真空技术及真空计量基本知识

第二章 真空计量基本知识一、真空1.1 真空、理想气体状态方程、气体分子的热运动地球的周围有一层厚厚的空气，称为大气，人类就生活在这些大气中。

空气有一定的质量，在通常状况下，大约为1.29g/l ，可以说是很轻的。

但地球周围的空气非常密，在几十公里以上的高空还有空气存在，这么厚的一层空气受地球引力作用，就会对地面上的一切物体产生压力，这就是大气压。

早在17世纪，托里拆利就通过实验证实了大气压强的大小。

通常一个标准大气压约等于0.1MPa ，相当于760mm 左右的汞柱所产生的压强。

真空是指低于一个大气压的气体空间，但不可理解为什么都没有。

真空是同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。

按照阿佛加德罗定律1mol 任何气体在标准状况下，有6.022×1023个分子，占据22.4L 的体积。

由此我们得到标准状态下气体分子的密度为319/103cm 个⨯。

在非标准状况下，当气体处于平衡时，满足描述理想气体的状态方程。

式中的N 为气体的摩尔数，P 为压力（Pa ）,T 热力学温度，κ为波尔兹曼常数，κ=1.38×10-23J/K 。

因此在非标准状况下，气体分子数密度及压力和温度有关。

每立方厘米中的气体分子数可以表示为：式中n 为气体分子数密度（cm -3），由此可见，即便在Pa P 11103.1-⨯=这样很高的真空度时，T=293K 时，每立方厘米的空间中仍有数百个气体分子。

因此所谓真空是相对的，绝对的真空是不存在的。

同时我们也可知，气体分子数密度在温度不变时，及压力成正比。

因此，真空度可用压力来表示也是以此为理论依据。

在真空抽气过程中，一般可认为是等温的，我们说容器中的压力降低了或气体分子数密度减少了都是正确的。

1.2 气体分子的热运动从微观的角度看，气体是由分子组成的，所有分子都处在不断的、无规则的运动状态。

分子的这种运动及温度有关，因此我们称之为热运动。

做无规则运动的气体速度不都具有相同的值，而是形成一个各种速度的速度分布，具有最大速度和最小速度的分子数都比较少，而具有“中等”速度的分子数比较多，速度的分布是有规律的。

容器中的气体，施于器壁或测量元件的压力，是大量气体分子不断对他们进行碰撞的结果。

我们知道，所有气体分子都在以各种可能的速度和方向无规则的运动着，随时都有一部分分子碰撞到器壁或测量元件上，并把它们的动量传递给被碰撞的物体，对于一个分子来讲，它每次碰撞在什么地方，有多大的动量都是偶然的，不确定的。

但对于容器中的大量分子而言，每时每刻都有许多分子碰撞到器壁和测量元件上，按照统计规律，这种碰撞是恒定的、持续的、确定的，从宏观上表现出来的，就是压力。

因此从分子运动的观点看，气体压力是由于大量气体分子做无规则的热运动，对物体表面施加碰撞的统计平均结果。

1.3 真空的特点在低于大气压力的稀薄气体中，气体所显示的第一个特点是气体分子数目的减少,即单位体积内所具有的分子数目的减小.低压气态空间所显示的第二个特点是随着分子数目的减少,分子间、分子及器壁之间相互的碰撞次数也逐渐的减少下来。

随大气压力降低，每秒种内碰撞到每平方厘米表面积上去的分子数是在不断减少的。

低气压状态中，气体的第三个特点是气体分子热运动自由程的增大。

所谓自由程，是指一个气体分子在其热运动过程中，彼此之间不断发生碰撞，一个分子及其它分子每连续两次碰撞之间所走的路程。

由于分子运动速度不同，运动情况不同，单独讨论某一个分子的自由程是无意义的，因此通常采用平均自由程的概念，它定义为相当多的不同自由程的平均值。

平均自由程也只有统计的概念。

理论和实验表明，气体分子的平均自由程可以用下式表示其中为σ分子直径，p为压强，T为气体温度，k为玻耳兹曼常数。

二、真空的度量根据上面的讨论，我们可以看出，在真空中气体分子数目、气体分子间相互碰撞次数及气体分子碰撞到空间任何物体表面上去的次数都有着明显的减少。

随着气态空间分子数的减少，即出现了真空度不断提高的过程。

所谓真空度，就是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，低压力及高真空或高压力及低真空，在含义上是完全相同的。

在真空技术中由于真空度和压强有关，所以真空度的度量单位是用压强来表示。

压强所采用的法定计量单位是帕斯卡（Pascal），简称帕，是目前国际上推荐使用的国际单位制。

我国采用国际单位制。

1958年，第一届国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。

托（Torr）是最初获得真空时被采用的真空技术中的独特单位，实际上也是1mmHg柱所产生的压强。

两者的关系为1Torr=133.322Pa=1mmHg。

还有一种压强的计量单位是巴(bar), 1 bar =105 Pa ，它的常用单位是毫巴(mbar)，1mbar=10-3bar=100Pa，这也是我们镀膜线控制界面所用的压强单位。

三、真空的划分有了度量真空度的单位，就可以定量表示真空度的高低了。

但在习惯上，人们只需要指出真空状态的大致情况时，采用划分真空区域的方法是比较方便的。

根据我国制定的国标，真空区域大致划分如下：低真空区域105-102Pa （760-1托）中真空区域102-10-1Pa （1-10-3托）高真空区域10-1-10-5Pa （10-3-10-7托）超高真空区域＜10-5Pa （＜10-7托）3.1 低真空区域在低真空情况下，气体分子的平均自由程小于10-4cm，分子数密度还很高，在容器壁上经常保留着一个被吸附的气体层，容器内部气体分子由于不断及其它分子发生碰撞，所以运动轨迹是一个平均自由程远小于容器尺寸的空间折线。

