真空物理基础要点
真空物理基础(第三讲)
（2）、吸附量：固体表面单位面积上吸附气体的数量称为吸
附量，单位：分子数/cm2。 （3）、表面复盖度：固体表面吸附的气体分子数与表面可能 吸附的总分子数目之比。 （4）、吸附速率：单位表面积、单位时间吸附气体分子的数
目，即单位时间内的吸附量。
（5）、平均吸附时间：气体分子从固体表面吸附到脱附固体 表面（脱附）所经历的时间。 （6）、表面形成单分子层的时间：单层气体分子布满固体表 面所需要的时间称为“表面形成单分子层时间”。
d为管道直径
l/d可以作为两种流动形式的判据，称为克努孙数Kn。
l/d<0.01为黏滞流；
l/d>1为分子流； 0.01<l/d<1为黏滞-分子流（过度流） l与p成反比,
（二）、流动过程的基本物理量及其相互关系
１、体积流速
在一定压力p下，单位时间流过某截面的气体体积V称为 体积流速（或称抽速）
dV S , S 体积流速 m3 / s；V 体积 m3；t 时间 s。 dt
1 2
r2 1 2 (1 1 ) r1
(T2 T1 )2r2 L
（三）、中真空情况（l≈d）
两平行平板： dQ T2 T1 dA 2 dt d 2l
对同轴圆筒： 2L Q T2 T1 r1 2 1 1 ln( ) l ( )( ) r2 r1 r2
真空物理学基础
真空物理学基础
真空物理学是研究真空状态下物质行为的学科，它涵盖了许多重要概念和原理。本文将从真空定义、真空度量、真空的应用以及真空技术的发展等方面来探讨真空物理学的基础知识。
真空的定义与真空度量
真空是指在一定的空间中，没有气体分子和其他物质存在的状态。真空的产生可以通过抽气装置将气体从封闭的容器中排除或者使用吸附剂吸附气体分子来实现。
真空的度量可以通过不同的指标来衡量。最常见的度量单位是帕斯卡（Pa），也可以使用托（Torr）或毫巴（mbar）等。此外，还有其他度量单位，如微米汞柱（μmHg）和毫米水柱（mmH2O）。
真空的应用
真空物理学在许多领域和行业中有着广泛的应用。以下是一些主要的应用领域：
1. 电子技术：真空管和半导体器件的制造过程中需要使用高真空环境，以确保器件的性能和稳定性。
2. 材料科学：将材料置于真空中，可以改变其性能和特性，例如在高真空环境下进行热处理可以提高材料的硬度和强度。
3. 化学实验：在一些化学实验中，需要排除氧气等气体的干扰，以保证实验结果的准确性。
4. 太空科学：真空物理学对于深空探测和航空航天技术的发展至关
重要，因为在太空中存在着极低的气体密度。
真空技术的发展
随着科技的进步，真空技术也得到了长足的发展。以下是几个重要
的真空技术：
1. 抽气技术：通过使用泵类设备，将封闭容器内的气体抽出，使其
达到所需真空度。常见的泵类设备包括机械泵、分子泵和扩散泵等。
2. 密封技术：在高真空系统中，为了防止气体泄漏，需要采用可靠
的密封技术，如金属密封、真空密封环和磁力密封等。
7~0真空技术基础知识
第七单元 真空技术
7-0 真空技术基础知识
“真空”是指气体分子密度低于一个大气压的分子密度稀薄气体状态。真空的发现始于1643，那年托利拆利（E.Torricelli ）做了有名的大气压力实验，将一端密封的长管注满水银倒放在盛有水银的槽里时，发现了水银柱顶端产生了真空，确认了真空的存在。此后，人们不断致力于提高真空度，
随着科学技术的发展，现在已经能够获得低于10-10
Pa 的极高真空。
在真空状态下，由于气体稀薄，分子之间或分子与其它质点之间的碰撞次数减小，分子在一定时间内碰撞于表面上的次数亦相对减小，这导致其有一系列新的物化特性，诸如热传导与对流减小，氧化作用小，气体污染小，气化点降低，高真空的绝缘性能好等等，这些特征使得真空特别是高真空技术已发展成为先进技术之一，目前，在高能粒子加速器、大规模集成电路、表面科学、薄膜技术、材料工艺和空间技术等科学研究的领域中占有重要地位，被广泛应用于工业生产，尤其是在电子工业的生产中起着关键的作用。 一、真空物理基础 1． 真空的表征
表征真空状态下气体稀薄程度的物理量称为真空度。单位体积内的分子数越少，气体压强越低，真空度越高，习惯上采用气体压强高低来表征真空度。
在SI 单位制中，压强单位为 牛顿/米2（N/m 2
）：
1牛顿/米2
=1帕斯卡（Pascal ）， （7-0-1）
帕斯卡简称为帕（Pa ），由于历史原因，物理实验中常用单位还有托（Torr ）。
1标准大气压（atm ）=1.0135×105
(Pa)，
1托=1/760标准大气压 （7-0-2） 1托=133.3帕斯卡
真空中的物理定律
真空中的物理定律
在物理学中，真空是指没有任何气体、液体、固体等物质存在的
