物理化学实验(压力)

1、二、压力的测量与控制（一）压力的测量（一）压力的测量1. 压力的定义和习惯表示压力的定义和习惯表示 压力和温度一样是系统的状态参数，与许多物化性压力和温度一样是系统的状态参数，与许多物化性质相关。物化实验中，会涉及到高压、常压和真空系统。质相关。物化实验中，会涉及到高压、常压和真空系统。不同压力系统有着不同的测量方法和技术。不同压力系统有着不同的测量方法和技术。定义：定义： 压力即物理中的压强，具有压强的量纲。其量纲有压力即物理中的压强，具有压强的量纲。其量纲有如下表示方式：如下表示方式：1) 帕斯卡帕斯卡(帕帕) Pa；1 Pa = 1 N m-2 = 105 达因达因/平方厘米平方厘米2)

2、 标准大气压标准大气压 atm ；1atm = 101.325 kPa二、压力的测量与控制3) 毫米汞柱毫米汞柱(乇乇)：mmHg (Torr)； 1mmHg = 1 Torr = 1.333 10 2 Pa4) 巴巴 ：bar (B)；1B = 105 Pa，1mB = 0.1 kPa5)毫米水柱：毫米水柱：1 mmH2O = 9.806 Pa (4 )习惯表示：习惯表示：1) 绝对压力：绝对压力： p，实际压力，总压力，实际压力，总压力2) 相对压力：相对压力： p = p po，与大气压力，与大气压力po相比较的压力相比较的压力3) 正压力：正压力： p po4) 负压力：负压力： p

3、po，又称真空，其绝对值称为真空度，又称真空，其绝对值称为真空度5) 差压力：差压力： p1 p2，任意压力，任意压力p1和和p2比较的差值比较的差值二、压力的测量与控制2. 压力测量仪器压力测量仪器 气压计气压计 福庭（福庭（Fortin）式气压计）式气压计 首先调节零点，即旋转调节螺钉首先调节零点，即旋转调节螺钉10，使象，使象牙针尖牙针尖6恰好与储汞槽恰好与储汞槽9内的汞液面接触；然后内的汞液面接触；然后转动升降游标尺螺钮转动升降游标尺螺钮4直到游标尺直到游标尺2的下缘恰好的下缘恰好与汞柱的凸弯月面相切，即可从标尺与汞柱的凸弯月面相切，即可从标尺3与游标尺与游标尺2上读取读数。上读取读数

4、。 由于黄铜标尺的长度和汞的密度都随温度由于黄铜标尺的长度和汞的密度都随温度而变，且重力加速度与地球纬度有关，所以必而变，且重力加速度与地球纬度有关，所以必须对读数进行校正。须对读数进行校正。抽空的玻璃气压计管抽空的玻璃气压计管 2. 2. 读数游标尺读数游标尺 3. 3. 标尺标尺4. 4. 升降游标尺螺钮升降游标尺螺钮5. 5. 黄铜管黄铜管 6. 6. 象牙针尖象牙针尖7. 7. 玻璃窗玻璃窗8. 8. 下有羚羊皮袋下有羚羊皮袋9. 9. 储汞槽储汞槽 10.10.调节螺钉调节螺钉11.11.通气孔通气孔 12.12.温度计温度计二、压力的测量与控制 pt 气压计读数；气压计读数； p0

5、 0气压值；气压值； 汞的平均膨胀系数汞的平均膨胀系数 = (181792+0.175 t+0.035116 t2)10-9/-1 黄铜标尺的线膨胀系数黄铜标尺的线膨胀系数 = 18.410-6/-1 重力加速度校正：设测量地点的纬度重力加速度校正：设测量地点的纬度，海拔高度，海拔高度为为H，则：，则： 纬度校正为：纬度校正为： = 2.6610- -3p0 cos2 海拔高度校正为：海拔高度校正为：H = 3.1410- -7Hp0 温度校正：温度校正：二、压力的测量与控制仪器误差校正：由于仪器本身构造不够精密仪器误差校正：由于仪器本身构造不够精密(按制造按制造 厂所附的仪器误差卡上的校正值

6、进行校正厂所附的仪器误差卡上的校正值进行校正)，或长期，或长期 使用后水银柱上部的真空度降低等因素所导致的误差使用后水银柱上部的真空度降低等因素所导致的误差 (一般采用标准气压计进行校正一般采用标准气压计进行校正)，记为：，记为：k 。校正后的真实大气压为：校正后的真实大气压为：p = pt +t + +H+k要注意上式要注意上式 中各校正值的符号：中各校正值的符号：实验室温大于实验室温大于0，t 0；实验地点纬度小于实验地点纬度小于45，0；实验室高于海平面，实验室高于海平面，H将供气阀门将供气阀门f关闭；关闭；2将总阀门将总阀门a打开，此时压力总表打开，此时压力总表c指示指示钢瓶内总气压；

