Chapter 1(真空基本知识)

粗真空( 1×105--1×103 Pa ) 低真空(1×103--1×10-1Pa) 高真空(1×10-1--1×10-6Pa) 超高真空(1×10-6--1×10-10Pa ) 极高真空(＜1×10-10Pa )
1.粗真空（1×105--1×103 Pa）
在粗真空状态下，气态空间的特性 和大气差异不大，气体分子数目多，并 仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频 繁，气体分子的平均自由程很短。 通常，在此真空区域，使用真空技 术的主要目的是为了获得压力差，而不 要求改变空间的性质。电容器生产中所 采用的真空浸渍工艺所需的真空度就在 此区域。
4．超高真空(1×10-6--1×10-10Pa ) 此时每立方厘米的气体分子数在 1010个以下。分子间的碰撞极少，分 子主要与容器壁相碰撞。 超高真空的用途之一是得到纯 净的气体。其二，是可获得纯净的 固体表面。此时气体分子在固体表 面上是以吸附停留为主。
三、固体对气体的吸附、气体的脱附
1.固体对气体的吸附 物理吸附 化学吸附 2.气体从固体表面的脱附 3.影响因素
四、气体与蒸汽
•气体的临界温度：对于每种气体都有一个 特定的温度，高于此温度时，气体无论 如何压缩都不会液化，这个温度称为该 气体的临界温度。 •利用临界温度来区分气体与蒸汽：温度高 于临界温度的气态物质称气体，低于临 界温度的气态物质称为蒸汽。
但在工程实际中:
通常以室温为标准来区分气体和蒸汽： 1）临界温度远低于室温的是“永久气体”，(如 氮、氢、氩、氧和空气等物质)，所以在室温 下它们是“气体”，不能液化。 2）临界温度高于室温的是蒸汽，(如二氧化碳的 临界温度与室温接近，极易液化；水蒸汽、有 机物质和气态金属它们的临界温度高于室温很 多)在室温下它们极易液化。
2.低真空(1×103--1×10-1Pa)（1/2）
此时每立方厘米内的气体分子数为1016— 1013个。气体分子密度与大气时有很大差别。 气体中的带电粒子在电场作用下，会产生气体 导电现象。这时，气体的流动也逐渐从黏滞流 状态过渡到分子状态，这时气体分子的动力学 性质明显，气体的对流现象完全消失。因此， 如果在这种情况下加热金属，可基本上避免与 气体的化合作用。真空热处理工艺一般都在低 真空区域进行。
赫兹—克努曾（Hertz-Knudsen）公式:
2 mk T ， υ：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰 撞的气体分子数，称为入射频率。 n:器壁前的气体分子密度； υa : 分子的平均速度。

1 4
n
a

p
三、碰撞速率与余弦散射律（续）
2、气体分子从固体表面的反射 余弦散射定律（克努曾定律）： 碰撞于固体表面的稀薄气体分子，它 们飞离表面的方向与原入射方向无关，并 按与表面法线方向所成角度的余弦进行 分布。则一个分子在离开其表面时，处于 立体角d(与表面法线成角)中的几率为：
1bar＝105 Pa=105N/m2=106达因/cm2=0.986923 atm
• 1 kgf/cm2≈1atm (1atm=1.0333kgf/cm2) • 1 atm=760mmHg=0.1013MPa 即1MPa约=10 atm
(常用储气瓶满瓶压力约200atm)
二、真空区域的划分

麦克斯韦速率分布曲线
该曲线反映了气体分 子速度随温度的变化情况。
气体分子的最可几速度
根据麦克斯韦速率分布定律，从理论上可 推得分子速率在υm处有极大值，υm被称为最可 几速度，其值为：
m
2 kT m 2 RT M 1 . 41 RT M ( cm / s )
M:气体分子量（kg/mol）； m:气体质量（kg）； k:玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）； R:气体普适常数（8.314 J/mol • K），也叫摩尔气体常数。
表1-1 各种物质的临界温度
l—2 稀薄气体的基本性质பைடு நூலகம்复习）
气体状态方程 (描述气体性质，当气体处于平衡时可得到)
P=nkT or PV=
m M
RT
P:压强（Pa）； V:体积（ m3 ）； n:气体分子密度（个/m3）； T:绝对温度（K）； M:气体分子量（kg/mol）； m:气体质量（kg）； k:玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）； R:气体普适常数（8.314 J/mol • K）也叫摩尔气体常数， 亦为：R=NA • k， NA : 阿佛伽德罗常数（6.023 ×1023 个/mol）。
1)波义尔定律 一定质量的气体，在恒定温度 下，气体的压强与体积的乘积为常 数。
PV=C or P1V1=P2V2
2)盖· 吕萨克定律 一定质量的气体，在压强一 定时，气体的体积与绝对温度成正 比。
or
V=CT V/V0=T/T0
3)查理定律 一定质量的气体，如果保持体 积不变，则气体的压强与绝对温度 成正比。
气体分子的平均速度
气体分子的平均速度为：
a
8 kT
m