空间。在真空中，物质的密度非常低，几乎可以忽略不计。由于真空
中没有分子或原子，因此真空中的物理特性与我们熟悉的环境有很大
不同。在这样的环境下，一些物理定律会呈现出独特的表现，本文将
探讨真空中的物理定律。
首先，我们来讨论真空中的光速不变定律。光速不变定律是相对
论的基本原理之一，它指出光在真空中的传播速度是一个恒定值，即
光速299,792,458米每秒，与光源运动状态无关。这意味着无论观察
者自身是静止的还是以任何速度运动，他们都会测得光速相同。这一
定律的提出颠覆了牛顿力学中的绝对时间和空间观念，揭示了时间和
空间的相对性。
其次，根据爱因斯坦的质能关系公式E=mc^2，我们知道能量和质
量之间存在着等效性。在真空中，质量为m的物体如果完全转化为能量，其能量为E=mc^2。这意味着在真空中，物质可以被彻底转化为能量，而能量也可以凝结成物质。这一定律揭示了物质和能量之间的密
切联系，为核能、宇宙演化等领域的研究提供了重要理论支持。
另外，根据普朗克量子理论，真空中也存在着虚粒子的产生和湮灭。虚粒子是一对粒子和反粒子，它们在极短的时间内从真空中产生，然后立即湮灭消失。这种现象被称为真空涨落，是量子力学中的重要
概念。虚粒子的产生和湮灭对真空中的物理过程产生了微小但显著的
影响，影响着真空的性质和能量密度。
此外，在真空中，引力也会呈现出特殊的性质。根据广义相对论，质量和能量会扭曲时空结构，形成引力场。在真空中，即使没有物质
存在，引力场仍然存在，这被称为引力波。引力波是一种类似于电磁
超高真空物理与技术基础3
超⾼真空物理与技术基础3
第三章真空状态下的⽓体流动
（初稿）
3.1⽓体流动过程的基本物理量
在实际真空技术应⽤过程中，我们所⾯临的第⼀个问题就是把⽓体从真空室排去，所以对⽓体在系统中的流动性要有所了解。⽽真空系统的许多排⽓泵，不同⼝径的连接管道，以及各种形状的真空室都会影响到系统的排⽓速率。因此研究分析⽓体通过⼩孔和管道的流动，是我们设计真空系统的主要课题之⼀，同时也是⼀些真空实验的理论根据。本章我们将介绍⽓体流动的特性，以及如何计算⽓体流动速度和流导。⾸先我们了解⼀些⽓体流动过程的基本物理量。
3.1.1 体积流率
当管道⾥的⽓体两端存在压⼒差时，便会出现⽓体⾃动从压⼒⾼的⼀端向压⼒低的⼀端扩散,便形成了⽓体流动。为了计算了解管道中流过的⽓体的多少，通常使⽤⽓体的质量流率Sm （公⽄/秒）和摩尔流率Sr （摩尔/秒），即单位时间内通过管道某⼀给定截⾯的⽓体质量和⽓体摩尔数。实际⼯作中由于这两种流率不便测量⽽采⽤体积流率。体积流率是指在给定温度、压⼒下，
单位时间内流过管道或设备的任⼀截⾯上的⽓体体积。体积流量通常⽤符号Sv 表⽰，单位为：⽶3/秒。在⽓体压⼒为P 的截⾯上，Sv 与Sm 和Sr 的关系为：
v m S T
R M P S = 和 v r S T R P S ??=
式中：M——⽓体摩尔质量kg/mol；R——普适⽓体常数，R＝8.31J/mol ·K T——温度℃；P——压强Pa；
3.1.2⽓体流量
什么是⽓体流量？在单位时间内通过给定截⾯的⽓体数量，称之为⽓体流量，⽤Q 表⽰。由于⽓体是可以压缩的流体，所以流过的⽓体不仅和流过的体积有关，⽽且和其压强即⽓体密度n=N/V 有关,⽓体流量也可以认为是单位时间内，⽓体分⼦N 以流率s 通过给定管道横截⾯A 的分⼦数量。这种关系定义在真空科学与技术领域也可以⽤泵的抽速表⽰：
真空中的物理定律
真空中的物理定律
真空是指没有任何物质存在的空间。在真空中，没有空气、水、
固体等物质，因此物质之间的相互作用非常微弱。然而，尽管真空中
没有物质，但物理定律仍然适用于这个特殊的环境。本文将介绍一些
在真空中适用的物理定律。
一、牛顿第一定律：惯性定律
牛顿第一定律也被称为惯性定律，它表明一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动的状态。在真空中，没有空气阻力或其他
外力的干扰，物体将保持其原有的运动状态。这意味着如果一个物体
在真空中静止，它将保持静止；如果一个物体在真空中匀速直线运动，它将保持匀速直线运动。
二、牛顿第二定律：力的作用定律
牛顿第二定律描述了力与物体运动之间的关系。它表明物体的加速度
与作用在物体上的力成正比，与物体的质量成反比。在真空中，物体
受到的力将直接影响其加速度。例如，如果一个物体在真空中受到一
个恒定的力，它将以恒定的加速度运动。
三、牛顿第三定律：作用与反作用定律
牛顿第三定律表明，任何两个物体之间的相互作用力大小相等、方向
相反。在真空中，这个定律同样适用。例如，当一个物体对另一个物
体施加一个力时，另一个物体将对第一个物体施加一个大小相等、方
向相反的力。
四、万有引力定律
