培训系列之2(张世伟)：真空工程理论基础

第一章引论1.1真空及其度量1)概念物理学上的真空：指没有或者不计气体分子和原子存在的物理空间。应用物理与技术所讨论的真空:低于一个标准大气压的气体状态标准大气压－北纬45度海平面，海拔高度为零，空间温度为27摄氏度的大气压.此时压强为:分子密度为:2)真空发展史最早的真空获得和应用的实例——可追溯到公元前6世纪，那时我国炼铁技术已相当进步，为了融化铁，在炼铁炉上配有鼓风设备。最初使用的叫“鞲”的皮囊鼓风、“风箱”鼓风。风箱的作用过程包括：负压吸气和增压排气。与现在的往复式活塞真空泵的作用原理基本相同。pa51001325.11932.510/cm个典型的真空应用的例子：中医的拔火罐。利用了空气的热胀冷缩、蒸气冷凝等物理现象来形成罐内真空。真空技术开始的标志——1643年Torrcelli(意大利)托里拆利实验帕斯卡(法物理学家数学家)－12岁发现三角形内角和定理,24岁发现压强.证明了大气压与高度有关1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵——马德堡半球实验（为了证明大气压的巨大力量）真空技术最初的理论基础——1662年，英国人玻义耳发现了玻义耳定律；1738年瑞士人伯努利提出了气体分子运动论。1905年德国人盖得发明了机械泵、1906年皮拉尼发明了热阻真空计、1913年和1915年盖得先后发明了分子泵和扩散泵、1916年贝克利发明了热阴极电离计。真空技术迅速从低真空发展到高真空。1936年希克曼发明了分馏式油扩散泵、1937年潘宁发明了冷阴极电离计，使高真空技术在获得和测量两个方面基本完善。1940年以后真空技术在原子能方面得到广泛应用，并在真空冶金、真空镀膜、真空冷冻干燥等方面得到扩展。到1950年，真空范围已提高到。贝阿德—阿尔伯特在1950年发明了B-A规，为测量高真空创造了条件。1953年吸气泵-离子泵的出现，使人们可以获得清洁超高真空。从20世纪50年代到70年代的20多年里，真空技术融入了许多尖端科学技术并一起得到迅速发展。高能加速器、等离子体核聚变装置、微电子学中的超大规模集成电路，特别是航天技术，促使真空技术发生新的飞跃。压力范围下降到现代真空科学与技术分成8个学科分支：真空技术、真空冶金、等离子体科学与技术、薄膜科学与技术、电子材料与加工工艺、表面科学、应用表面科学、纳米科学与技术真空的特点:1稀3少气体较为稀薄单位体积内分子数目较少(分子密度小)分子之间或分子与其它质点之间碰撞几率减少分子在单位时间内碰撞于单位表面积上的次数相对减少Pa541010Pa13121010分类:按成因分为自然真空和人为真空动物人(肺):吸满气(740Torr)呼气(300Torr)章鱼:呼气时可达100Torr蚊子:吸血原理,利用大气压与腹腔压差造成真空在100公里以下,海拔每增高15公里,大气压递减约1个数量级.珠峰顶处的气压为32kPa，仅为海平面的三分之一飞机:10km以上高空,200Torr左右,即26kPa3)真空度:气体稀薄程度可用气体压强、分子密度、平均自由程和单分子层形成时间来描述。真空技术中通常用压强来表示，压强越低,真空度越高。低真空时，有时用“真空度百分数”表示。压强:TorrPabarmmHgOmmH2PaOmmHmmHg8.96.1312paatm51001325.11TorrmmHgatm7607601)105.71(322.13313TorrPaPaTorrPabar5101PaommHmmHgTorrbaratm11111121.2真空区域的划分及其物理特性(应用)1）低真空（Pa）n稠密，和正常情况下无太大差别，气体分子仍以杂乱无章的热运动为主，气体分子间的相互碰撞还十分频繁，很难实现带电粒子的定向运动，气体流动属粘滞流态。