12. Диффузионнофильтрационная.
Описание явления.
В физике хорошо известно так называемое явление осмоса, суть которого состоит в образовании разности давлений по обе стороны от полупроницаемой перегородки, разделяющей две разных жидкости или раствора. В случае раствора эта разность называется осмотическим давлением и определяется по закону Вант-Гоффа.
Нетрудно показать, что осмос – это один из эффектов, сопровождающих явление функционирования диффузионнофильтрационной пары под действием разности диффузионных потенциалов
дф = дф” – дф дж/кг. (529)
Осмотическое давление представляет собой фиктивную движущую силу рс, определяемую формулами (484) – (486). Закон Вант-Гоффа действует лишь при малых диаметрах капилляров, когда d 20 - формула (527). При d > 20 фактическое значение рс меньше рассчитанного по формуле Вант-Гоффа. С ростом d осмотическое давление обращается в нуль и погрешность расчета по формуле Вант-Гоффа становится максимальной. Аналогичное ограничение было наложено на теорию Кнудсена в термофильтрационных явлениях (§ 10).
При диффузионной фильтрации жидкостей наблюдаются все эффекты, описанные в § 6 и 7. Количественная сторона некоторых из них весьма незначительна, что затрудняет опыты.
Интересную
разновидность диффузионнофильтрационной
пары дает известный опыт Планка. Если
свинцовый стержень 1 погрузить одним
концом в ванну со ртутью 3, то последняя
начинает подниматься по стержню (рис.
25). На рисунке показаны результаты опыта
со свинцовым стержнем диаметром d
= 3, 6 мм (из совместной работы с аспирантом
И.В. Стойчевой). Движение пленки 2 ртути
подчиняется законам фильтрационной
пары и происходит под действием разности
диффузионных потенциалов. Эффект Планка
в принципе не отличается от фонтанного
эффекта в гелии-II.
Рис. 25. Зависимость высоты поднятия пленки ртути от времени.
В связи с этим полезно подчеркнуть, что для термодинамической пары совершенно безразлично, находится ли циркулирующее вещество внутри капилляра или располагается по внешнему контуру тонкого стержня. Для пары принципиально важно лишь наличие двух слоев вещества, один из которых соприкасается с инородной поверхностью и испытывает с ней молекулярное взаимодействие, а другой – нет.
Диффузионная фильтрация газов через капилляр происходит по схеме, изображенной на рис. 16. Экспериментальные данные П.В. Волобуева и П.Е. Суетина [17] подтверждают соответствие результатов наблюдений законам общей теории [11, 14].
Применение диффузионной фильтрации.
Диффузионная фильтрация используется на практике для разделения газов и жидкостей, при поверхностном легировании обливок и т.д.
Большой интерес представляет возможность применения диффузионнофильтрационной пары для выделения кислорода из смеси газов и жидкостей, особенно из воды. Такая необходимость возникает при работах в неподходящей атмосфере – отравленной или обедненной кислородом, например, при пожарах, в шахтах, рудниках или на других планетах, а также под водой. В недалеком будущем в таких случаях не потребуется иметь с собой большого запаса кислорода. Достаточно будет снабдить человека и его спутников – животных и растений – устройствами из полупроницаемых перегородок, которые способны черпать необходимый газ из окружающей среды.
Недавно появилось сообщение о том, что в Японии изобретен соответствующий прибор для подводного дыхания. Этот прибор выделяет из морской воды растворенный в ней кислород. Маска соединяется не с кислородным баллоном, а со специальной трубкой, которая при площади поверхности несколько квадратных метров способна обеспечить дыхание одного человека.
Особенно широко диффузионнофильтрационную пару используют живые организмы для осуществления процессов регулирования и обмена. По законам этой пары происходит транспорт необходимых веществ. В стенках капилляров кровеносных сосудов кислород обменивается на углекислый газ и, наоборот, в стенках кишечника всасываются питательные вещества и т.д. Во всех этих случаях решающую роль играет эффект разделения.
Исключительно интересна гипотеза, высказанная А.К. Сигаевым применительно к процессу миграции морских креветок. Их миграцию он связал с осмотическим набуханием. Это значит, что необходимые условия миграции создаются температурой и соленостью моря, а также диаметром пор панцирей креветок, который зависит от стадии зрелости. На основе этой гипотезы удается объяснить немассовый характер миграции и прогнозировать запасы креветочных скоплений в пространстве и во времени.
Детальное исследование всех этих осморегуляторных процессов несомненно научит человека управлять ими и создавать по природному прототипу многие весьма полезные приборы, аппараты и технологии.