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真空技术介绍-基本原理

来源:http://www.fengfavac.com浏览量:载入中...发布时间:2019.01.30


1.2.1 真空的定义

压力的定义是垂直作用于表面上且均匀分布的力与单位面积之比。

 


压力 [Pa]  

受力 [N]; 1 N = 1 kg m s-2

面积 [m2]

公式 1-3: 压力定义

在封闭的容器中,气体颗粒进行热运动。在其与容器壁的相 互作用中,原子和分子经受大量的的碰撞。每次碰撞都会给 容器壁施加力。如果封闭气体不受外界影响,无论在什么地 方什么方向进行测量,发生的无数碰撞导致容器内任何一点 的压力都是相同的。

 

1.2: 总压力的定义

实际上,只有一种气体的情况非常少见。不同气体的混合物 更为常见。这些气体的每个单一成分都会施加具体的压力, 该压力可进行单独测量,而与其他成分无关。由各种成分施 加的该压力被称为分压。在理想气体中,各种成分的分压加 起来等于总压力,且互不干扰。分压之和等于总压力。

 

1.3: 分压的定义

我们的环境空气就是一个气体混合物的例子:其分压组成如所示。

1.1: 大气的组成。所示分压是指 在大气压下的压力即1,000 hPa。 注意:水蒸气所表示的值是在 293 K (20°C) 时的炮和状态。二氧化碳和一氧化 碳值的波动取决于时间和地点。所示的一氧化碳是大城市的峰值。其他来源是 指自然的氢浓度为 5 · 10-5% 且分压为 5 · 10-4 hPa。

在宇宙空间中,根据邻近星系的程度,10-18hPa 以下的压力占主导地位。在地球上,已经报道技术上产生的压力低于 10-16 hPa。低至 10-16 hPa 的气压范围涵盖 10的负19 次幂。根据不同真空获得设备和测量设备所能达到的真空度,我们又把真空范围根据真空度进行了分类,如Table 1.2 所示。

 

1.2: 真空技术中的压力范围

计量压力的单位是帕斯卡。该单位是以法国数学家、物理学 家、作家兼哲学家布莱兹·帕斯卡(1623 – 1662 年)的名字 命名。根据公式 1-3,SI 单位帕斯卡是由 Pa = N m-2 组成。 单位 mabr、torr 以及表 1.3 中所示的单位是实际使用中常见 的。

1.3: 压力单位换算表

1.2.2 气体方程式的概述

每种材料都是由原子和分子组成。根据定义,物质的量以摩 尔表示。一摩尔的物质含有 6.022 · 1023 个构成粒子(阿伏 伽德罗常数。这不是数值,而是具有单位 mol-1 的物理量)。 1 摩尔的定义是 系统物质的量,其包含的粒子数目与 12 g 碳 同位素 12C 中所含的原子数目完全相同。

在正常条件下,即压力为 101,325 Pa 且温度为 273.15 K (等于 0°C),一摩尔理想气体填充的体积为 22.414 升。

早在 1664 年,罗伯特·波义耳就研究压力对一定量空气的影 响。马略特在实验中证实的结果在波马定律中总结如下:

 

公式 1-4: 波义耳定律 

用文字表述波义耳定律:一定质量的气体,在温度不变的情 况下,其压力与体积成反比—压力与体积的乘积恒定不变。

百余年后,一定质量的气体,其体积与温度的关系也已确 定:一定质量的气体,在压力不变的情况下,其体积与温度成正比,或者

 


公式 1-5: 盖-吕萨克定律

一定质量的气体受压力变化和温度变化影响的结果是

 


这仍适用于一定质量的气体。一定温度和一定压力下的气体 体积与物质的量 ν成正比。我们因此可以这样书写:

 


物质的量通过称重来确定。我们可以通过质量与摩尔质量之 比来表示气体的量。常数const. 在此处是指所讨论的 1 摩尔 气体,并且它被称为气体常数 RR。因此,理想气体状态 可描述为如下的压力、温度和体积的函数关系:

 

公式 1-6: 理想气体状态总方


p

压力

[Pa]

V

体积

[m3]

m

质量

[kg]

M

摩尔质量

[kg kmol-1]

R

一般气体常数

[kJ kmol-1 K-1]

T

温度

[K]

物质的量 ν 也可表示为阿伏伽德罗常数有关的分子数。

 


公式 1-7: 理想气体状态方程 I

N

粒子数目

 

 

