【文章內(nèi)容簡介】 子運動論基礎(chǔ)1. 處于平衡狀態(tài)的理想氣體分子，其熱運動速度的分布服從麥克斯韋速度分布定律。氣體分子熱運動率介于v～v+dv之間的幾率為dN/N = F（v）dv = 4π（mo/2πkT）3/2exp（mov2/2kT）v2dv (9)式中F（v）是速率v（m/s）的連續(xù)函數(shù)，稱為速率分布函數(shù)。mo = M/NA ，為一個氣體分子的質(zhì)量(kg)。利用速率分布函數(shù)，可以計算出反映分子熱運動強度的三種特征速率。最可幾速率vm 是在氣體分子所具有的各種不同熱運動速度中出現(xiàn)幾率最大的速度，即與F(v)最大值相對應(yīng)的v值；所有氣體分子熱運動速度的算術(shù)平均值叫算術(shù)平均速度v；把所有氣體分子的速度的平方加起來，然后被分子總數(shù)除，再開方就得到均方根速度vs。它們的計算公式如下：2．理想氣體的壓力基本公式，將氣體分子微觀熱運動的強弱直接與宏觀上的氣體壓力定量聯(lián)系起來：P = 1/3(nmovs2 = 1/3(pvs2) (11)3．氣體中一個分子與其它分子每連續(xù)二次碰撞之間所走過的路程稱為自由程，自由程有長有短、差異很大，但大量自由程的統(tǒng)計平均值卻是一定的，稱為平均自由程λ(m)。還可定義電子和離子在氣體中運動的平均自由程λe和λi(m)。需要強調(diào)說明的是，這里所說電子或離子的自由程，是指電子或離子在氣體中運動時與氣體分子連續(xù)二次碰撞間所走過的路程，而沒有考慮電子或離子本身之間的碰撞，所以電子和離子平均自由程計算式中出現(xiàn)的都是氣體分子的參數(shù)，而與電子或離子的空間密度無關(guān)。4．氣體分子的某一次自由程取值完全是隨機的，但大量自由程的長度分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。利用這種分布規(guī)律，結(jié)合平均自由程計算公式，可以計算出做定向運動的粒子束流穿過空間氣體時的散失率，或根據(jù)所限定的散失率確定空間氣體所必須達到的真空度。 5．關(guān)于氣體分子對所接觸固體表面(如容器壁)的碰撞問題，可以從入射方向和入射數(shù)量兩方面加以討論。若一立體角dw與面積元ds的法線間的夾角為θ，則單位時間內(nèi)由dw方向飛來碰撞到ds上的氣體分子數(shù)目dNθ與cosθ成正比，這就是通常所說的余弦定律。不論氣體分子的入射方向怎樣，其反射都服從該余弦規(guī)律。單位時間內(nèi)碰撞在固體表面單位面積上的氣體分子數(shù)目稱為氣體分子對表面的入射率，根據(jù)平衡狀態(tài)的假設(shè)，氣體分子飛離固體表面時的方向分布及數(shù)量應(yīng)與入射相一致。6．如果兩個相連通的真空容器溫度不同，那么內(nèi)部氣體達到狀態(tài)平衡時的參數(shù)也會有差異。在低真空條件下，即粘滯流態(tài)時，二容器的平衡條件是壓力相等，二容器內(nèi)氣體壓力、溫度及分子數(shù)密度間關(guān)系為：p1 = p2 和 n1/n2 = T2/T1在高真空條件下，即分子流態(tài)時，二容器內(nèi)氣體達到動力平衡的條件是在連通處的入射率γ相等。這種由于溫度不同而引起氣體流動，平衡時產(chǎn)生壓力梯度的現(xiàn)象，稱為熱流逸現(xiàn)象，它會給真空測量帶來誤差。三、蒸汽所謂蒸汽(又稱可凝性氣體)，是相對于永久氣體(或稱非可凝性氣體)而言的。對于任何一種氣體，都存在有一個臨界溫度，在臨界溫度以上的氣體，不能通過等溫壓縮發(fā)生液化，稱為永久氣體；而在臨界溫度以下的氣體，靠單純增加壓力即能使其液化，便是蒸汽?？臻g中的蒸汽分子返回到液體內(nèi)去的過程叫做凝結(jié)。蒸汽的凝結(jié)率W[kg/(m2s)]，即單位時間內(nèi)在單位面積液面上凝結(jié)的蒸汽質(zhì)量。凝結(jié)的逆過程，即液體分子飛到空間變成蒸汽的現(xiàn)象，叫蒸發(fā)。單位時間通過單位面積液面蒸發(fā)的質(zhì)量叫蒸發(fā)率Gv[kg/(m2s)]。