Vacuum_Basics真空基础知识.

真空基础1真空基础什么是理想气体？什么是真空?流量/气载真空泵的抽速流导粗/中真空的抽空时间高真空抽空时间2什么是“气体”?气体是物质的一种状态。在气体状态下分子的之间的距离远大于分子的直径。气体粒子在容器里面的分布随时改变。气体没有一定的形状或者体积，气体可以无限的膨胀并充满任何形状和体积的容器。气体是可以被压缩的而且可以表现出粘度（粘滞系数，气体摩擦）。3等离子体（整体呈中性）SolidliquidgasplasmaLowenergyhighenergye+eee----+++++++e+-e原子正离子负离子电子45温度（能量）FreezeBoilSolidLiquidGas什么是“理想气体”?理想气体是一个理论模型。“理想气体”是符合下述假说的理论模型:1.气体粒子之间没有作用力，除碰撞外气体粒子的运动完全独立，不受其他气体粒子的影响。2.气体粒子的体积远小于容器的体积，考虑分子运动的时候可以把它看做几何点。气体粒子之间和气体粒子与器壁的碰撞是完全弹性碰撞。3.气体分子对器壁的碰撞形成压强。PTPTPTPT压强由如下因素决定1，粒子数密度2，温度（能量）6压强单位面积器壁上所受到的压力称为压强。(DIN28400):压强(p)=压力(FN)/单位面积(A)p=FN/A压强的标准单位是帕斯卡(英文符号:Pa)和巴(英文符号:bar).工程上常用的单位是毫巴(英文符号:mbar).1Pa=1N/m²1bar=1000mbar=105Pa=105N/m²1mbar=100Pa=1hPa压力的单位:1N(牛顿)=1kg·m/s2面积单位:1m2,1cm2(1m2=10,000cm2=104cm2)7气体量定义(1)低压条件下所有气体都可以被看做“理想气体”。理想气体状态方程(1)p·V=N·kB·Tp=气体压强[mbar]V=气体体积[l]N=气体分子数VT=绝对温度[K]T[K]=273.15+[°C]kB=玻尔兹曼常数=13.807·10-23mbar·l·K-1符合理想气体状态方程的气体，可以看做是理想气体，8气体量的定义(2)在给定温度下，p·V的乘积和气体分子数N成正比。在真空工程中一般假设气体的温度定值所以气体量可以简单的由“压强(p)”和“体积(v)”表示。注意:在真空工程中气体量不是由气体分子总量N表示,而是由pV值表示。气体量的标准单位是毫巴升(英文符号:mbar·l).9举例(1)1.标准大气压条件下(pn=1013.25mbar)1cm³容积的气体量是多少？pV值=p·V=1013.25mbar·1cm³=1013.25·10-3mbar·l1mbar·l2，气体的分子数总量N又是多少呢（20°C条件下）？3，N=(p·V)/(kB·T)=(1013.25·10-3mbar·l)/(13.807·10-23mbar·l·K-1·[273.15+20.00]K)=(1013.25/293.15)·(100/13.807)·101825·1018从如上计算可以看出在标准大气压的十亿分之一的条件下p=(1013.25/109)mbar1·10-6mbar1立方厘米的体积内还有250亿个气体分子10气体量(3)理想气体状体方程[1.2(1)]也可以写为:(2)p·V=n·R·Tp=气体压强[mbar]V=气体体积[l]n=克分子数[mol]T=气体的绝对温度[K]T[K]=273.15+[°C]R=气体常数=83.145mbar·l·mol-1·K-1n=N/NA=m/MN=气体分子总数（体积V中）NA=阿伏加德罗常数=6.022·1023mol-11摩尔气体所含的气体分子总数m=气体总质量（体积V中）[g]M=气体的摩尔质量[g·mol-1]11举例(2)1.标准条件下1摩尔理想气体的体积是多少？Standardpressure:pn=1013.25mbar,standardtemperature:Tn=273,15KV=VM,n=1mol·R·(Tn/pn)=(1mol·83.145mbar·l·mol-1·K-1)·(273.15K/1013.25mbar)=83.145·(273.15/1013.25)l=22.414l1摩尔理想气体在标准条件下的体积是VM,n=22.414l.这个体积VM,n又被称为“理想气体的摩尔体积”。2，标准条件下1cm³气体的重量是多少？空气的摩尔质量M=29g·mol-1.m=[(pn·V)/(R·Tn)]·M=(V/VM,n)·1mol·M=(1·10-3/22.414)·29g1.29·10-3g12分压强–全压强对于混合气体,全压强(混合气表现出了的压强)可以由混合气体中每种气体的分压强(混合气体中单一气体表现出的压强)和表示。ptotal=p=Sipi=(Sini)·(R·T)/V=n·R·T/V(道尔顿定律)p=Sipi混合气体全压强[mbar]pi气体i的分压强[mbar]V混合气体体积[l]n=Sini=Si(mi/Mi)=m/M混合气体的总摩尔数[mol]m=Simi混合气体的质量[g]M=m/n混合气体的摩尔质量[g·mol-1]T绝对温度[K]R气体常数=83.145mbar·l·mol-1·K-113分压强–全压强标准压强pn=1013.25mbar标准温度Tn=273.15K气体常数R=83.145(mbar*l)/(mol*K)R*TnpnV=100.00li组成含量ci=ni/n质量mi=(Mi/VM,n)*V*ci摩尔质量Mi摩尔数ni=mi/Mi分压强pi=(ni/n)*ptotal体积%(海平面)gg/molmolmbar1N278.10%97.60928.0133.484791.872O220.90%29.83731.9990.932211.913Ar0.90%1.60439.9480.0409.134CO20.03%0.06544.0100.0010.335H21,0E-03%0.0002.0160.0001.0E-026He5,0E-04%0.0004.0030.0005.1E-037remainder0.07%intotal100