如图1示。

图1 低真空下气体分子的运动轨迹λ<<d 图2 低真空下蒸汽分子的运动轨迹此时如果容器内部存在一个蒸发源，例如用电热杯加热一小杯水，由于气体分子数密度高，在水蒸气分子不断离开水面又会不断被碰撞返回水面，所以蒸发速度慢。

另一方面，离开水面的蒸汽分子由于及其他气体分子碰撞，完全破坏了刚离开水面时的方向，而是通过杂乱无章的空间折线做随机运动，如图2示。

任何蒸汽分子都可能凝结在容器壁或屏的任何一面，不会由于屏的存在而在容器上部壁上出现“分子阴影”。

因此真空镀膜不能工作在粗真空范围，否则，就会在真空镀膜机腔内及被镀件的所有表面上出现膜层。

在低真空情况下，气体传导热量的能力及压力无关。

低真空情况下气体传导热的过程主要是靠气体分子间的相互碰撞，动能高的气体分子通过碰撞把热能传递给动能低的分子以完成热量的传递。

若压力高，分子数密度大，分子平均自由程小，反之，压力低，分子数密度小，平均自由程增加，二者相互关联，使得在粗真空范围内气体的热传导能力并不随着压力的降低而提高。

在低真空条件下，分子自由程小，气体可视为连续介质，气流通过管道时，流层间存在摩擦阻力，因此流速沿半径方向会均匀减小，中间最大，而贴近管壁处由于壁对气体的粘着作用，使流速为零。

从分子运动的观点看，出现这种现象的原因是气体分子具有传递动量的能力。

气体随气流做定向运动时具有一定的动量，由于分子数密度很高，这些分子同时还要在各个方向上做无规则热运动，碰撞及之相邻的气体分子，把它们的一部分动量传递给这些分子，这样互相碰撞传递动量的结果，形成如上所述的速度分布。

气体的这种传递动量或内部各层之间交换动量的现象称为气体的粘滞性和内摩擦。

上述气体分子的平均自由程小于管道最小截面尺寸的流动状态就称为粘滞流。

低真空下气体的流动主要表现为粘滞流。

3.2 中真空区域在中真空区域内，随真空度由低到高，分子的平均自由程从10-4cm到10cm，变得可及容器尺寸相比拟。

所以中真空情况下，容器壁上吸附的气体层比低真空容易脱离器壁。

中真空环境中液体的蒸发也要比低真空快很多。

在中真空状态下，随着气压的降低，平均自由程的增加就开始不足以补偿分子数减少造成的影响，出现了热传导能力及压力有关的现象，在一定范围内，热传导能力及气体压力成正比。

根据这一特点，制成了热传导式真空计。

在中真空下，分子的平均自由程可以及容器的尺寸相比拟，但分子之间还存在较多碰撞，气体的流动既不是粘滞流，也不是分子流，而是介于粘滞流和分子之间的一种中间流状态。

3.3 高真空区域在高真空情况下，气体分子的平均自由程一般在10cm以上，这就是说，在一个容器内部，做热运动的气体分子之间已几乎不发生碰撞。

它们只及容器壁发生碰撞，在容器壁间作折线运动。

如图3示。

图3高真空时气体分子的热运动路径图4高真空时蒸汽分子的直线轨迹λ>>d 在高真空情况下，由于离开器壁的分子不能及其它分子碰撞返回器壁表面，所以器壁上，至少是大部分器壁上已不能保留布满气体分子的吸附层。

在高真空情况下，如果真空容器的内部存在一个蒸发源，例如真空镀膜的蒸镀物质，由于蒸发的原子不可能因及其它分子碰撞而返回蒸发源，所以蒸发速度可以达到该温度下的最大值。

另外，从蒸发源飞离的蒸发原子，将不改变方向，一直碰到器壁或屏上，并凝结在那里。

冷凝的蒸镀层只在屏朝向蒸发源的那一面和器壁不被遮挡的部分出现，如图4所示。

如同蒸发源是一个点光源一样。

这就是真空镀膜的基础。

在高真空情况下，气体的热传导能力及压力有关，压力越低，热传导能力越差。

绝热性能越高。

这是因为压力越低，载热分子数越少的缘故。

像杜瓦斯、保温瓶等都是利用了这一原理。

四、蒸汽所谓蒸汽（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。

空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫凝结。

凝结的逆过程，即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。

单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率，单位是kg/(m2·s)。

在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率大于凝结率，则宏观上表现为液体的蒸发；若蒸发率小于凝结率，则宏观上表现为蒸汽的凝结；二者相等时，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应温度下的饱和蒸汽压P S。

物质的饱和蒸汽压P S随着温度升高而增大。

在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前可以使用理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，理想气体定律不再适用，气体的饱和蒸汽压P S只及温度有关，在特定温度下是一个定值。

只要保持温度恒定，饱和蒸汽压就不会改变，容积减小，将有一部分蒸汽分子凝结成液体；反之增大容积，又会有一部分液体变为气体。

饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题。

以最常见的旋片泵为例，如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大，在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前，水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压，那么继续压缩的过程中，就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中，无法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽，增大吸气侧的水蒸汽比例和压力，导致泵的抽气能力和极限真空的下降。