在汽、液共存的條件下，蒸發(fā)和凝結(jié)現(xiàn)象同時存在，若蒸發(fā)率大于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為液體的蒸發(fā)；若蒸發(fā)率小于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為蒸汽的凝結(jié)；二者相等時，則處于飽和狀態(tài)，此時空間蒸汽的壓力稱為對應(yīng)平衡溫度下的飽和蒸汽壓ps。物質(zhì)的飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而增大。一種蒸汽的實際壓力pv與其對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓ps之比，稱為蒸汽當(dāng)時的飽和度。作為最常用的一項指標(biāo)參數(shù)，常把空氣中水蒸汽的飽和度定義為空氣的相對溫度，相對溫度(%) = pvH20/psH20 100％ (25)例如：工程中定義標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為溫度20oC，相對濕度65%，大氣壓力101325Pa。已知水蒸汽在20oC時的飽和蒸汽壓為2333Pa(17．5托)， 2333 = 1516Pa()。飽和蒸汽壓的存在，是蒸汽有別于理想氣體模型的根本之處。在真空工程中，在蒸汽沒有達到飽和之前，即飽和度1時，我們可以使用前面介紹的理想氣體定律和公式來描述蒸汽的性質(zhì)；而蒸汽一旦達到飽和，情況卻大不相同，如果我們對飽和蒸汽繼續(xù)作等溫壓縮，蒸汽壓力將不再升高而是維持飽和蒸汽壓的值不變，即不再服從波義耳馬略特定律，為多余部分的蒸汽將凝聚為液態(tài)或固態(tài)；反之，在飽和蒸汽與其凝聚相(液態(tài)或固態(tài))平衡共存的情況下，對蒸汽作等溫膨脹，蒸汽的壓力也不會降低，而是其凝聚相不斷蒸發(fā)或升華來補充蒸汽，直至全部變成蒸汽為止。飽和蒸汽與其凝聚相間的這種等溫相變，尤其是水蒸汽的存在，在真空工程中有著不容忽視的影響。從上面的分析可知；在相聯(lián)通的真空系統(tǒng)中，如果某一處存在有揮發(fā)性較強的固體或液體，那么此處就相當(dāng)于系統(tǒng)中的一個放氣源，使該物質(zhì)在系統(tǒng)中的分壓力始終為對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，這常常會限制系統(tǒng)極限真空度的提高；如果相聯(lián)通的真空系統(tǒng)各部分溫度不同，那么整個系統(tǒng)中蒸汽的分壓力都將與最低溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓相等，多余的蒸汽物質(zhì)最后都將凝聚在具有最低溫度的表面上，這正是低溫冷阱可以提高系統(tǒng)真空度的原理。飽和蒸汽受壓縮時發(fā)生液化這一性質(zhì)常給變?nèi)菔秸婵毡玫某闅鈳砝щy，最突出的就是水蒸汽的抽除問題。以最常見的旋片泵為例：一個抽氣周期包括進氣腔膨脹吸氣、隔離和排氣腔壓縮排氣三步驟。如果吸入的氣體中水蒸汽的比例較大，在水蒸汽和永久氣體被壓縮達到排氣壓力之前，水蒸汽的分壓力已經(jīng)達到飽和蒸汽壓，那么繼續(xù)壓縮的過程中，就會有一部分水蒸汽發(fā)生液化而混入泵油中，無法排出泵外，并且回到膨脹腔后還會在低壓下重新汽化成蒸汽，增大吸氣側(cè)的水蒸汽比例和壓力，導(dǎo)致泵的抽氣能力和極限真空的下降。若要保證水蒸汽能夠全部排出泵外而不發(fā)生液化，那么吸入的水蒸汽分壓力pv、永久氣體分壓力pp、對應(yīng)泵溫下的水蒸汽飽和蒸汽壓A和泵的排氣壓力Pe間應(yīng)滿足如下關(guān)系：pv / pv+pp＜ps / pe 或 pv / pp ＜ ps / peps 例如：取泵的排氣壓強pe =lO5Pa，泵溫70oC時水的飽和蒸汽壓聲，ps=104Pa，則水蒸汽占吸入氣體的比例必須小于ps / pe=％。在抽氣后期，尤其是空氣濕度較大時，這一條件很難達到。因為此時被抽容器內(nèi)的永久氣體成份已經(jīng)很少，但容器內(nèi)表面凝結(jié)的水蒸汽卻不斷放出，所占比例就變得很大。