万有引力定律是描述物体之间引力相互作用的定律。根据这个定律，
两个物体之间的引力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方
成反比。在真空中，没有其他力的干扰，物体之间的引力将遵循万有
引力定律。
五、电磁力定律
电磁力是描述带电粒子之间相互作用的力。根据库仑定律，两个带电
粒子之间的电磁力与它们的电荷量成正比，与它们之间的距离的平方
真空的基本知识
1.316×10-3
9.87×10-4 1
真空的 基本知识
☞ 真空的划分 粗真空 1×105 to 1×102 Pa
气态空间近似为大气状态，分子以热 运动为主，分子之间碰撞频繁。
低真空 1×102 to 1×10-1 Pa
气体分子的流动从黏滞流状态向分子状态过渡， 气体对流现象消失，若在此情况下加热金属可以避免 与气体化合；若加电场会产生导电现象。 高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa
真空的 基本知识
两类真空
自然真空和人为真空 气体状体方程 相对真空和绝对真空
P nkT
k－1.38×10-23J/K
P n 7.2 10 T
22
绝对真空是 不存在的！
P－气体压强（Pa）；n－气体分子密度（m-3）；
P = 105Pa，T=290K，n = 2.461019分子/cm3 T=293K，P=1.3×10-11 Pa时，n=4×103/m3
真空的 基本知识
1643年，意大利物理学家托里折利演示了著 名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。 为了使被研究的样品不被周围气氛所污染， 获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形
成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，
人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
真空技术在物理实验中的操作要点与技巧
真空技术在物理实验中的操作要点与技巧
在物理实验中，真空技术是一项不可或缺的关键技术，它提供了一个无空气或
气体分子的环境，从而减小了粒子间相互碰撞的可能性，保证了实验数据的准确性和可靠性。然而，真空实验并不是一项简单的操作，需要熟练掌握一些关键的操作要点和技巧。
首先，在进行真空实验之前，必须对实验室的真空设备进行仔细检查和准备。
检查真空泵的真空度和漏气情况，并确保真空室的密封性良好。此外，清洁真空室的内部表面，避免杂质对实验的影响，这对于一些高精度实验尤为重要。
其次，控制真空室中压力的变化速率也是实验操作中的一个重要问题。在真空
实验开始时，切勿突然关闭真空泵或快速排气，这会导致真空室内部的压力急剧变化，可能损坏实验仪器或实验样品。正确的做法是逐渐加速真空泵的抽气速度，并且在达到期望的真空度后，逐渐将抽气速度降低到稳定的数值。
此外，真空实验中液体的蒸发问题也需要特别注意。由于真空环境下的蒸发速
度会增加，液体在容器中瞬间沸腾的现象可能会导致不稳定的实验结果。为了避免这种情况发生，可以在实验开始前提前将液体加热至其沸点以上，或使用溶液进行实验，以降低液体沸腾的可能性，确保实验的稳定性。
在真空实验中，还需要合理选择适合的材料用于制作实验设备。由于真空环境
下的高温、低温和高真空度可能对材料产生不同的影响，因此需要对不同材料的特点进行了解。一般来说，不锈钢是一种常用的材料，具有良好的耐高温和低温性能，且不易发生气体吸附现象。在需要较高真空度的实验中，还可以使用铝或铁材料，因其表面氧化层能够吸附气体分子，从而减少气体的残留。
真空基本知识
21
2、真空获得
☞ 扩散泵（Diffusion Pumps）
工作原理：
将油加热至高温蒸发状态(2000C) ， 让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出 (200m/s)，时不断撞击气体分子，并将 部分动量传递给这些气体分子，使其被 迫向排气口方向运动，在压缩作用下排 出泵体 。同时，被泵体冷却后的油蒸 气又会凝结起来返回泵的底部。
间。则：
N 1 1 20 18 2 ～ ＝ 10 ～ 10 / m 0.01 10 18 1 10 18
作为估算，我们选取
N 1019 /m 2
N 1019 3 104 22 J 3 10 p p
大气压下 P = 105 Pa， 高真空下 P = 10-8 Pa，
1.1 真空知识
真空：“真空”拉丁文Vacuo，其意义是虚无。
低于一个大气压的气体空间。
