển động nhanh hơn (do động năng trung bình bằng nhau), vì vậy M₁ nhỏ hơn sẽ cho tốc độ lớn hơn.