NA

阿伏伽德罗常数

= 6.022 · 1023

[mol-1]

k

波尔兹曼常数

= 1.381 · 10-23

[J K-1]


如果等式两边同时除以体积,则我们得到

 


公式 1-8: 理想气体状态方程 II

n

粒子 数密度

[m-3]

1.2.3 分子数密度

从公式 1-7 和公式 1-8 可以看出,压力与粒子数密度成正 比。由于标准条件下每单位体积的粒子数目较高,其遵循 10-12 hPa(例如,每立方厘米为 26,500 个分子)压力将仍 然存在的原则。这就是为何不可能谈及空虚或虚无状态的原 因,即使在超高真空下也存在分子。

在宇宙空间中,逐渐不能以单位帕斯卡来表示极低的压力, 例如,低于 10-18 hPa。这些压力范围可以更好地通过粒子数密度来表示,例如,在星际空间中,每立方米的分子数 小于 104

1.2.4 热速度

封闭在容器中的气体分子完全随机地相互碰撞。并在过程中 传输能量和脉冲。这种传输导致速度和/或动能的分布。速度 分布与在概然速度时具有峰值的钟形曲线(麦克斯韦—玻 耳兹曼分布)相对应。

 

公式 1-9: 概然速度

平均热速度是

 

公式 1-10: 平均速度

下表所示为选定气体在温度为 20°C 时的平均热速度。

 

1.4: 各种气体的摩尔质量和平均热速度

1.2.5 平均自由程

如果在房间的角落打开香水瓶,需要很长时间才可在房间的 相反角落处检测到芳香气体物质。这一实验似乎与前一章节 中描述的平均气体速度相矛盾。出现这种情况的原因在于气 体粒子在其路上遭受大量的碰撞。平均自由程是粒子在与其 他粒子进行两次连续碰撞之间可移动的平均距离。

 

1.4: 两次碰撞之间的平均自由程

对于相同粒子的碰撞,以下适用于平均自由程:

 

公式 1-11: 平均自由程

  平均自由程 [m]

分子直径   [m]

 m 质量     [kg]

公式 1-11 可看出,平均自由程与温度成线性比例,与压力 和分子直径成反比。在这一点上,我们将忽略学术文献中讨 论的该等式进一步的变体,学术文献研究了诸如不同气体粒子 直径的碰撞、气体粒子与离子或电子的碰撞以及 温度影响等。

为说明平均自由程的温度依赖性,公式 1-11 经常书写为将温 度作为方程右边的变量。

 

公式 1-12: 平均自由程 II

Table 1.5 Table 1.5 显示了一些选定气体在 0°C 时的.值。

 

1.5: 选定气体在 273.15 K 时的平均自由程

使用Table 1.5 中的值,我们现在估算氮分子在各种压力下的 平均自由程:

 

1.6: 选定气体在 273.15 K (0°C) 时的平均自由程

因此在大气压下,氮分子在两次碰撞之间移动的距离为 59 nm,而在压力低于 10-8 hPa 的超高真空下,其移动的距离为几公里。

分子数密度和平均自由程的关系可以用图表1.5来表示。 1.5.

 

1.5: 氮在温度为 273.15 K 时的分子数密度(红色,右边 y 轴)和平均自 由程(蓝色,左边 y 轴)

1.2.6 流体类型

平均自由程与流道之间之比可用于描述流体类型。该比率被 称为克努森数:

 

公式 1-13: 克努森数

  平均自由程 [m]

流道直径  [m]

克努森数 无因次

克努森数的值表示气体流量的类型并将其分配到特定的压力 范围内。表1.7 给出了真空技术中各种流动类型以及其特 性参数的概览。

各种类型流态的剖面如图 1.6 所示。

 

1.6: 各种类型流态的剖面

低真空中的粘性流

在粘性流中,也称为连续流,气体分子间的碰撞很频繁,但 与容器壁的碰撞没那么频繁。在这种情况下,气体分子的平 均自由程明显短于流道的尺寸。

在粘性流的情况下,层流和紊流之间存在区别。在层流中, 气体粒子保持在彼此始终平行的相同位移层上。如果流速增 加,这些层将被打破,并且流体粒子以完全混乱的方式相互碰 撞。这被称为紊流。粘性流这两个区域之间的边界可通过雷 诺数来表示:

 

公式 1-14: 雷诺数

Re 雷诺数 无因次

ρ 液体密度 [kg m-3]