自然真空：宇宙空间所自然存在的 人为真空：人类利用真空泵抽取所获得的 绝对真空：完全没有气体的空间状态 相对真空：气体稀薄，分子数较少的状态
气体分子数密度
p nkT
n 2.5 10 p (m )
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pV RT
普适气体常量: R = 8.31J/mol K 玻耳兹曼常量: k = 1.38×10-23 J/K
理学-真空物理基础要点
真空物理基础要点
第2讲真空物理基础
为了阐述真空技术中经常遇到的一些物理知识，特别是那些在真空行业中会经常遇到的一些基本物理定律和相关的理论问题，如理想气体定律、气体与蒸汽的性质、气体内部各种动力过程的规律以及气体与固体间相互作用的规律等一系列问题，对真空物理中的一些问题进行一些介绍是十分必要的。
2.1 理想气体定律及其状态方程
本节所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。现就有关问题分述如下：2.1.1 气体定律
气体的压力p(Pa)、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参
量间的关系，服从下述气体实验定律：2.1.1.1 波义耳—马略特定律：
一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。即：pV=常数
2-1
2.1.1.2 盖·吕萨克定律：
一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：
V
常数
T
2-2
2.1.1.3 查理定律：
一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：
P/T=常数
2-3
上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。例如：初始压力和体积为
P1、V1的气体，经等温膨胀后体积变为V2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P2=P1V1/V2。这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
真空知识
真空泵学习资料
在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状态。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气状态相比，具有如下特点：
·真空状态下的气体压力低于一个大气压；
·真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压下的气体分子密度；
·真空状态下由于分子密度的减小，因此作为组成大气组分的氧、氢等气体含量（也包括水分的含量）也将相对减少。
二、真空的测量单位：
所谓真空度，就是指低压空间中气态物质的稀薄程度。气体的压力越低，其稀薄程度越大，也就是真空度越高。因此，低压力与高真空或高压力与低真空在含义上是完全相同的。这一点千万不要混淆。
测量真空度大小的量是压力，它的单位很多。下表列出的是常用的几种压力单位的换算关系。
三、真空区域的划分：
根据我国所制定的国标GB3163的规定，真空区域大致划分如下：
四、真空的作用：
随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下，应用各种不同的真空工艺，达到为生产及科学研究服务的目的。
例如，利用一面是大气，另一面是真空所造成的压力差或吸引力来作为巨大的能源；把钢水置于真空之下进行浇注或处理，借以减少钢中有害气体的含量和杂质，从而提高钢的质量；把食品或生物制品保存在真空容器里，借以减少有害气体对它侵蚀而延长保存时间；如果在低真空里进行浓缩结晶，那就可以非常方便地制取盐、糖；如果把低压环境下能使液体容易挥发的道理用于石油、化工，就可以通过“减压蒸馏”来分离某些不能在高温下操作的有机化合物。
真空物理基础
dσ = − kσ = −v f e (− Ed / RT )σ dt
其中： Ed 为吸附激活能；
R 为气体常数； T 为绝对温度；
v f 为一级脱附速率常数；
上述方程为一级脱附 速率方程。只适用于 物理吸附或非解离化 学吸附分子之脱附。
2009年5月
真空与过程装备系
第二讲：真空物理基础（二）
2.16 物理吸附和化学吸附
