Лекция №1

Вакуум (от лат.

Vacuum—пустота)—состояние разреженного газа когда давление ниже атм.

1.1 Применение высокого вакуума в практике теплофизического эксперимента.

а) очистка вещества от растворяющих газов

б) заправка вещества в измерительную ячейку

в) создание адиабатных условий для И. Я.

г) изоляция объекта от окружающей среды при исследовании теплофизических свойств жидких металлов

д) использование в качестве изоляции при высоких и низких температурах

Введем основные понятия:

Вакуумная техника – это совокупность методов и технических средств для создания, поддержания и измерение вакуума в процессе физического эксперимента

В физике и технике принято называть вакуумом состояние газа, когда его давление меньше атмосферного. Наименьшие достигнутое давление 10.e-13--10.e-14 мм. рт. ст.

Основным критерием для характеристики степени разряжения газа в аппарате является отношение длины свободного пробега молекулы l к характерному размеру аппарата d –так называемый критерий Кнудсена:

Kn=l/d

где l=2·10^-5 Т/Р, см

Р—мм. рт. ст., т.е. при уменьшении Р l--возрастает.

В вакуумной технике различают:

1. низкий вакуум,

2. средний вакуум,

3. высокий вакуум,

4. сверхвысокий вакуум.

Низким вакуумом называют состояние разряжения газа в сосуде, характеризующееся тем, что l<<d. Такому состоянию соответствуют давление 760 мм. рт. ст. – 1 мм. рт. ст. Kn<<1

Средний вакуум l~d Kn=1 1 мм. рт. ст.³Р³ 10.e-4 мм. рт. ст.

Высокий вакуум l>d Kn>1 10.e-4 мм. рт. ст.³Р³ 10.e-8 мм. рт. ст.

Сверхвысокий вакуум l>>d 10.e-8 мм. рт. ст.³Р³ 10.e-14 мм. рт. ст.

Поскольку, как мы видим, давление при которых находится газ в вакуумных системах малы, то следовательно его можно расматривать как идеальный и лля него применяются законы:

1 Бойля—Мариота

РV=const при Т= const

2 Гей—Люсака

Р=Ро*(1+b*t)

V=Vо*(1+a*t)

t—в °С Vо и Ро объем и давление при 0°С.

3 Закон Авогадро: В равных объемах при одних и тех же Р и Т количество молекул различных газов равно.

Вывод: любой газ, масса которого численно равна молекулярной массе М, занимает один и тот же объем.

4 Уравнение состояния идеальных газов:

РV=N*m*Ro*T/M

V-- объем; N—число молекул в объеме V; m—масса одной молекулы; Rо—универсальная газовая постоянная

Rо=8.314 кДж/(кмоль*град);

V—м³; r--н/м²; М—кг/кмоль; m-- кг;

5 Закон Дальтона

Рсм=åРі Рі—парциальное давление.

Режим течения газов при низких давлениях.

В рамках кинетической теории принято считать, что каждая молекула обладает собственной скоростью, газ в целом остается неподвижным. Однако в процессе откачки приходится неподвижным, происходящими при движении всей массы газа относительно стенок трубопроводов откаченный объем с вакуумным насосом.

Течение может быть турболентным и ламинарным (Re<2300)

Турбулентное течение газа имеет место при высоких давлениях. Оно существует в течение непродолжительного времени—в начальный момент откачки.

При ламинарном течении различают три режима:

1 вязкостный

2 молекулярный

3 молекулярно-вязкостный

1 Вязкостный—наблюдается в низком вакууме,l<<d.в этих условиях число столкновений между молекулами намного превышает число ударов о стенку и газ в целом движется с различной скоростью по поперечному сечению трубопровода имеется место параболическая зависимость скорости U от расстояния от стенки r.

U=(Р2-Р1)*(rо²- r²)/(hl)

2 молекулярный режим течения имеет место в условиях высокого вакуума (l>>d). В этом случае молекулы практически не взаимодействуют друг с другом, а сталкиваются только со стенками трубопровода. После удара о стенку молекулы отскакивают от нее в различные направлениях подчиняясь закону косинусов

n=nо*cosa

nо—количество молекул в единицу времени по нормали.