平均流动速度 [m s-1]

 l 特征长度 [m]

 η  动力粘度 [Pa s]

Re 高值 < 2,300 时,为层流,当 Re > 4,000 时,则为紊流。在 2,300 < Re < 4,000 范围内,占主导地位的是紊流。 层流也有可能,然而,这两种类型的流动在该范围内均不稳 定。

真空的紊流仅在从大气压进行抽空操作过程中或进行快速排气时发生。在真空系统中,管的尺寸以在相对较高的压力下只 发生短暂紊流的方式进行标注,因为发生在该过程中的高流 阻需要所用泵产生较高的体积流量。

中真空中的克努森流

如果克努森数在 0.01 和 0.5 之间,这被称为克努森流。由于 很多过程压力在中真空范围内,这种类型的流动随相应的频 率发生。

高真空和超高真空中的分子流

在克努森数> 0.5 时,分子间的相互作用几乎不再出现。占主导地位的是分子流。在这种情况下,平均自由程明显大于流道的尺寸。在分子流中,压力与管道直径的乘积大约 ≤ 1.3 · 10-2 hPa cm。

根据压力与管道直径的乘积,显示流动范围概述的图形如 1.7 所示。


1.7:根据p·d乘积的真空流动范围

该图形清楚地表明,完全根据压力是不可接受的简化,真空 范围的分类(在 1.7 中也可发现)。由于该 分类仍然被普 遍使用,因此在此引用。

 

1.7: 各种类型流态概览

1.2.7 pV 气流量

用一般气体方程(公式 1-6)除以t时间求出气体流量

 

公式 1-15:pV 气流量

pV 气流量 [Pa m3 s-1]

从方程的右边可以看出, 恒定质量的流量在恒温 T 时被置 换。这也被称为 pV 流量或气体吞吐量。吞吐量是真空泵输 送的气体流量。

 


公式 1-16: 真空泵的气流量

用气流量除以入口压力求出体积流量,真空泵的抽速:

 

公式 1-17: 体积流量或真空泵的抽速

Table 1.8中给出了各种气流量单位的换算表。

 

1.8: 中给出了各种气流量单位的换算表。


1.2.8 流导

一般而言,真空腔体都是通过管道连接至真空泵。流阻的产 生是气体分子与壁面之间的外部摩擦以及气体分子之间的内 部摩擦(粘性)的结果。该流阻以压差和体积流量或抽速损 失的形式表现出来。在真空技术中,习惯使用倒数,管道的 流导率 L 或 C(流导)代替流阻 W。流导率具有体积流量的 尺寸,并且通常以 [l s-1] 或 [m3 h-1] 表示。

气体流经管道在管道端部产生压差 Δp。以下方程适用:

公式 1-18: 流导的定义

这一原理在形式上类似于电工学的欧姆定律:

 

公式 1-19: 欧姆定律

在公式 1-18 与公式 1-19 的正式对比中,代表流量I,C代表电阻倒数Δp代表电压U。如果部件并联连接,计算各个电导率之和:

 

公式 1-20: 并联电导

如果串联连接,将电阻(即倒数)加在一起:

 

公式 1-21: 串联电导率

管和管弯头处的电导在各种流态中会有所不同。在粘性流 中,它们与平均压力 p¯p¯ 成正比,在分子流中,他们与压力无 关。克努森流代表两种类型流之间的过渡,流导导率随克努 森数的变化而发生改变。

1.8: 根据管中平均压力,光滑圆形管的电导

可通过增加层流导率和分子流导率来获得克努森范围的简单 近似值。我们建议您参考专门的文献有关仍在层流范围和已 经在分子流范围的流导计算以及 考虑到管入口不均匀性 的流导计算。

本出版物考虑层流和分子流范围的孔口和长圆管的流导 率。

孔口经常是真空系统中的流阻。这方面的例子是在测量抽速 的测量穹顶中,阀门、通风装置或孔口横截面的缩窄。在容 器壁的管口中,入口的孔口阻力必须也考虑到管阻力中去。阻塞流

让我们考虑下真空腔体的排气。当放气阀打开时,环境空气 在压力 p 下以高速流进容器。达到的流速 不超过声速。如果 气体 已经达到声速,在容器可排空时,也已经达到了大气 体吞吐量。流经它的吞吐量不是容器内壁压力的作 用。以下适用于空气:

公式 1-22: 孔口阻塞 [11]

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d

孔口直径

[cm]

pa

容器上的外部压力