• Inicio
• Física estadística y Termodinámica
• Física estadística

Efusión de un gas. Concepto de flujo

El número de moléculas cuya velocidad está comprendida entre v y v+dv, es decir, entre v_x y v_x+dv_x, v_y y v_y+dv_y, v_z y v_z+dv_z, de acuerdo a la ley de Boltzman es

${\displaystyle dn=N{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)dv}$

donde dv es un elemento de volumen en el espacio de las velocidades

Para integrar, expresamos el elemento de volumen dv en el espacio de velocidades en coordenadas polares. Para ello,

• Trazamos dos esferas concéntricas de radio v y v+dv.

• Cortamos las esferas por dos planos meridianos que pasan por los ángulos φ y φ+dφ.

• Finalmente, cortamos las esferas por dos planos paralelos de ángulos θ, y θ+dθ

El volumen comprendido es paralepípedo elemental de color gris de la figura tiene por lados

dv
v·sinθ·dφ
v·dθ

Su volumen es

dv=v²·sinθ·dv·dθ·dφ

Se define el flujo Φ, como el número de moléculas que chocan contra la pared por unidad de área y unidad de tiempo.

Calculamos primero, el número de moléculas con velocidad v que chocan contra una porción de pared de área A en el tiempo dt, que se mueven en una dirección que hace un ángulo θ con la normal a la pared, que son las contenidas en el volumen cilíndrico de base A y altura v·cosθ·dt. Se multiplica el número de moléculas por unidad de volumen (dn/V) por el volumen del cilindro de la figura.

(dn/V)·A·v·cosθ·dt.

El número de moléculas con velocidad v que chocan contra la pared por unidad de área y unidad de tiempo es

(dn/V)·v·cosθ

Para calcular la integral triple, establecemos los límites de integración para las variables v, φ y θ.

Los límites de la primera integral respecto de φ, son 0 y 2π, se integra para todos los ángulos, pero solamente se integra para ángulos θ comprendidos entre 0 y π/2, ya que cuando θ>π/2, v·cosθ se hace negativa y la partícula se aleja de la pared. Por último, se integra para todas las velocidades, desde 0 a ∞.

El flujo es

${\displaystyle \begin{array}{l}\Phi =\frac{1}{V}{\displaystyle \int v·\cos \theta ·dn=}\\ \frac{1}{V}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}N{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)}}}(v·\cos \theta )·v^2\sin \theta ·dv·d\theta ·d\varphi =\\ \frac{2\pi }{V}N{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)v^3}}\cos \theta ·\sin \theta dv·d\theta =\\ \frac{\pi }{V}N{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)v^{3}dv}=\frac{1}{V}{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}·2\pi ·\frac{1}{2}\frac{4k^2{T}^2}{2m^2}=\\ N\sqrt{\frac{kT}{2\pi m}}=\frac{1}{4}\frac{N}{V}<v>\end{array}}$

Para llegar a este resultado se han empleado las integrales

${\displaystyle {\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}\cos \theta ·\sin \theta ·d\theta =\frac{1}{2}}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{x}^3\exp (-\alpha x^2)=\frac{1}{2{\alpha }^2}}}$

La velocidad media de las moléculas de un gas la hemos calculado en la página anterior

${\displaystyle <v>=\frac{1}{N}{\displaystyle \int vdn=}\sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}}$

Medida de la velocidad media de las moléculas

Cuando el recorrido libre medio de las moléculas encerradas en un recipiente es grande comparado con el diámetro de un pequeño orificio hecho en la pared del recipiente, la teoría cinética de los gases predice que el número de moléculas que escapan por unidad de área y por unidad de tiempo de un recipiente cuyo volumen es V y que contiene N moléculas es

${\displaystyle \Phi =\frac{1}{4}\frac{N}{V}<v>}$

Si el agujero tiene un área A, el recipiente va perdiendo moléculas a razón de Φ·A en la unidad de tiempo. La ecuación que nos da la variación del número N de moléculas del recipiente con el tiempo t es

${\displaystyle \frac{dN}{dt}=-\frac{1}{4}\frac{N}{V}<v>A}$

Empleando la ecuación de los gases ideales p·V=N·k·T

${\displaystyle \frac{dp}{dt}=-\frac{1}{4}\frac{<v>A}{V}p}$

Integrando entre la presión inicial p₀=1 atm en el instante t=0 y la presión final p en el instante t. Obtenemos la variación de la presión con el tiempo t.

