RU146742U1 - DIFFUSION CELL - Google Patents

Abstract

Диффузионная ячейка в виде прозрачного капилляра постоянного сечения, отличающаяся тем, что капилляр выполнен открытым с одного конца и плотно закрытым с другого и частично заполнен жидким исследуемым веществом.A diffusion cell in the form of a transparent capillary of constant cross section, characterized in that the capillary is made open at one end and tightly closed at the other and partially filled with liquid test substance.

Description

Полезная модель (ПМ) относится к области молекулярной физики и может быть использована для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов.The utility model (PM) relates to the field of molecular physics and can be used to measure the coefficient of mutual diffusion of gas molecules.

Известен метод определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов на установке, в котором два сосуда соединены между собой трубкой определенной длины и сечения и заполнены смесью двух газов (гелия и воздуха) при одинаковом давлении, но с разной концентрацией компонентов (Лабораторный практикум по общей физике: учебное пособие в 2 т. T.1: Термодинамика и молекулярная физика. 2-е изд., испр. - 292 с./Гладун А.Д., Александров Д.А., Игошин Ф.Ф. и др.; Под ред. А.Д. Гладуна. - М., МФТИ, 2007.). Коэффициент взаимной диффузии определяется из зависимости концентрации гелия в воздухе от времени. Для измерения концентрации гелия применяются датчики теплопроводности с использованием зависимости концентрации газовой смеси от ее состава. Недостатком этого метода является то, что он является косвенным, требует предварительного измерения зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава, обладает невысокой точностью измерений.A known method for determining the coefficient of mutual diffusion of gas molecules in an installation in which two vessels are connected by a tube of a certain length and cross section and filled with a mixture of two gases (helium and air) at the same pressure but with different concentrations of components (Laboratory workshop on general physics: educational allowance in 2 volumes T.1: Thermodynamics and molecular physics, 2nd ed., revised - 292 pp. / Gladun A.D., Aleksandrov D.A., Igoshin F.F. et al .; Ed. A.D. Gladuna. - M., MIPT, 2007.). The mutual diffusion coefficient is determined from the dependence of the concentration of helium in air on time. Thermal conductivity sensors are used to measure the concentration of helium using the dependence of the concentration of the gas mixture on its composition. The disadvantage of this method is that it is indirect, requires a preliminary measurement of the dependence of the thermal conductivity of the gas mixture on its composition, and has low measurement accuracy.

Наиболее близким техническим решением является диффузионная ячейка для измерения коэффициента диффузии в прозрачном капилляре, соединяющем два сосуда со смесями газов с разной концентрацией при стационарном диффузионном потоке, а также при наличии движения газа как целого (А.с. 511539 СССР. МКП G01N 13/00; G01N 21/40; G01N 27/18; Диффузионная ячейка /Курлапов Л.И., Косов Н.Д.; (СССР). - №19572990/25; заявл.03.09.73; опубл. 25.04.76, Бюл. №15. - 2 с.: ил.). Распределение газов в капилляре измеряется с помощью подвижного вдоль его оси интерферометра. Кроме интерферометра, внутри соединительного капилляра по всей длине установлены два проводящих вывода из немагнитного материала, между которыми на скользящих магнитных контактах установлен чувствительный элемент детектора по теплопроводности (катарометра). Использование последнего позволяет выделить направленный массоперенос из общего потока движущегося неоднородного газа и отделить диффузионный поток. Далее по первому закону Фика вычисляют коэффициент диффузии.The closest technical solution is a diffusion cell for measuring the diffusion coefficient in a transparent capillary, connecting two vessels with gas mixtures of different concentrations in a stationary diffusion flow, as well as in the presence of gas motion as a whole (AS 511539 USSR. MKP G01N 13/00 ; G01N 21/40; G01N 27/18; Diffusion cell / Kurlapov L.I., Kosov N.D .; (USSR). - No. 19572990/25; claimed 03.09.73; publ. 25.04.76, Bull. No. 15. - 2 pp., Ill.). The gas distribution in the capillary is measured using a moving interferometer along its axis. In addition to the interferometer, two conductive leads made of non-magnetic material are installed inside the connecting capillary along the entire length, between which a sensitive element of the thermal conductivity detector (katharometer) is installed on the sliding magnetic contacts. The use of the latter allows one to isolate the directed mass transfer from the total flow of a moving inhomogeneous gas and to separate the diffusion flow. Then, according to Fick's first law, the diffusion coefficient is calculated.

