真空技术中几个重要的概念

2014-08-31 郭方准实用真空技术

　　一个大气压下，空气的分子密度n=2.7×10¹⁹个/cm³。

　　空气是混合气体，其相对分子质量由构成的气体分子按比例计算。氮气的相对分子质量28.016，体积比78.1%;氧气的相对分子质量32，体积比20.93%;氩气的相对分子质量39.944，体积比0.933%。

相对分子质量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96

　　由气体分子运动论，压强的计算式为

p=nkT

　　采用国际标准单位时(压强Pa，体积 m³)，玻尔兹曼常数k为1.38×10^-23 J/K。

　　气体分子的密度为

n=p/(kT) (1-4)

　　压强为1Pa，温度为27℃时，气体分子的密度n为

n=1/(1.38×10^-23×(273+27))=2.4×10²⁰个/m³

　　因此，即使真空度达到10^-9 Pa的极高真空状态，每立方米的空间内仍有10¹¹个气体分子存在。

1、气体分子的平均自由程

　　气体是由大量的分子构成的，0℃一个大气压的情况下，22.4L的空间里有1摩尔(6.02×10²³个)分子。这些分子在室温下以500～1500m/s的速度运动和其他分子碰撞后，改变运动方向和速度，之后再和另外的分子碰撞。两次碰撞之间的飞行距离，称之为平均自由程。

　　平均自由程λ[m]、压强p[Pa]、温度T[K]以及分子的直径D[m]之间的关系为

λ=3.11×10^-24 T/pD2(1-5)

　　因此，气体分子的平均自由程与压强成反比例、与温度成正比例、与分子直径的2次方成反比例关系。

　　温度为25℃的空气，压强和分子平均自由程的实际数据，1Pa为7mm、10^-1 Pa为7cm、10^-2 Pa为70cm、10^-3 Pa为7m、10^-4 Pa为70m。记住这些数字，对真空度的感觉能更直观一些。

2、气体分子的入射频率

　　气体分子在单位时间和单位面积内碰撞固体表面的数量称之为入射频率。入射频率r和压强p[Pa]、气体相对分子质量Mr、温度T[K]之间的关系表示为

r=2.6×10^-24 p/(MrT)1/2[个/(m²·s)] (1-6)

　　即入射频率和压强成正比例、和气体相对分子质量平方根及温度的平方根成反比例关系。

　　在真空度为10^-4 Pa的情况下，25℃氧分子的入射频率是2.72×10¹⁸ 个/(m²·s)。排列于固体表面的原子数大约是10¹⁹ 个/m²，只要几秒钟的时间，表面所有的原子都会受到氧分子的碰撞。

　　如果气体分子的平均自由程和容器的尺寸相同或更长，则气体分子和容器壁碰撞的次数要比气体分子之间的碰撞次数要多，这种状态被称为分子流(图1.3(a))。如果平均自由程比较短，气体分子之间的碰撞次数比气体分子和容器壁的碰撞次数多，这种状态被称为黏性流(图1.3(b))。黏性流的气体分子在管路中被排出时，中心轴的流速最大，靠近管壁的流速逐渐减小。

　　针对分子流或黏性流，获得真空时要选择不同类型的真空泵，这在以后真空泵一节中将会详细介绍。

分子流和黏性流的示意图