应用：得到压力差—1公斤/平方厘米（并不要求空间性质有所改变）力学作用－真空吸引和输送（无网捕捞、吸鱼机、搬运）、真空成型、真空侵渍、拔火罐（起源于东晋公元300年左右）戈力特半球实验251010PaPaPaPaPaPa1496125101010101010转到2）中真空（）①气体分子密度和常压相比有很大下降，氧化程度降低——真空冶炼（黑色金属的真空熔炼、脱气、浇铸和热处理）—金属材料内气泡、疏松减少，机械强度和性能大大增强②气体中的带电粒子在电场作用下将产生定向运动——气体放电——真空电弧炉③气体的对流消失——真空隔热和绝缘、（保温）保温瓶④液体的沸点降低冷冻－升华：真空冷冻脱水、冬天凉衣服、真空冷冻干燥蔬菜、食品④高速空气动力学实验设备（火箭、导弹、飞机、F1赛车）——低压风洞PaPa1210103）高真空（）真空冶金、真空镀膜、真空器件的生产①分子密度更加降低，分子之间的碰撞次数很少，平均自由程很大，基本不存在气体分子之间的能量交换，分子流动完全呈现分子流态。带电粒子的飞行方向不受干扰（显像管），减少了气体的电离。②化学反应接近于零活泼金属一定要在此状态下冶炼Ti、Be、Zr、U、Ge、Mo、W③良好的电、热绝缘性能④材料的沸点、熔点降低铝③空心钽阴极蒸发离子镀——蒸镀氮化钛仿金薄膜PaPa611010CPaCatm03084710240014）超高真空（）气体分子是以固体表面的吸附为主；单分子层形成时间等于或大于在实验室测量所用时间——制备“清洁”表面；太空模拟室、可控热核聚变的研究、表面物理表面化学的研究5）极高真空（）总结：真空区域的划分原则——真空的物理性质低真空：力学性质中真空：液体的沸点降低，气体放电高真空：绝缘、绝热、无氧化超高真空：获得清洁表面极高真空：宇航、物理研究PaPa961010PaPa1491010真空区域的划分原则——真空获得技术低真空：旋片泵、水环泵、滑阀泵中真空：罗茨泵、油增压泵高真空：扩散泵、分子泵超高真空：离子泵、升华泵真空区域的划分原则——真空测量技术低真空：液位式真空计、指针式真空表中真空：热偶计、电阻计、薄膜规高真空：热阴极电离计、冷阴极电离计超高真空：Ｂ－Ａ规极高真空：调制规、弯注规真空区域的划分原则——真空应用技术真空应用设备中（用户自己定义，不规范）前级泵：低真空次级泵：高真空例如：感应炉：油增压泵（高）＋滑阀泵（低）1.3真空技术的应用领域真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用真空输运、吸引、起吊设备具有结构简单，易于操作、维护、运输，起吊吸引过程中无振动，生产效率高，运送易损坏物件安全可靠，对环境无污染等特点。吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物的输运水泥地板、机场及公路水泥道路的快速吸干车间起吊、机床夹具、玻璃装运吸乳、吸尘、吸痰、吸胸膜积水、吸原子弹爆炸所产生的辐射尘埃真空造型近年来在立体军用地图、盲人书籍、高级陶瓷、电冰箱洗衣机板件、玩具复制浮雕和文物中都有广泛应用化工、制糖、水泥等工业部门已开始大量采用连续真空过滤，很容易将黏度大的悬浮液利用压力差的作用，通过微细筛孔将悬浮液中的液体与固体分离真空浸渍是先对片状或纤维状的疏松物质进行抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺返回真空在电真空器件中的应用——由于各种真空器件的工作原理是基于电场磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此，避免电子对气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成所要求的不同真空度，保证电子器件正常工作。电真空工业中利用真空中电子束来进行除气、熔炼、区域提纯、开槽切割、放射性同位素的蒸发难熔金属的焊接等。真空在冶金工业中的应用真空熔炼、真空脱气及炉外精炼、真空热处理、真空烧结、真空蒸馏浓缩和结晶真空在镀膜工业中的应用真空镀膜广泛的应用在光学、电子学、理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学中。