${\displaystyle p=p_0\exp \left(-\frac{1}{4}\frac{<v>A}{V}t\right)}$

Un ejemplo dramático de aplicación de esta fórmula, consiste en la despresurización de una nave espacial a consecuencia del choque de un pequeño meteorito que logre perforar sus paredes. Supongamos una nave espacial  de 20 m³, que contiene oxígeno a la temperatura de 20º C y a la presión de 1 atm. El meteorito hace un pequeño agujero de 1 cm² por el que se escapa el gas. Determinar la presión del gas al cabo de 1 hora.

La velocidad media de las moléculas de oxígeno m=32 g a la temperatura de 293 K es

${\displaystyle <v>=\sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}<v>=\sqrt{\frac{8·1.3805·{10}^{-23}·293}{\pi ·0.032/6.0225·{10}^{23}}}=440.3\text{m/s}}$

La presión p del oxígeno en la nave espacial al cabo de una hora t=3600 s, será

${\displaystyle p\text{=1·exp}\left(\text{-}\frac{\text{440}{\text{.3·10}}^{\text{-4}}}{\text{4·20}}3600\right)=0.14\text{atm}}$

Como actividad, se va a realizar un experimento que nos permita calcular la velocidad media de las moléculas del gas a partir de la medida de la variación de la presión p del recipiente en función del tiempo t.

Actividades

Se introduce

• El gas, eligiéndolo en el control de selección titulado Gases.

• La temperatura (en K), en el control de edición titulado Temperartura

• El área del orificio practicado en el recipiente (en mm²), en el control de edición titulado Area orificio.

• La presión inicial p₀ se ha fijado en 1 atm

• El volumen V del recipiente se ha fijado en 3.5 litros.

Se pulsa el botón titulado Empieza.

Se observa, como disminuye la presión a medida que se escapan las moléculas del gas por el orificio practicado en el recipiente.

En la parte derecha del applet, hay un manómetro de mercurio que nos señala la presión p en cada instante t. En la parte izquierda, se representa la presión (en atm) en el eje vertical, en función del tiempo (en minutos) en el eje horizontal.

Cada minuto, se toma una medida de la presión, y se guarda los pares de datos (tiempo, presión) en el control área de texto situado en la parte izquierda del applet.

Una vez que se hayan completado todas las medidas, se pulsa el botón titulado Gráfica. Se representa los resultados “experimentales” en “papel” semilogarítmico, y la recta que mejor ajusta. En el eje horizontal se representa el tiempo (en minutos), en el eje vertical el logaritmo decimal de la presión.

A partir de esta gráfica calculamos la constante de tiempo

${\displaystyle \frac{1}{4}\frac{<v>A}{V}}$

y conocida el área del orificio A y el volumen del recipiente V, determinamos la velocidad media <v> de las moléculas del gas elegido a la temperatura dada T.

Datos

Vapor de la sustancia	Masa molecular (g)
Hidrógeno (H2)	2
Oxígeno (O2)	32
Nitrógeno (N2)	28
Helio (He)	4
Neón (Ne)	10
Argón (Ar)	18

• Constante de Boltzmann k= 1.3805·10^-23 J/K

• Número de Avogadro N_A=6.0225·10²³ mol^-1

• Densidad del mercurio ρ=13550 kg/m³

• Presión atmosférica p₀=1 atm=1.013·10⁵ Pa

Ejemplo:

Para medir la presión se utiliza un manómetro de mercurio. Como el gas sale del recipiente su presión disminuye hasta que se hace cero (en un tiempo teóricamente infinito). En el manómetro abierto, las dos ramas estarán equilibradas (a la misma altura) en el instante inicial cuando la presión del gas contenido en el recipiente es p0=1.0 atm.

