انفلات الغازات

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

انفلات الغازات

انفلات غازات

Gas escapement - Echappement de gaz

انفلات الغازات

فوزي عوض

انفلات الغاز gas effusion (أو اندفاقه) هو عبور غازٍ من منطقة ضغطٍ عالٍ إلى منطقة ضغطٍ منخفضٍ عبر فتحةٍ أو ثقبٍ صغيرٍ، فيشترط يكون نصف قطر الفتحة أصغر من المسار الحر الوسطي لذرات الغاز أو جزيئاته حتى يصح القانون الذي يحكم هذه الحالة. والمسار الحر الوسطي هو المسافة الفاصلة بين تصادمين متتاليين لجزيئة الغاز مع إحدى جزيئات الغاز الأخرى، وهو يتناسب عكساً مع عدد الجزيئات في واحدة الحجم (أي الكثافة العددية). وإذا كانت منطقة الضغط المنخفض هي الخلاء سميت العملية تمدداً حراً free expansion، ويسمى أحياناً انفلاتاً حراً، وفيها يتركز الاهتمام على مدى انخفاض درجة حرارة الغاز dT عند انتقاله بين المنطقتين فرق الضغط بينهما dP. لذا يعرّف معامل جول- تومسون Joule –Thomson coefficient التالي:. تستعمل هذه العملية في أجهزة التبريد فمع تكرارها يبرد الغاز الذي يبرِّد بدوره محتويات المبرّدة. أما عملية انفلات الغاز المقصودة هنا فيتركز الاهتمام فيها على الخصائص الحركية للجزيئات العابرة التي تكوّن حزمة من هذه الجزيئات فتحدّد سرعها وجِهَة حركتها وعددها. كذلك يجب التمييز بين هذه الحالة والحالة التي لا يكون فيها نصف قطر الفتحة أصغر من المسار الحر الوسطي إذ تعالج الحالة عندئذٍ وفق قوانين جريان الموائع العادية.

بدأت دراسة انفلات الغاز مع ظهور النظرية الحركية للغازات قرابة عام 1860، فبعد أن أمكن استنتاج قانون الغازات العام اعتماداً على نموذجٍ حركيٍّ من الجزيئات المتصادمة، تنبأت النظرية بعدد الجزيئات في واحدة الحجم N(v) dv التي تقع قيم سرعها ضمن مجالٍ ضيّقٍ بينv وv+dv والذي يعطى بالعلاقة (1):

حيث:

n كثافة الجزيئات العددية الوسطية أي عدد الجزيئات الكلي مقسومة على حجم الغاز

m كتلة الجزيئة

k ثابتة بولتزمان

T درجة حرارة الغاز المطلقة. وهذا ما يعرف بقانون توزع ماكسويل – بولتزمان.

وقد تطلب التأكد من هذا القانون استعمال حزم جزيئية تصدر عن فتحة في فرن يحدد اتجاهها باعتراضها بحاجز فيه شقٌّ يوازي الفتحة، ثم تجعل الحزمة تمر عبر قرصين فيهما شقوقٌ منتظمة مرتبطين بمحور، كما في الشكل (1)، فيعملان عمل مصفاة يحدد البعد بينهما وسرعة دورانهما الجزيئات ذات السرع المناسبة للعبور من شقين في القرصين المتقابلين فتصل الكاشف الذي يقوم بدوره بعدّ الجزيئات التي تصله؛ يسمى هذا الترتيب منتقي السرعة velocity selector وتوجد أنواع أخرى منه. لقد وجد أن العلاقة (1) تحتاج إلى تعديل في الحالة المدروسة؛ فهي تعطي عدد الجزيئات ذات القيم المحصورة في المجال بغض النظر عن اتجاهاتها، في حين لا تخرج الجزيئات من الفتحة إلا إذا كان اتجاهها نحو خارج الوعاء الحاوي على الغاز. ويجب أيضاً ألا تتصادم الجزيئات بعد عبورها السطح الداخلي للفتحة بعضها مع بعض أو مع جدار الفتحة مما يفرض كون جدار الفتحة رقيقاً، وأن يكون المسار الحر الوسطي للجزيئات أكبر من قطر الفتحة لتعبر من دون تعديل، فيكون عدد الجزيئات التي تعبر الفتحة في الثانية نحو خارجها في حالة الانفلات متناسبة مع العلاقة (2):

حيث d الزاوية المجسمة التي قاعدتها مساحة الفتحة، ويلاحظ أن التعديلات جعلت تبعية التوزيع مختلفة عن توزع ماكسويل_بولتزمان فحلّت v³ مكان v² والزاوية المجسمة مكان مساحة السطح. وقد أمكن التحقق من الانتقال بين الحالتين عند تغيير مساحة الفتحة.

الشكل (1)

يعدّ انفلات الغاز تسرباً غير مرغوب فيه عندما يحدث عبر أوعية ذات جدران رقيقة كما في تسرب الهليوم من الأوعية الزجاجية أو من البالونات المطاطية؛ لكنه يستفاد من عملية انفلات الغازات وخواص الحزمة الجزيئية الصادرة بنتيجة تغيير الضغط بين طرفي الفتحة في مجالات انتقاء الحزم الجزيئية ذات السرع المحددة، كما يستفاد من هذه العملية عند التحكم بنصف قطر الفتحة تحكماً مناسباً بفصل النظائر نتيجة اعتماد عدد الجزيئات العابرة على كتلة الجزيئة إضافة إلى سرعتها، أو فصل نوعين أو أكثر في مزيجٍ من الغازات. وقد تبيّن حديثا إمكان استعمال الانفلات للحصول مباشرةً على حزمٍ بسرعةٍ محددةٍ فوق صوتيةٍ عندما يكون الضغط على الفتحة من أحد أطرافها عالياً جداً فتنفلت الجزيئات بسرعةٍ وتبرد في الوقت نفسه.

مراجع للاستزادة:

- Stephen J. Blundell & Katherine M. Blundell,Concepts in Thermal Physics, Oxford University Press, 2009.