真空镀膜所采用的方法主要有：蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流沉积镀、化学气相沉积法等增透膜、高反射膜、导电膜、绝缘膜、保护膜真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用生物体保存、贵重或热敏性药物生产、食品制作与保存等真空在航天工业中的应用（模拟实验）火箭发动机、航天员训练密封舱、离子推力器、材料及元件、卫星表面带电模拟真空在加速器及受控核聚变中的应用加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能量的装置，加速器产生的粒子和射线已经用于核物理研究和医疗、工业、农业食品等部门。真空在表面科学研究中的应用当真空度达到的超高真空时，在固体表面吸附一个原子或分子层厚度时，所需的时间大约是60分钟。充分利用这段时间对实验件进行表面研究和测试，是完全可能的。Pa7101.4真空物理与真空工程分子运动论（２）气体的流动理论（４）真空中的热力学问题（３）表面现象（３）溶解、扩散和渗透（５）表面电子发射（７）气体放电（８）带电粒子在各类型电磁场中的运动（９）电子光学基础（１０）公式总结习题第二章气体在平衡状态下的物理特性平衡态非平衡态标准状态2.1基本定律2.1.1实验定律①波义耳-马略特定律M一定T=C②盖吕萨克定律M一定P=C③查理定律M一定V=CCPVCMPVCTVCTP常量2.1.2理想气体状态方程123,001133,002301038.131.8/104.22273/1002.6JKkVMVKJmolRmolmVKTmolNmolmol个MRMKJmolKmolmMPaTVPTVPTPV1133500011131.8273/104.221001325.1所以NkTTNRNRTmNmNRTMPV00压强公式于是nkTPVNnKJNRk/1038.11002.631.823230第三种形式代入得将代入得将RTmkTPNmNRkmkTPmn00引申出1)阿弗加德罗定律2)道尔顿分压定律3)212121222111nnTTPPkTnPkTnP则若kTnnnkTnkTnkTnPPPPiii)(212121RTPRTMPVRTMPV熟练掌握RNmkNRmkNRmkRmkmkRNmNkRRTmkTPnkTPRTMPV0020001321——————返回2.2气体的压强公式气体分子的动能1)分子的自由度2)能量按自由度均分原理—实验定律（宏观）—nkTP），双原子（单原子为自由度个自由度平平平53)(2)3(2123322iiikTicmkTnnkT（微观）平ncmncnmP32)21(323122RTmkTcmkTc33322方均速率3)气体的内能2.3Maxwell速率分布率气体分子以各种大小的速率沿各个方向运动，而且由于相互碰撞，每个分子的速度都在不断变化。因此，某一特定时刻单个分子速度的数值和方向，完全具有偶然性。然而，就大量分子整体来看，在一定的条件下，它们的速度分布却遵循一定的统计规律。为了研究气体分子按速率分布情况，研究它的定量规律，引入速率分布函数的概念。)(22)1(220气体内能气体PViRTiMEmolRTikTNiEmol由图2-2Maxwell速率分布曲线可以看出,从坐标原点出发,经过一极大值后,随速率的增大而渐近于横坐标.即气体分子的速率可以取由0-∞之间的一切数值,速率很大和很小的分子所占的比率都很小,而具有中等速率的分子所占的比率却很大。与速率分布函数极大值对应的速率叫做最可几速率.物理意义:如果把整个速率范围分成许多相等的小区间,则分布在最可几速率所在的区间的分子比率最大。2223)2exp()2(4)(ckTmckTmcfdccfNdN)(1)(0dccfRTmkTcckTmkTmccckTmkTmcckTmccckTmckTmcckTmcdcdkTmckTm