7、钢瓶内总气压；3旋紧调压阀门旋紧调压阀门d(向上顶向上顶)直至分压力表直至分压力表e指指示的压力值达到实验所需压力；示的压力值达到实验所需压力；4打开供气阀门打开供气阀门 f ，氧气充入，氧气充入氧弹氧弹(有些氧气表没有供气阀门有些氧气表没有供气阀门 f )，此时分压力表，此时分压力表 e 的指示压的指示压力稍降后回升，至分压力表力稍降后回升，至分压力表e的的指针稳定为止指针稳定为止( 约约1min )，氧气，氧气充好；充好；5关闭供气阀门关闭供气阀门f；6再再关总阀门关总阀门a；7松开阀门松开阀门d，复原。，复原。a.a.总阀门；总阀门；b.b.氧气表和钢瓶连接螺旋；氧气表和钢瓶连接螺旋；c

8、.c.总压力表；总压力表；d.d.调压阀门；调压阀门；e.e.分压力表；分压力表；f.f.供气阀门；供气阀门；g.g.接氧弹进气口螺旋接氧弹进气口螺旋二、压力的测量与控制（三）真空技术（三）真空技术 真空是指一个系统的压力低于标准压力的气态空间。为真空是指一个系统的压力低于标准压力的气态空间。为了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出，凡是能了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出，凡是能从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置均称为真空泵。从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置均称为真空泵。真真空空分分类类粗粗 真真 空空 ：105 103 Pa，760 10 Torr低低 真真 空空

9、 ：103 10- -1 Pa， 10 10- -3 Torr高高 真真 空空 ：10- -1 10- -6 Pa，10- -310- -8 Torr超高真空超高真空 ：10- -6 10- -12Pa，10- -810- -14Torr极高真空极高真空 ： 10- -12 Pa， 不能直接用来抽出冷凝性气体如水蒸气，挥发性气体如乙醚不能直接用来抽出冷凝性气体如水蒸气，挥发性气体如乙醚或腐蚀性气体如氯化氢等。若要应用，则应在泵的进气口前端或腐蚀性气体如氯化氢等。若要应用，则应在泵的进气口前端加接干燥瓶、吸收瓶或冷阱。加接干燥瓶、吸收瓶或冷阱。 常用的干燥剂有氯化钙或五氧化二磷等，吸收剂常用固体

10、氢氧常用的干燥剂有氯化钙或五氧化二磷等，吸收剂常用固体氢氧化钠等，冷阱常用的致冷剂为固体二氧化碳化钠等，冷阱常用的致冷剂为固体二氧化碳(-78)或液氮或液氮(-196)。2 用泵之前应该检查马达的额定电压和接线方法，运转方向和用泵之前应该检查马达的额定电压和接线方法，运转方向和泵油量是否适量。运转时电机温升一般不可超过泵油量是否适量。运转时电机温升一般不可超过65，不应有，不应有异常声音。异常声音。3 开泵或停泵前，开泵或停泵前，应使泵先与大气相通应使泵先与大气相通，以避免带负载启动或，以避免带负载启动或泵油冲入真空系统。泵油冲入真空系统。(即倒吸即倒吸)二、压力的测量与控制3.扩散泵扩散泵

11、扩散泵按泵的工作介质可分为汞扩散泵和油扩散泵，扩散泵按泵的工作介质可分为汞扩散泵和油扩散泵，常见的是硅油扩散泵。扩散泵必须以油机械泵作为其前级常见的是硅油扩散泵。扩散泵必须以油机械泵作为其前级泵，将其抽出的气体抽走，不能单独使用。泵，将其抽出的气体抽走，不能单独使用。 扩散泵的类型很多，构成泵体的扩散泵的类型很多，构成泵体的材料有金属和玻璃两材料有金属和玻璃两种。按喷嘴个数有种。按喷嘴个数有“级级”之分，如三级泵、四级泵。之分，如三级泵、四级泵。 扩散泵是利用一种工作物质高速从扩散泵是利用一种工作物质高速从喷口喷出，在喷口喷口喷出，在喷口处形成低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走。这处形成

12、低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走。这种工作物质在常压下为液体，并具有极低的蒸气压，用小种工作物质在常压下为液体，并具有极低的蒸气压，用小功率电炉加热就能使其液体汽化，通过水冷却又能使其蒸功率电炉加热就能使其液体汽化，通过水冷却又能使其蒸气液化。气液化。二、压力的测量与控制 扩散泵是利用一种工作物质高速从扩散泵是利用一种工作物质高速从喷口喷出，在喷口处喷口喷出，在喷口处形成低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走。形成低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走。 图为三级玻璃扩散泵示意图。泵底部图为三级玻璃扩散泵示意图。泵底部的蒸发器的蒸发器 2 内盛有一定量的扩散泵油，待内盛有一定量的扩