Этот закон вытекает из механизма соударения, согласно которому молекулы ударяясь о стенку, не отражаются, как упругие шары, а удерживаются на ней в течении некоторого времени. Затем под влиянием теплового движения в твердом теле они покидают стенку, подчиняясь вероятностным законам испарения.

Однако на концах трубопровода имеется разность давлений Р1-Р2 --- это равноценно существованию градиента концентрации и в трубопроводе устанавливается движение газа с постоянной скоростью по всему сечению в направлении от большой концентрации к меньшей.

3 Молекулярно-вязкостный режим. Реализуется при среднем вакууме (l£d), тогда по мере понижения давления ослабевает влияние вязкости, и все больше сказывается независимое тепловое движение отдельных молекул газа. Для него предложены полуэмпирические формулы.

Физико-химические явления при низких давлениях.

1. Испарения и конденсация в вакууме

В твердых телах и жидкостях молекулы удерживаются силами межмолекулярной связи и совершают колебательные движения с различной амплитудой, которая зависит от температуры. При увеличении температуры отдельные молекулы уходят на такие расстояния, где практически не сказывается притяжения соседних молекул --- наступает процесс испарения. В замкнутом объеме пар со временем достигает состояния насыщения.

Насыщенный пар не подчиняется закону Бойля—Мариотта. Зависимость Р=f(T) описывается уравнениями вида

lnP=A-B/T

Если производить непрерывную откачку, то равновесие не может наступить, т.к. по мере испарения происходит удаление молекул пара. В этом случае можно говорить о скорости испарения веществ в вакууме. Ее оценивают, пользуясь выражением для массы молекул, удаляющихся в единицу времени с единицы поверхности

µp=√M/(2οπRT)

М—молярная масса

R---универсальная газовая постоянная

2. Поглощение газов и паров твердыми телами.

Опыт показывает, что твердые тела поглощают значительное количество газа. Газ может проникать внутрь твердого тела. Такое глубинное удержание газа твердыми телами называется абсорбцией.

Газ может также удерживаться поверхностью твердого тела с образованием пленки толщиной несколько молекулярных слоев ---адсорбция. Как правило, эти явления накладываются одно на другое---сорбция. Твердые тела называются сорбентами. Обратный процесс удаления газа из сорбента называется десорбцией.

3. Газопроницаемость металлов в вакууме.

Типичными абсорбентами являются металлы. В зависимости от условий они могут поглощать объемы в тысячи раз, превышающий собственный объем. Титан при нормальных условиях может поглотить 1800 объемов водорода.

Вследствие того, абсорбированные атомы проникают в глубь металла, через некоторый промежуток времени газ начинает проходить сквозь него.

Стационарный поток диффузии газа Q в металлах с толщенной стенки d описывается выражением

Q=w(√P1-√P2)/d

w—проницаемость металла для данного газа ---поток газа через стенку площадью 1см², толщиной 1 мм при (√P1-√P2)=1

w=а·ехр(-b/T)

a и b постоянные для данной пары металл—газ.

4. Десорбция газов из твердых тел.

растворенный в твердом теле и адсорбированные на его поверхности газ при вакуумировании начинает выделяться (десорбироваться) тем интенсивнее, чем ниже давление.

Скорость существенно зависит от температуры. Поэтому целесообразному прогреть откачиваемые изделия до более высоких температур, произвести вакуумирование и снова охладить.

Структурная схема вакуумной системы.

Для удаления газа необходимо иметь простейшею вакуумную систему. Она должна состоять, по крайней мере, из трех элементов:

1 ВК—вакуумная камера (откачиваемый объем)

2 Тр---трубопровод—вакуумопровод

3 ВН---вакуумный насос (откачное средство)

Работа вакуумного насоса основана на принципе нейтральной откачки и выбрасывании порций газа через выпускной патрубок в атмосферу, либо входной патрубок. Вместо удаленного газа будет непрерывно поступать газ по вакуумопроводу из откачиваемого объема, количество его в системе будет непрерывно уменьшаться. Поскольку температура газа постоянна, уменьшение количество газа вызовет понижение давления, которое можно вычислить, применив уравнение Менделеева—Клапейрона

P1=P0·N1/N0,

Где P1,P0,N1,N0---начальное и конечное давление и количество молекул газа в откачиваемом объеме.

Следует иметь в виду, что в любой вакуумной системе нельзя добиться полной герметичности, т. к. имеются швы, соединения и уплотнения. Кроме того, нельзя полностью устранить газовыделение материалов, из которых изготовлена система, десорбция, и газопроницаемость материалов.

