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Effusion (Physik)

Als Effusion (von lat. Effusio, Ausgießung) werden solche physikalischen Vorgänge bezeichnet, bei denen Stoffe, meistens Gase, aber auch Flüssigkeiten, ein geschlossenes Behältnis verlassen, indem sie durch dessen Molekulargitter hindurch wandern, wobei sie dieses Atom für Atom oder Molekül tun. Dafür müssen diese offenbar hinreichend „klein“ sein, aber auch über eine passende räumliche Geometrie und Ladungsverteilung verfügen (siehe auch Van-der-Waals-Kräfte). Dabei sollte der Durchmesser der molekularen „Öffnungen“ klein sein im Vergleich zur mittleren freien Weglänge (siehe auch Brownsche Molekularbewegung) eines effundierenden Moleküls. Andernfalls hätte man nämlich eine gewöhnliche Undichtigkeit, durch die sich Gase und Flüssigkeiten diffusiv verteilen oder vermischen, was nach deutlich anderen physikalischen Regeln abläuft, als die Effusion. Im Gegensatz zur Diffusion, auch der Transfusion durch eine semipermeable Membran, verläuft ein Partikelstrom bei der Effusion nur in eine Richtung und die Effusion endet nach hinreichend langer Zeit in der Regel mit einer völligen Entleerung des Behältnisses.

Die Effusionsgeschwindigkeit eines Gases hängt nur von der Temperatur - die man unter Laborbedingungen kontrollieren kann - und von der Molekülmasse ab. Deshalb kann man diese Technik benutzen, um bei unbekannten Stoffen dieses Gewicht zu bestimmen und dann mittels Verbrennungsanalyse herauszufinden, welche chemische Summenformel die Substanz hat. Heute verwendet man an Stelle der Effusion die viel genauere Massenspektrometrie, welche noch dazu mit minimalen Stoffmengen auskommt.


Bekannte Beispiele

Gesetzmäßigkeiten

Die Geschwindigkeit, mit der unterschiedliche Gase effundieren, hängt von der Masse der Teilchen zusammen. Je größer diese ist, desto langsamer effundiert dieses Gas.

Mittels einer einfachen Formel lässt sich das Verhältnis der Effusionsgeschwindigkeiten zweier Stoffe anhand derer molaren Massen errechnen.

In der Nähe des absoluten Nullpunkts der Temperatur herrschen besondere Bedingungen, die die Effusion u. a. durch das Fehlen thermischer Molekularbewegungen erheblich erleichtern.

Die von Evangelista Torricelli um 1644 beschriebene hydrodynamische Regel, Torricellis Theorem oder auch der Torricellische Lehrsatz genannt, beschreibt in ihrer ursprünglichen Fassung die Effusion - um die es ihm auch nicht ging - nicht korrekt, spätere Fassungen jedoch, die 'sehr dicke Wände' und 'kleine Auslassöffnungen' usw. berücksichtigen, kommen ihr relativ nahe.

Siehe hierzu auch: Ausflussgeschwindigkeit

Das von Thomas Graham noch ohne Kenntnis von atomaren oder molekularen Strukturen und Zusammenhängen gefundene und 1833 veröffentlichte Grahamsche Gesetz sagt, dass die Ausflussgeschwindigkeiten unterschiedlicher Gase bei gleichem Druck den Quadratwurzeln aus ihren Dichten umgekehrt proportional sind. Es gilt recht genau auch für die Effusion von Flüssigkeiten und Gasen, da die Dichte eine Funktion der Molekularmasse ist und dieses eine gute Annäherung an den (durchschnittlichen) Moleküldurchmesser darstellt, zudem gehorchen in der Phase des Durchgangs durch die Wand selbst Nicht-Gase und Stoffe geringster Viskosität den Gasgesetzen, weil und solange sie sich in diesem Bereich als isolierte Atome oder Moleküle bewegen, die im wesentlichen ohne Nachbarn sind.


Siehe auch: Diffusion, Isoliergefäß, Suprafluidität