化学吸附是表面原子和气体原子/分子之间形成的反应，化学吸附热 和化学反应热大致相同。化学吸附具有如下特点： • 有化学反应发生; • 具有一定的选择性； • 可由物理吸附转化而来； • 不会发生多层吸附； • 吸附过程可以是吸/放热的。
2009年5月
真空与过程装备系
第二讲：真空物理基础（二） 固---气表面作用：
这累现象对超真空技术及其重要，因为此时分子间的碰撞已可忽略不计， 起关键作用的只是分子与表面的碰撞 如果表面开始是干净的，则将有部分分子不立即返回气相，而暂时停留 在表面上，出现了吸附现象 吸附泵，脱附仪的原理 表面受到带电粒子的碰撞，将出现各种物理化学变化 离子对表面的碰撞同样能引起气体脱附电子发射现象，同时引起原子的 溅射
电子发射 入射离子束 溅射原子或分子 正离子 负离子 光辐射 吸附气体的放出 表面形貌变化 加热效应 结晶变化 结构损伤 注入或扩散 气体的分解放出 离子束粒子的反射
真空知识.
§第1部分真空的初步知识
1.1基本概念
1．真空是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间的气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度。
2．测量单位：帕斯卡（Pa）
1Pa就是1m2面积上作用1N的压力。
1大气压=1.03×105Pa
3．真空度：表示真空状态下气体的稀薄程度。通常用压力表示单位（Pa）
4．压升率：单位时间内，真空度降低的速率。单位：Pa/h
5．常用泵阀的符号表示
①旋片泵：单级多级
②罗茨泵：③扩散泵：
④挡板阀⑤阀门（不指明类型）
6．真空泵的抽气速率（简称抽速）（单位：L/S）
当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩上指定位置测得的平衡压力之比。
7．极限真空度：（单位：Pa）
在规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向平稳的最低压强。
8．真空泵的型号及规格表示法
旋片泵表示名称：X，双级旋片泵表示名称：2X，
罗茨泵表示名称：ZJ，P表示它的排气口位置是旁开。（厂家的一种表示，不带有普遍性。）
以下两种泵后面有的数字是它的抽速。
2X-70，ZJ-600
扩散泵的表示名称：K，T表示凸腔泵，其后面的数字表示为它的进气口的几何尺寸。
KT-600，KT-400
1.2 设备的介绍
1.2.1 30kg、100kg、120kg三种设备的介绍
以100kg为例重点介绍：
整套设备由控制系统（电控系统）、炉壳、加热系统、真空系统、水冷系统、充放气系统、气动系统、风冷换热系统、进出料系统等九个系统组成，以下分别介绍：
1．控制系统：由电控柜、各种测量仪表、热电偶、加热电源组成。
真空物理基础
根据中华人民共和国机械行业标准JB/T7673-95的规定，国产各种真空泵是 由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123—456。 格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。
国产真空泵的型号通常以下表中的汉语拼音字母来表示。若在拼音字母前冠 以“2”字，则表示泵在结构上为双级泵。
起动压强（Pa） 1×105 1.3×103 1×105 1.3×10 1.3
6.7×10-1 1.3×10-2 1.3～1.3×10-1
备注：红色字体为气体传输泵，即通过将气体不断吸入并排出真空泵达到抽气的目的；其余的为气 体捕获泵，利用各种吸气材料所特有的吸气作用吸出气体达到目的。
真空泵型号及代码含义
电离真空计 —测量高真空
B 与真空系统相接
灯丝电路F-F中通以电流，灯 丝受热后便发射热电子
螺旋状栅极G-G电压高于灯丝（几百 伏），吸引热电子使热电子加速
收集极A电压比灯丝负（几十伏），反射电子
加速极的电势比灯丝高 收集极的电势比灯丝低
测量范围为10-1-10－5 Pa
电子在往返途中与气体分子相碰，产生正 离子和电子。收集极捕获正离子形成离子
真空的测量
一些真空计的压力测量范围
真空计名称 水银U型管 油U型管 光干涉油微压计 压缩式真空计(一般型) 压缩式真空计(特殊型) 弹性变形真空计 薄膜真空计 振膜真空计 热传导真空计(一般型) 热传导真空计(对流型)
真空物理现象的原理和应用
真空物理现象的原理和应用
1. 真空物理现象的概述
•定义：真空是指没有气体分子和离子的状态
•气体分子与真空：根据气体分子与容器壁碰撞的频率和选择性的逸出，实验者可实现降低气体分子密度的过程
•真空的分类：高真空、低真空、超高真空、超低真空
2. 真空物理现象的原理
2.1 真空中气体行为的基本原理