8 RT
M
1 . 59
RT M
( cm / s )
气体分子的均方根速度
气体分子的均方根速度为：
r
3 kT m

3 RT M
1 . 73
RT M
( cm / s )
三种速度的比较
三种速度中， υr＞υa ＞υm 均方根速度υr最大，平均速度υa次之， 最可几速度υm最小。 这三种速度在不同的场合有各自的应用： υr 在计算分子的平均动能时采用； υa在计算分子运动的平均距离时要用到； υm在讨论速度分布时要用到。
真空泵---获得真空的关键
种 机 械 泵
蒸 汽 喷 射 泵
类
排气原理
利用机械力 压缩和排除 气体 (气体传 输) 靠蒸气喷射 的动量把气 体带走
工作压强范围（约）
1 atm ---1 （Pa） 1 atm ---10-2 （Pa） 10-1 ---10-7 （Pa） 104--- 10-2 （Pa） 1 ---10-7 （Pa） 10-1 --- 10-6 （Pa）
区别：“真空度”和“压强”
“真空度”和“压强”是两个概念，不 能混淆：压强越低，意味着单位体积中 气体分子数愈少，真空度愈高；反之真 空度越低则压强就越高。 由于真空度与压强有关，所以真空 的度量单位是用压强来表示。
在真空技术中，压强所采用的法定 计量单位是帕斯卡(Pascal)，简称帕 (Pa)，是目前国际上推荐使用的国际单 位制(1971年国际计量会议正式确定)。 托（Torr）是在最初获得真空时 (1958年托里拆利)就被采用的、真空技术中 的独特单位。
工程中所用旧单位与Pa之关系(1Pa=1N/m2)
•毫米汞柱(mmHg)(最早最广泛使用的压强单位) 1mmHg＝133．322Pa •托(Torr) 1Torr (＝ 1mmHg) ＝1atm/760 ＝133.322Pa
（atm表示标准大气压，毫米汞柱与托在本质上是一回事，二者相等）
• 巴(bar)
麦克斯韦速率分布定律
由上式可见，在不同的速度附近取相等的间 隔d ，比率dN/N的数值一般是不同的。比率 dN/N与速度有关，与的函数关系成正比，即 dN/N=f()d
f ( ) 4 ( m 2 kT
3
)
2
exp( m
2
/ 2 kT )
2
函数f()表明了分布在速度υ附近单位速度间 隔内的分子数占总分子数的比率，也叫麦克斯韦 速率分布定律。
真空系统的主要指标
1）极限真空
对于任何一个真空系统而言，都不可能 得到绝对真空(P＝0)，而是具有一定的压强， 称为极限压强(或极限真空)，这是该系统所能 达到的最低压强，是真空系统能否满足镀膜需 要的重要指标之一。
2）抽气速率
指在规定压强下单位时间所抽出气体的体 积，它决定抽真空所需要的时间。
pass
二、平均自由程
每个分子在连续两次碰撞之间的路 程称为“自由程”。 其统计平均值称为“平均自由程”。

1 2
2
n
可见，平均自由程与分子密度n和分子直径 的平方是反比关系。
平均自由程（续）
又气体状态方程：P=nkT ，代入气体分 子密度n，则 kT

2
2
P
可见，气体分子的平均自由程与压 强成反比，与温度成正比。 在气体种类一定、室温的情况下：
or
P=CT P/P0=T/T0
一、气体分子的速度分布(简介)
麦克斯韦—玻尔兹曼分布
在平衡状态下，当气体分子间的相互作 用可以忽略时，分布在任一速度区间 υ— υ+dυ 内分子的几率为：
dN N 4 ( m 2 kT
3
)
2
exp( m
2
/ 2 kT ) d
2
N:容器中气体分子总数；m:气体分子质量； T：气体温度；k：玻尔兹曼常数。
一、真空及其单位 所谓真空是指低于一个大气压 的气体空间。与正常的大气相比， 是比较稀薄的气体状态。 所谓真空是相对的，绝对的真 空是不存在的。通常所说的真空是 一种“相对真空”。
真空的单位 在真空技术中对于真空度的高低， 可以用多个参量来度量，最常用的 有“真空度”和“压强”。 此外，也可用气体分子密度、 气体分子的平均自由程、形成一个 分子层所需的时间等来表示。

0 . 667 P
20℃空气在不同压强下的分子平均自由程
P(Torr) 1 10-3 10-4 10-5 10-6 10-9
λ（cm） 4.72×10-3 4.72 47.2 472 4720 4.72×106
三、碰撞速率与余弦散射律
1、气体分子向固体表面入射碰撞
描述气体分子热运动的重要公式：
2.低真空(1×103--1×10-1Pa)（2/2）