解決這一問題的一個傳統(tǒng)方法是加氣鎮(zhèn)，即向壓縮腔內(nèi)充入永久氣體成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在達到飽和前便被排出。水蒸汽的存在也會影響到壓縮式真空計(麥?zhǔn)嫌?的精確使用。測量讀數(shù)時，如果測量管內(nèi)經(jīng)過壓縮的氣體中，水蒸汽的分壓力尚低于當(dāng)時飽和蒸汽壓，那么讀數(shù)表示的是水蒸汽和永久氣體的全壓力；若水蒸汽已經(jīng)達到飽和發(fā)生液化，那么讀數(shù)會比永久氣體的分壓力高一些，但無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為消除水蒸汽對測量的干擾，常在壓縮式真空計前安一低溫冷頸，這樣測得的就只是永久氣體的分壓力。液體(或固體)在真空中蒸發(fā)(或升華)變成蒸汽時需要吸收熱量，稱為汽化熱。物質(zhì)的汽化熱隨著汽化溫度的升高而略有降低。比如lmol水，在50oC汽化，汽化熱為42780J，而在100oC汽化，汽化熱為40680J。蔬菜真空保鮮工藝中，讓蔬菜的一部分水份在真空中蒸發(fā)抽除，這些水蒸發(fā)時要從蔬菜體內(nèi)吸取汽化熱，從而使蔬菜在脫水同時降溫，正是利用了水蒸發(fā)吸熱的原理。這種現(xiàn)象有時也會給真空操作帶來問題，比如在大型真空裝置中積存一些水，抽真空后一部分水蒸發(fā)成蒸汽排除，而這部分水吸收汽化熱使其余的水降溫直至結(jié)冰，余下的水就只能以升華的方式緩慢蒸發(fā)，從而延長抽真空的時間。四、氣體吸附 氣體或蒸汽被固體表面浮獲而附著在表面上，形成單層或多層氣體分子層的現(xiàn)象叫做吸附。能捕集氣體的固體叫吸附劑，而被吸附的氣體成份叫吸附質(zhì)。發(fā)生吸附作用的原因是由于在吸附劑表面存在著力場。根據(jù)吸附力的不同，氣體吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是氣體分子受范德瓦爾斯力的吸引作用而附著在吸附劑表面之上，與氣體的液化過程相類似，其特點是吸附較弱，吸附熱較小，吸附不穩(wěn)定，較易脫附，但對吸附的氣體一般無選擇性，溫度越低吸附量越大，能形成多層吸附，分子篩吸附泵和低溫泵的吸氣作用就屬于物理吸附?；瘜W(xué)吸附是靠固體表面原子與氣體分子間形成吸附化學(xué)鍵實現(xiàn)的，與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)相類似，同物理吸附相比，化學(xué)吸附的特點是吸附強，吸附熱大，穩(wěn)定不易脫附，吸附有選擇性，溫度較高時發(fā)生化學(xué)吸附的氣體分子增多，只能緊貼表面形成單層吸附(在化學(xué)吸附的分子上面還能形成物理吸附)，濺射離子泵和電子管中吸氣劑的吸氣作用就包括化學(xué)吸附。氣體吸附的逆過程，即被吸附的氣體或蒸汽從表面釋放出來重新回到空間的過程，稱為脫附或解吸。解吸現(xiàn)象可以是自然發(fā)生的，也可以是人為加速的。自然解吸有兩種情況，一是從宏觀平均地看，每個吸附氣體分子在表面停留一段時間后，都要發(fā)生脫附飛回空間，這時也會有其它氣體分子發(fā)生新的吸附，在氣體溫度、壓力一定的條件下，吸附速率與脫附速率相等，表面上的氣體吸附量維持恒定；另一種情況是在抽真空的過程中，空間氣體壓力不斷降低，表面上脫附速率大干吸附速率，氣體吸附量逐漸減少，氣體從表面上緩緩放出，這種現(xiàn)象在真空中叫做材料的放氣或出氣。工程中最關(guān)心的問題是表面上的氣體吸附總量和抽空時的放氣速率，但至今還沒有很準(zhǔn)確通用的計算方法，只能從實踐經(jīng)驗中總結(jié)出：在低真空階段，表面吸附及表面放氣與空問氣體相比，數(shù)量很小，其影響可以忽略不計；在中真空階段，表面放氣量已接近空間氣體量，對二者應(yīng)同樣重視；進入高真空乃至超高真空階段，表面放氣(不計系統(tǒng)漏氣時)已成為主要氣體負荷，放氣的快慢直接影響著抽空時間。通過人為的手段有意識地促進氣體解吸現(xiàn)象的發(fā)生，在真空技術(shù)中叫做去氣或除氣。