Кроме указанных элементов В. С. содержит вакуумметр (прибор для измерения давления в системе), натекатель и т. д. В зависимости от того, как во время опыта поддерживается вакуум, в системе различают системы:

1 статическим вакуумом создается вакуум, но не поддерживается во время опыта. Вакуумная камера отключена от внешней среды, т. е. герметизирована. В этих условиях будет наблюдаться ухудшение вакуума – давление повышается. Иногда этот эффект компенсируется за счет веществ поглотителей (геттеров). Пример статического вакуума – радиолампа.

2 Динамический вакуум – В. Н. Включен в течение всего опыта, и он выбрасывает в атмосферу определенное количество газа, которое натекает в В. К. за счет различных факторов – натекатель.

Вакуумостят – прибор для поддержания постоянного вакуума, должен содержать вакууметр, натекатель и И. М. (исполнительный механизм для регулировки натекателем).

Различают несколько типов вакуумных систем.

Открытая система – система, в которую попадает воздух из атмосферы и из насоса выбрасывается в атмосферу.

Данные системы работают на открытом воздухе. Если необходимо чтобы в В. К. находилось определенное вещество, то делают систему замкнутого типа.

РС – ресивер

Процесс откачки вакуумной системы.

Процесс откачки начинается с включения вакуумного насоса. При t=0 вакуумная камера заполнена воздухом при R=Rатм. При включении В. Н. давление начинает уменьшаться. Причем темп уменьшения давления в различных точках системы будет неодинаков.

Pн – давление во входном сечении В. Н. (на всасывающем патрубке)

Pс – давление на входном сечении трубопровода.

Считаем что Pс=idem=const во всех точках вакуумной камеры.

tн - время запуска – время выхода на номинальный режим.

Рс≠Рн в трубопроводе всегда будет перепад давления ∆Р, за счет которого газ перемещается по трубопроводу.

Введем понятие потока газа – количество газа, проходящего в единицу времени через поперечное сечение трубопровода при давлении Р, если газ находится в равновесном состоянии при Т=const

Q=PV PV=м³Па/с=Вт

Q – поток газа; V – объем газа, проходящее через любое сечение системы в единицу времени; Р – давление в этом сечении.

Согласно уравнения состояния однородного газа

Q=PV=kNT

k– постоянная Больцмана, N – число молекул, проходящих через сечение в единицу времени.

Расход можно выразить различными способами.

1 Массовый – масса газа, проходящего через сечение в единицу времени;

2 число молекул проходящего через сечение в единицу времени;

3 Объемный расход – объем газа, проходящий через сечение в единицу времени. (Этот объем измеряется при давлении в данном сечении)

4 Объемный расход, приведенный к атмосферному (или другому, характерному для данной системы) давлению.

Поток газа Q представляет собой объемный расход, приведенный к единице давлению.

Массовый расход G можно выразить через поток газа следующим образом

G=Qρ=ρVP

Для часто используют аналогию между вакуумной системой и электрической цепью. Поток газа Q для данной системы величины const, в какой бы точке системы мы не определяли P и V. в связи с этим можно установить аналогию между потоком Q и силой тока в электрической цепи, также как сила тока пропорциональная числу электронов, проходящая через любое сечение в единицу времени, так и поток газа пропорционален числу молекул, проходящих через любое сечение в единицу времени (Q=kNT). Потенциалу в электрической цепи соответствует давление в каждой точке насматриваемой вакуумной системы.

об аналогии с электрической цепью можно записать

Q=(P2-P1) /W=U(P2-P1),

где U – величина обратная сопротивлению W называется пропускной способностью трубопровода или его проводимостью

U=1/W=Q/(P2-P1) (1)

Пропускная способность характеризуется количеством газа, протекающим через любое сечение вакуумопровода за единицу времени при движущей разности давлений =1.

U – зависит от геометрических размеров и режима течения.

Если трубопровод соединен последовательно то

Wпос=∑Wі 1/Uпос=∑1/Ui (2)

При параллельном соединении трубопроводов

1/Wпарал=∑1/Wi Uпарл=∑Ui (3)

Для количественной характеристики степени вакуума в системе пользуются параметрами:

Дата добавления: 2015-07-20