•真空与气体分子：气体分子在真空中的平均自由程呈现指数递增的特征
•分子碰撞与扩散：分子的碰撞和扩散在气体行为中起到重要作用
•流体动力学方程：描述气体行为的数学模型，涉及质量守恒、动量守恒和能量守恒
2.2 真空条件下的物质行为
•蒸发：液体和固体表面分子失去足够的能量以克服表面吸引力，进入气相
•气体扩散：气体在真空条件下的扩散速率与压力差成正比
•物质的沉积和析出：通过物理或化学手段，在表面上形成薄膜
•分子束外延：通过在真空中蒸发源产生分子束，让其沉积到衬底上，实现单层或多层沉积
3. 真空物理现象的应用
3.1 科学研究领域
•粒子加速器技术：用于加速微观粒子，进行基础粒子物理学研究
•原子能技术：利用核反应进行能量的转化和控制
•太空科学研究：在真空环境中进行对宇宙空间的观测和实验
3.2 工业生产领域
•真空包装：将产品包装于真空环境中，保持产品的新鲜和质量
•电子器件制造：在真空条件下进行薄膜沉积、外延生长等工艺
•光学镀膜：利用真空沉积技术在光学元件表面形成薄膜，提高光学性能
3.3 医疗领域
•真空吸引设备：用于吸引体内或体外的血液和其他分泌物
•真空包扎技术：通过应用真空包带固定伤口，加速创面愈合
•真空管技术：用于制造电子设备中的真空管
真空物理基础
二、气体分子运动论基础
热流逸现象
由于温度不同而引起气体流动，平衡时产生压力梯度的 现象，称为热流逸现象。它会给真空测量带来误差。
三、蒸汽
蒸汽
蒸汽（又称可凝性气体），是相对于永久气体（或称非可 凝性气体）而言的。对于任何一种气体，都存在着一个临 界温度，在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生 液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯 增加压力即能使其液化，便是蒸汽。
五、气体流动
质量流率qm(kg/s)和摩尔流率qv(mol/s)
为了考虑管道中流过的气体数量的多少，可以使用 气体的质量流率qm(kg/s)和摩尔流率qv(mol/s)，即 单位时间内通过管道某一截面的气体质量和气体摩 尔数。不过这两种流率不便于实际测量，因此工程 中广泛使用的是单位时间内流过管道指定截面的气 体体积，即体积流率qv(m3/s)。在气体压力为P的截 面上，qv 、qm、 qγ的关系为
四、气体吸附
气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在表面上,形成单 层或多层气体分子层的现象叫做吸附。能捕集气体的固 体叫吸附剂,而被吸附的气体成份叫吸附质。发生吸附作 用的原因是由于在吸附剂表面存在着力场 根据吸附力的不同,气体吸附可分为物理吸附和化学 吸附。
四、气体吸附
物理吸附
• 物理吸附是气体分子受范德瓦尔斯力的吸引作用而附着 在吸附剂表面之上,与气体的液化过程相类似,其特点是吸 附较弱,吸附热较小,吸附不稳定,较易脱附,但对吸附的气 体一般无选择性,温度越低吸附量越大,能形成多层吸附,分 子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。
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第2讲真空物理基础
为了阐述真空技术中经常遇到的一些物理知识，特别是那些在真空行业中会经常遇到的一些基本物理定律和相关的理论问题，如理想气体定律、气体与蒸汽的性质、气体内部各种动力过程的规律以及气体与固体间相互作用的规律等一系列问题，对真空物理中的一些问题进行一些介绍是十分必要的。
2.1 理想气体定律及其状态方程
本节所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。现就有关问题分述如下：
2.1.1 气体定律
气体的压力p(Pa)、体积V（m3）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参
量间的关系，服从下述气体实验定律：2.1.1.1 波义耳—马略特定律：
一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。即：
pV=常数
2-1
2.1.1.2 盖·吕萨克定律：
一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，即：
V
常数
T
2-2
2.1.1.3 查理定律：
一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比，即：
P/T=常数