人工去氣可以縮短系統(tǒng)達到極限真空的時間；可以獲得沒有氣體分子遮蓋的清潔表面。加熱烘烤去氣方法通過提高吸氣表面的溫度，增加分子熱運動能量來促進解吸，邊加熱邊排氣，常用于超高真空系統(tǒng)容器內(nèi)表面及內(nèi)部構(gòu)件的去氣和真空電子器件內(nèi)燈絲等內(nèi)部金屬元件的去氣；離子轟擊去氣方法一般是在空間形成氣體放電，產(chǎn)生離子體區(qū)，使高能離子轟擊待清洗的固體表面，產(chǎn)生氣體濺射，使吸附氣體發(fā)生脫附，這是一種相當(dāng)有效、簡捷迅速的除氣手段，在薄膜技術(shù)、表面科學(xué)等有氣體放電條件或有離子源的設(shè)備中廣泛采用。五、氣體流動當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時，氣體就會自動地從高壓處向低壓處擴散，便形成了氣體流動。任何真空系統(tǒng)都是由氣源(待抽容器)、系統(tǒng)構(gòu)件(管道閥門等)及抽氣裝置(真空泵)組成的，氣體從氣源經(jīng)過系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷地流動，是動態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點。真空技術(shù)中，氣體沿管道的流動狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：從大氣壓力下開始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動中起主要作用，流動呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線無規(guī)則，并不時有旋渦出現(xiàn)，這種流動狀態(tài)稱為湍流(渦流，紊流)；隨著流速和氣壓的降低，在低真空區(qū)域內(nèi)，氣流由湍流變成規(guī)則的層流流動，各部分具有不同速度的流動層，流線平行于管軸，氣體的粘滯力在流動中起主導(dǎo)作用，此時氣體分子的平均自由程λ仍遠小于導(dǎo)管最小截面尺寸d，這種流態(tài)叫做粘滯流；當(dāng)氣體流動進入高真空范圍，分子平均自由程λ遠遠大于管道最小尺寸d時，氣體分子與管壁之間的碰撞占居主要地位，分子靠熱運動自由地直線進行，只發(fā)生與管壁的碰撞和熱反射而飛過管道，氣體流動由各個分子的獨立運動疊加而成，這種流動稱作分子流；發(fā)生在中真空區(qū)域內(nèi)，介于粘滯與分子流之間的流動狀態(tài)叫做中間流或過渡流。在不同的流動狀態(tài)下，管道中的氣體流量和導(dǎo)氣能力計算方法不同，因此在氣體流動計算時，首先要進行流態(tài)判別。由于在真空抽氣過程中湍流的出現(xiàn)時間較短，常常不加以單獨考慮，而是將其歸入粘滯流態(tài)。其它流動狀態(tài)的判別可用克努曾數(shù)λ/d 或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據(jù)： 粘滯流λ/d＜1/100 pd＞1Pam中間流 1/100＜λ/d＜1/3 m＜pd＜1Pam 分子流 λ/d＜1/3 pd＜m為了考察管道中流過的氣體數(shù)量的多少，可以使用氣體的質(zhì)量流率qm(kg／s)和摩爾流率qv(mol/s)，即單位時間內(nèi)通過管道某一截面的氣體質(zhì)量和氣體摩爾數(shù)。不過這兩種流率不便實際測量，因此工程中廣泛使用的是單位時間內(nèi)流過管道指定截面的氣體體積，即體積流率qv(m3／s)。在氣體壓力為p的截面上，qv與qm、qγ的關(guān)系為qm = pM/RTqv 和 qv = p/RTqv 在真空泵入口處的氣體體積流率又稱為泵的抽氣速率(簡稱抽速)，是真空泵的重要性能指標(biāo)之一。由于在不同壓力下，相同的體積流率對應(yīng)有不同的質(zhì)量流率，所以在計算體積流率量值時，必須指明所對應(yīng)的氣體壓力。為了更方便地計算流過氣體的多少，工程中還定義氣體的壓力與其體積的乘積為氣體量G(Pam3=J)，