真空的含义及其基本特点
在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状态。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)总结了真空状态下主要有如下几个基本特点：
1、真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为 10135N/m2，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。不同压强下单位面积上的作用力，如表 1 所示。
表 1 不同压力下单位面积上的作用力
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压力 (Pa) |
作用力 (kg/cm2 ) |
压力 (Pa) |
作用力 (kg/cm2 ) |
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105 |
1．03328 |
5 × 103 |
6.79755 × 10-2 |
|
5 × 104 |
6.79755 × 10-1 |
1 × 103 |
1.35951 × 10-2 |
|
3 × 104 |
4.07853 × 10-1 |
5 × 102 |
6.79755 × 10-3 |
|
1 × 104 |
1.35951 × 10-1 |
1 × 102 |
1.35951 × 10-3 |
2、真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点(如电子、离子等)之间以及分子与各种表面(如器壁)之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。表 2 给出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。
表 2 常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系
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大气压力 (Pa) |
平均自由程 (cm) |
大气 压力 (Pa) |
平均自由程 (cm) |
|
105 |
6.5 × 10-6 |
1 × 10-3 |
5 × 102 |
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103 |
5 × 10-4 |
1 × 10-6 |
5 × 10-5 |
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102 |
5 × 10-3 |
1 × 10-9 |
5 × 108 |
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1 × 10-1 |
5 × 100 |
1 × 10-4 |
5 × 1013 |
3、真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量 ( 也包括水分的含量 ) 也将相对减少。表 3 给出了标准大气的成份。
表 1 标准大气的成分
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成分 |
分子量 |
容积百分比 |
重量百分比 |
分压强（托） |
|
N2（氮） |
28.0134 |
7.084 |
75.520 |
593.44 |
|
O2（氧） |
31.9988 |
20.948 |
23.142 |
159.20 |
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Ar （氩） |
39.984 |
0.934 |
1.288 |
7.10 |
|
CO2 （二氧化碳） |
44.00995 |
3.14 × 10-2 |
4.8 × 10-2 |
2.4 × 10 -1* |
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Ne （氖） |
20.183 |
1.82 × 10-3 |
1.3 × 10-3 |
1.4 × 10-2 |
|
He （氦） |
4.0026 |
5.24 × 10-4 |
6.9 × 10-9 |
4.0 × 10-3 |
|
Kr （氪） |
83.80 |
1.14 × 10-4 |
3.3 × 10-4 |
8.7 × 10-4 |
|
Xe （氙） |
131.30 |
8.7 × 10-6 |
3.9 × 10-3 |
6.6 × 10-5 |
|
H2（氢） |
2.01594 |
5 × 10-5 |
3.5 × 10-6 |
4 × 10-4 |
|
CH4（甲烷） |
16.04303 |
2 × 10-4 |
1 × 10-4 |
1.5 × 10-3 |
|
N2O （氧化二氮） |
44.0128 |
5 × 10-5 |
8 × 10-4 |
4 × 10-3 |
|
O3 （臭氧） |
47.9982 |
夏： 0~7 × 10-6 |
0~1 × 10-5 |
0~5 × 10-5* |
|
冬： 0~2 × 10-6 |
0~0.3 × 10-5 |
0~1.5 × 10-5* |
||
|
SO2 （二氧化硫） |
64.0628 |
0~1 × 10-4 |
0~2 × 10-4 |
0~8 × 10-4* |
|
NO2 （二氧化氮） |
46.055 |
0~2 × 10-6 |
0~3 × 10-6 |
90~1.5 × 10-5* |
|
NH3 （氨） |
17.03061 |
0~ 痕迹量 |
0~ 痕迹量 |
0~ 痕迹量 |
|
CO （一氧化碳） |
28.01055 |
0~ 痕迹量 |
0~ 痕迹量 |
0~ 痕迹量 |
|
I2 （碘） |
253.8088 |
0~1 × 10-6 |
0~9 × 10-5 |
0~8 × 10*6* |
* 表示随时间、地点而变化的值
真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用。