Cuando la presión p del recipiente disminuye hay una diferencia 2h en el nivel en las dos ramas del líquido manométrico. La diferencia de presión

p₀-p=ρg2h

Ejemplo

La diferencia de las alturas de las dos ramas del líquido manométrico es de 2·13.5 cm. Calcular la presión p en el recipiente

p=1.013·10⁵-13550·9.8·2·0.135=65447 Pa

p=65447/1.013·105=0.64 atm

Sea un recipiente de V=3.5 litros que contiene Neón a la temperatura de T=293 K. Se hace un orificio en el recipiente de área A=0.1 mm². Determinar la velocidad media de las moléculas de neón a dicha temperatura.

Los resultados “experimentales” se representan en “papel semilogarítmico”, tal como se muestra en la figura.

Observamos que para t=10 min le corresponde log₁₀p=-1.47, con estos datos calculamos la constante de tiempo.

${\displaystyle \begin{array}{l}{\log }_{10}p={\log }_{10}{p}_0-\frac{1}{4}\frac{<v>A}{V}t·{\log }_{10}e\\ -1.47={\log }_{10}1.0-\frac{1}{4}\frac{<v>·0.1·{10}^{-6}}{3.5·{10}^{-3}}10·60·{\log }_{10}e\end{array}}$

La velocidad media es  <v>=789.8 m/s, para la temperatura de 293 K

Calculamos la velocidad media mediante la fórmula

${\displaystyle <v>=\sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}<v>=\sqrt{\frac{8·1.3805·{10}^{-23}·293}{\pi ·0.1/6.0225·{10}^{23}}}=787.6\text{m/s}}$

En la parte inferior del applet se proporciona la constante de tiempo, para que podamos comparar con los cálculos realizados

${\displaystyle \frac{1}{4}\frac{<v>A}{V}=\frac{1}{4}\frac{787.6·0.1·{10}^{-6}}{3.5·{10}^{-3}}=5.63·{10}^{-3}{\text{s}}^{\text{-1}}}$

Distribución de las velocidades de las moléculas del haz

Si se hace un pequeño orificio en la pared de un horno que contiene un gas a temperatura T. El número de moléculas con velocidad entre v y v+dv que escapan por unidad de área y por unidad de tiempo es

${\displaystyle \begin{array}{l}d{n}_z={\displaystyle \underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi /2}{\int }}N{\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)(v·\cos \theta )·v^2\sin \theta ·dv·d\theta ·d\varphi }}=\\ N\pi {\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}·v^3\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)dv\end{array}}$

La velocidad media de las moléculas que escapan es

${\displaystyle <v_z>=\frac{1}{\Phi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}v·d{n}_z}=\frac{4}{N<v>}N\pi {\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)}^{3/2}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{v}^4\exp \left(-\frac{m{v}^2}{2kT}\right)dv}=\frac{3}{8}\sqrt{\frac{2\pi kT}{m}}}$

Para llegar a este resultado, se ha empleado el resultado de la integral

${\displaystyle {\displaystyle \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{x}^4\exp (-\alpha x^2)dx=}\frac{3}{8}\sqrt{\frac{\pi }{{\alpha }^5}}}$

La velocidad media de las moléculas que salen a través del orificio no coincide con la velocidad media de las moléculas contenidas en un recipiente.

Referencias

Alonso, Finn. Física. Fundamentos cuánticos y estadísticos, Edt. Fondo Educativo Interamericano (1971). Problemas 10.29 y 10.30, pág. 471.

Para la experiencia simulada "Medida de la velocidad media de las moléculas"

Benenson. R. Molecular velocity determination through gas effusion: Intermediate laboratory experiment. Am. J. Phys.  37 (1) January 1969, pp. 39-46.

Curso Interactivo de Física en Internet © Ángel Franco García