Định luật tràn dịch của Graham là một nguyên tắc mô tả hành vi của các chất khí khi chúng thoát ra ngoài qua một lỗ nhỏ, được gọi là tràn dịch. Định luật này được nhà hóa học người Scotland Thomas Graham xây dựng vào năm 1848. Định luật Graham giải thích tốc độ thoát ra của một chất khí tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng mol của nó. Điều này có nghĩa là khí nhẹ hơn sẽ thoát ra nhanh hơn khí nặng hơn.
Tràn dịch là quá trình các phân tử khí thoát ra khỏi bình chứa qua một lỗ nhỏ vào chân không. Không nên nhầm lẫn tràn dịch với khuếch tán, đó là sự lan truyền của các phân tử khí khắp không gian cho đến khi chúng được phân bố đồng đều. Tràn dịch tập trung vào sự chuyển động của khí qua hàng rào, trong khi khuếch tán liên quan đến khí lan rộng trong một khu vực mở.
Định luật Graham có thể được biểu diễn bằng toán học như sau:
\( \frac{Rate_1}{Rate_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}} \)Ở đâu:
Phương trình này ngụ ý rằng tốc độ khí thoát ra tỷ lệ thuận với nghịch đảo căn bậc hai của khối lượng mol của nó. Do đó, chất khí có khối lượng mol thấp hơn sẽ thoát ra nhanh hơn chất khí có khối lượng mol cao hơn.
Ví dụ 1: So sánh Hydro và Oxy.
Xét khí hydro (H 2 ) và khí oxy (O 2 ). Hydro có khối lượng mol xấp xỉ 2 g/mol và oxy có khối lượng mol xấp xỉ 32 g/mol. Áp dụng định luật Graham:
\( \frac{Rate_{H_2}}{Rate_{O_2}} = \sqrt{\frac{32}{2}} = \sqrt{16} = 4 \)Điều này có nghĩa là khí hydro thoát ra nhanh hơn bốn lần so với khí oxy.
Ví dụ 2: Mùi nước hoa lan tỏa.
Khi bạn xịt nước hoa, mùi hương sẽ lan nhanh khắp phòng. Điều này là do khối lượng phân tử nhỏ của các phân tử nước hoa, cho phép chúng lan tỏa nhanh chóng vào không khí, tuân theo Định luật Graham.
Định luật Graham có một số ứng dụng thực tế trong các quy trình khoa học và công nghiệp:
Mặc dù Định luật Graham cung cấp những hiểu biết có giá trị về hoạt động của các chất khí nhưng nó có một số hạn chế:
Mặc dù bài học này không liên quan đến việc tiến hành các thí nghiệm, nhưng hiểu được cách chứng minh Định luật Graham sẽ có ích. Một thí nghiệm đơn giản liên quan đến việc sử dụng hai quả bóng bay chứa đầy các loại khí khác nhau, chẳng hạn như khí heli cho một quả bóng và quả bóng kia là carbon dioxide. Bằng cách gắn những quả bóng này vào một thiết bị truyền khí, người ta có thể quan sát tốc độ mỗi khí thoát ra khỏi quả bóng. Việc đo thời gian cần thiết để mỗi quả bóng xì hơi có thể là một minh chứng thực tế về tác dụng của Định luật Graham.
Định luật tràn dịch của Graham là một nguyên tắc cơ bản trong nghiên cứu về chất khí. Nó cung cấp sự hiểu biết rõ ràng về cách các loại khí khác nhau thoát ra qua các lỗ nhỏ và có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau. Bất chấp những hạn chế của nó, Định luật Graham vẫn là một công cụ thiết yếu cho các nhà khoa học và kỹ sư làm việc với các chất khí và hỗn hợp khí.