.00%129.11628.9594.4591013.25m=SimiM=m/nn=Siniptotal=Sipi干燥空气@pn,Tn;V=100l混合气体:空气摩尔体积VM,n==22.414l/mol1415蒸汽LIQUIDEvaporationVAPORCondensationSOLIDSublimationVAPORDeposition16T(OC)100250-40-78.5-196P(torr)760244.80.15x10-410-24(boiling)(freezing)(dryice)(liquidnitrogen)水的饱和蒸汽压17气体的饱和蒸汽压HeH2NeN2O2NONO2H2O-270-260-250-200-100100(BOILINGPOINT)TEMPERATURE(OC)VAPORPRESSURE(TORR)TEMPERATURE(K)12345102030405010020040010-11-27210-910-710-510-310-11010318固体的饱和蒸汽压ABSOLUTETEMPERATURE(K)VAPORPRESSURE(TORR)20040060080015002000300040001000600010-110-310-510-710-91010+310-11符号定义p=压强[mbar]V=体积[l]N=总分子数（体积V内）n=N/V=气体的分子数密度[1/l]T=绝对温度[K]T[K]=273.15+[°C]NA=阿伏加德罗常数=6.022·1023mol-1m=气体的分子质量[g]m=m·N=气体总质量（体积V内）[g]M=m·NA=气体的摩尔质量[g·mol-1]kB=分子气体常数=13.807·10-23mbar·l·K-1R=kB·NA=气体常数=83.145mbar·l·mol-1·K-119分子热运动速度分子热运动平均速度cav:8R·TT[K]pMM[g·mol-1]例如:cav(N2,20°C)=471m/s(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)分子热运动速度的平方(c²)av:R·TT[K]MM[g·mol-1](1)cav=(---------)1/2=145.5(-------------)1/2m/s(2)(c²)av=3--------=24944--------------------(m/s)²20压强–分子热运动速度理想气体的压强与分子热运动平均速度的平方(c²)av成正比:r=m·n=气体的分子数密度(1)p=(1/3)·r·(c²)av=(1/3)·m·n·(c²)av21平均自由程气体分子的平均自由程l是一个气体分子与其他其他分子每连续两次碰撞所走过的路程的平均值1kBT21/2·n·p·d²21/2·p·d²pd=气体分子的直径当T（温度）一定时，任一气体的l·p的乘积是常数!例如:l·p(N2,20°C)=6.5·10-5m·mbar在p=1.0·10-2时:l(N2,1.0·10-2mbar,20°C)=6.5mm(1)l=-----------------=----------------------------22气体的粘滞系数理想气体的粘滞系数h在高压强范围l0.01·a(a=腔体的长度),与压强无关与(M·T)1/2成正比。14l·p2pcav例如:hv(N2,20°C)17.5·10-8mbar·s(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)(1)hv=---n·m·l·cav=---------(M·T)1/223气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞频率是指一个气体分子每秒钟与气体分子碰撞的次数。例如:Z(N2,1.0·10-3mbar,20°C)=(471m/s)/(65mm)7246s-1(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)(1)Z=cav/l=(4/p)·(p/hv)24气体分子与器壁的碰撞气体分子与器壁的碰撞频率指每秒钟内1平方厘米的器壁受到气体分子碰撞的次数:1p[mbar]4(M[g·mol-1]·T[K])1/2例如:Z*(N2,1.0·10-3mbar,20°C)=2.9·1017(s·cm²)-1(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)(1)Z*=--n·cav=2.635·1022---------------------------(s·cm²)-125什么是“真空”?真空是气体的一种状态，指容器内的气体压强低于300mbar的状态,300mbar是地球表面可以观测到的最低的大气压(DIN28400).真空的区域化分:压强粗真空:300到1mbar中真空:1到1·10-3mbar高真空:1·10-3到1·10-7mbar超高真空:小于1·10-7mbar26粗真空中真空高真空超高真空10-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101001000mbarorhPa海平面大气压电视显像管宇航员，宇宙飞船Incandescentlamps真空包装高山顶大气压科研领域星际空间宇宙模拟真空的区域和真空的应用2728真空系统的关键参数：抽速（有效抽速）流量极限真空真空泵抽速的定义在给定压力p下真空泵抽速的定义:真空学通常使用升每秒或者立方米每小时来定义抽速：(l/s或m³/h).通常真空泵的抽速是指在泵口的抽速，在粗/中真空区域用立方米每小时表示，而高真空区域用升每秒表示:其他表示方式：抽速(S)=体积流率(qV)流量QQS(p)=———————————————=—压强pp29流量（气载）流量由Q表示指单位时间t内通过某一截面的气体量:流量=单位时间内通过某一截面的气体量Q=(p·V)/t真空工程中通常使用毫巴升每秒做流量的单位