Недостатком данного метода является применение двух измерительных устройств и сложной процедуры измерения.The disadvantage of this method is the use of two measuring devices and a complex measurement procedure.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание более простого, наглядного устройства по сравнению с прототипом для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров исследуемых жидкостей и газа. Решение указанный технической задачи достигается тем, что прозрачный капилляр частично заполняется жидкостью, один конец которого плотно закрывается, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава). В процессе испарения вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным и имеет максимально возможную плотность (концентрацию молекул). Испарившиеся из жидкости молекулы преодолевают расстояние от ее поверхности к открытому во внешнюю газовую среду концу капилляра путем диффузии. Скорость перемещения поверхности жидкости, наблюдаемой в микроскоп с мерной шкалой для определения ее положения, вследствие испарения молекул зависит от ее расстояния до открытого конца капилляра, плотности (концентрации молекул) насыщенного пара при температуре измерения и коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров и внешнего газа, который рассчитывается по первому закону Фика, описывающему это явление.The objective of the proposed utility model is to create a simpler, more visual device compared to the prototype for measuring the coefficient of mutual diffusion of gaseous vapor molecules of the studied liquids and gas. The solution of the specified technical problem is achieved by the fact that the transparent capillary is partially filled with liquid, one end of which is tightly closed, and the other remains open in an external homogeneous gas environment (atmospheric air or a special reference gas - a standard sample with established composition values). In the process of evaporation near the surface of the liquid, the vapor is saturated and has the highest possible density (concentration of molecules). Molecules evaporated from the liquid overcome the distance from its surface to the end of the capillary open to the external gas medium by diffusion. The velocity of the liquid surface, observed under a microscope with a measuring scale to determine its position, due to the evaporation of molecules, depends on its distance to the open end of the capillary, the density (concentration of molecules) of saturated steam at the measurement temperature and the mutual diffusion coefficient of gaseous vapor molecules and an external gas, which calculated according to the first Fick law describing this phenomenon.

Отличительными признаками предлагаемой ПМ является диффузионная ячейка в виде тонкостенного прозрачного капилляра открытого с одного конца и плотно закрытым с другого и частично заполненного жидким исследуемым веществом (например, спирт этиловый и др. спирты, ацетон, дихлорэтан, бензол и т.п.).Distinctive features of the proposed PM is a diffusion cell in the form of a thin-walled transparent capillary open at one end and tightly closed at the other and partially filled with liquid test substance (for example, ethyl alcohol and other alcohols, acetone, dichloroethane, benzene, etc.).

При испарении молекулы жидкости, покидая ее поверхность, преодолевают расстояние до открытого конца путем диффузии во внешней газовой среде, заполняющей свободное от жидкости пространство капилляра. Вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным, его давление максимально для данной температуры, которое известно и является табличным. На открытом конце капилляра давление и плотность пара равны нулю для всех исследуемых жидкостей кроме воды, которая всегда присутствует в атмосфере. Для воды давление пара в атмосфере зависит от влажности воздуха при проведении измерений. Дождавшись установления стационарного потока, измеряют начальное положение h мениска от свободного конца капилляра, а затем - малое перемещение Δh (Δh<<h) поверхности жидкости вдоль капилляра за время измерения.During the evaporation of a liquid molecule, leaving its surface, they overcome the distance to the open end by diffusion in an external gas medium, filling the capillary-free space from the liquid. Near the surface of the liquid, the vapor is saturated, its pressure is maximum for a given temperature, which is known and tabular. At the open end of the capillary, the vapor pressure and density are equal to zero for all studied liquids except water, which is always present in the atmosphere. For water, the vapor pressure in the atmosphere depends on air humidity during measurements. After the stationary flow is established, the initial position of the meniscus h from the free end of the capillary is measured, and then the small displacement Δh (Δh << h) of the liquid surface along the capillary during the measurement is measured.

Процесс диффузии наблюдается микроскопе, в поле зрения которого имеется изображение масштабной линейки для измерения положения мениска жидкости относительно свободного конца капилляра. Скорость перемещения поверхности жидкости вследствие испарения молекул зависит от ее расстояния до открытого конца капилляра, плотности (концентрации молекул) насыщенного пара при температуре измерения и коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров и газа, который затем вычисляется по первому закону Фика, описывающему это явление.The diffusion process is observed under a microscope, in the field of view of which there is an image of a scale bar to measure the position of the meniscus of the liquid relative to the free end of the capillary. The velocity of the liquid surface due to the evaporation of molecules depends on its distance to the open end of the capillary, the density (concentration of molecules) of saturated steam at the measurement temperature, and the coefficient of mutual diffusion of the molecules of gaseous vapors and gas, which is then calculated according to Fick's first law describing this phenomenon.

Claims (1)

Диффузионная ячейка в виде прозрачного капилляра постоянного сечения, отличающаяся тем, что капилляр выполнен открытым с одного конца и плотно закрытым с другого и частично заполнен жидким исследуемым веществом.

A diffusion cell in the form of a transparent capillary of constant cross section, characterized in that the capillary is made open at one end and tightly closed at the other and partially filled with liquid test substance.

Images