2-3
上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。例如：初始压力和体积为P1、V1的气体，经等温膨胀后体积变为V2，则由波义耳—马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P2=P1V1/V2。这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。
2.1.1.4 道尔顿定律：
相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：
P=P1+P2+……P n
2-4
这里所说的混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。道尔顿定律表明了
各组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。
2.1.1.5阿佛加德罗定律：
等体积的任何种类气体，在同温度同压力下均有相同的分子数，或者说，在同温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积，人们把1mol 任何气体的分子数目N A 叫做阿佛加德罗数，N A =6.022×1023mol -1。在标准状态下（P 0=1.01325×105Pa ，T 0=0℃），1mol 任何气体的体积V 0称为摩尔体积。
V 0=2.24×10-2m 3/mol 。
根据上述气体定律，可得到反映四个气体状态参量P 、V 、T 、m 之间定量关系的理想气体状态方程：
RT M
m pV 2-5
式中的M 为气体的摩尔质量（kg/mol ），R 为普适气体常数，R=8.31J/(mol.K)。在已知p 、V 、T 、m 四参量中的任意三个量时，可由此式求出另外一个量的值。例如气体的质量m=Pvm/RT 。
一定质量的气体，由一个状态（参量值为P 1、V 1、T 1）经过任意一个热力学过程（不必是恒值过程）变成另一状态（参量值为P 2、V 2、T 2），根据状态方程，可得
P 1V 1/T 1=P 2V 2/T 2
2-6
对（2-5）变换，还可计算单位体积空间内的气体分子数目和气体质量，即气体分子密度n(m -3)和气体密度ρ（kg/m 3）
kT p RT pN MV mN n A A === 2-7
RT pM ==V m ρ
2-8
系数k=R/N A =1.38×10-23J/K 称为波尔兹曼常数。
2.2 气体分子运动论基础
2.2.1 处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律。气体分子热运动速率介于υ-υ+d υ之间的几率为
υυυππυυd kT m kT m d F N dN 2203
20)2ex p()2(4)(•-•== 2-9
式中F （υ）是速率υ（m/s ）的连续函数，称为速率分布函数。m 0=M/N A ,称为一个气体分子的质量（kg ）。
利用速率分布函数，可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。
最可几速率υm是在气体分子所具
有的各种不同热运动速率中出现几率最大的速度，即与F（υ）最大值相对应的υ值；
所有气体分子热运动速度的算术平均值叫做算术平均速度υ;
把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度υS。它们的计算式分别为：
M
RT
M
RT
M
RT
S
m
3
;
8
;
2
=
=
=υ
π
υ
υ
2-10
2.2.2 理想气体的压力基本公式，将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起来：
2203
131s s nm p ρυυ== 2-11
2.2.3 气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为
自由程，自由程有长有短，差异很大，但大量自由程的统计平均值却是一定的，称为平均自由程（m ）。
1.单一种类气体分子的平均自由程
为
p kT n 22221
πσπσλ==
2-12
2.如果是含有k 种成份的混合气
体，则
1
1
21121-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=∑k j j j oj o n m m σσπλ 2-13 式中б是气体分子的有效直径（m ），下标1、j 分别代表第1、j 种气体成份的参数。