13、散泵油，待系统被前级机械泵系统被前级机械泵减压到减压到1.33Pa后后，电炉，电炉8将扩散泵油加热至沸腾，油蒸气沿中央导将扩散泵油加热至沸腾，油蒸气沿中央导管上升，从伞形喷嘴管上升，从伞形喷嘴3,4,5中射出，形成高中射出，形成高速的射流，油蒸气喷射到速的射流，油蒸气喷射到泵壁上冷凝为液泵壁上冷凝为液体回流到体回流到蒸发器内。同时体系中的气体分蒸发器内。同时体系中的气体分子被油蒸气挟裹进入射流，从上到下逐级子被油蒸气挟裹进入射流，从上到下逐级富集于泵体下部，再被前级泵抽走。富集于泵体下部，再被前级泵抽走。1.1.泵体；泵体；2.2.蒸发器和扩散泵油蒸发器和扩散泵油3,4,5.3,4,5.一、二

14、、三级伞形喷嘴一、二、三级伞形喷嘴6.6.冷却水夹套；冷却水夹套；7.7.冷阱；冷阱；8.8.电炉电炉二、压力的测量与控制扩散泵使用注意事项：扩散泵使用注意事项：1 工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高工作液最好用硅油，硅油分子量大，蒸气压低，有利于提高真空度。汞有毒，最好不用真空度。汞有毒，最好不用 。但硅油易氧化，所以要用前级泵。但硅油易氧化，所以要用前级泵将体系抽至低真空时才能启动扩散泵加热硅油；另硅油在高温将体系抽至低真空时才能启动扩散泵加热硅油；另硅油在高温下易裂解，故停泵前要先关闭泵前后的旋塞，使泵内处于高真下易裂解，故停泵前要先关闭泵前后的旋塞，使泵内处于高真空态

15、，再停止加热；待泵体冷却到空态，再停止加热；待泵体冷却到50以下才可以关闭泵体冷以下才可以关闭泵体冷却水。却水。2 由于扩散泵的有效工作范围在由于扩散泵的有效工作范围在 10-110-8 Torr，所以在使用，所以在使用扩散泵时，必须要用前级泵，将压力降到扩散泵时，必须要用前级泵，将压力降到 10-1 Torr 以下，并且以下，并且前级泵的抽气速度必须大于扩散泵。前级泵的抽气速度必须大于扩散泵。3 泵的冷却和加热器加热对泵的工作效率也很重要，防止泵油泵的冷却和加热器加热对泵的工作效率也很重要，防止泵油返流现象。加热、冷却必须缓慢进行，防止扩散泵爆裂。返流现象。加热、冷却必须缓慢进行，防止扩散泵

16、爆裂。二、压力的测量与控制4. 真空测量真空测量 用真空压力表可测得低真空的压力，对于真空度较高用真空压力表可测得低真空的压力，对于真空度较高的体系，必须要用其它真空计来测量其真空度。的体系，必须要用其它真空计来测量其真空度。粗真空或低真空：粗真空或低真空： U型管压差计型管压差计 真空表真空表 较高或高真空：较高或高真空： 绝对真空规绝对真空规 真真 麦氏真空规麦氏真空规 空空 相对真空规相对真空规 规规 热偶真空规热偶真空规 电离真空规电离真空规二、压力的测量与控制5. 组装真空系统的材料、部件和技术组装真空系统的材料、部件和技术 当真空度要求不同时，构成真空系统的设备及材料也当真空度要求

17、不同时，构成真空系统的设备及材料也不会相同，密封技术也不一样，但其基本构成可用以下方不会相同，密封技术也不一样，但其基本构成可用以下方框图表示。框图表示。主 导 管真空规压力计真空使用部分扩散泵机械泵 建立真空系统除了选用匹建立真空系统除了选用匹配的泵及真空检测设备外，还配的泵及真空检测设备外，还要针对实验项目的具体要求，要针对实验项目的具体要求，使用合适的部件，并根据系统使用合适的部件，并根据系统运行的特点，按次序连接组装。运行的特点，按次序连接组装。二、压力的测量与控制 真空系统的结构材料真空系统的结构材料 用于用于真空系统的结构材料必须具有很好的气密性。低真空系统的结构材料必须具有很好的

18、气密性。低真空的大系统一般采用碳钢材料，高真空系统则采用镍铬真空的大系统一般采用碳钢材料，高真空系统则采用镍铬不锈钢。物理化学实验与研究中的真空系统多为高真空小不锈钢。物理化学实验与研究中的真空系统多为高真空小系统，常采用耐热硬质玻璃。其结构强度和耐热性远不如系统，常采用耐热硬质玻璃。其结构强度和耐热性远不如上述金属材料，但它具有气密性好、易熔接加工、以及透上述金属材料，但它具有气密性好、易熔接加工、以及透明而便于观察等优点。明而便于观察等优点。 真空橡皮管、橡皮垫片真空橡皮管、橡皮垫片/圈是真空系统的重要辅助材料，圈是真空系统的重要辅助材料，需要有良好的弹性，用于怕震动的部位和便于拆卸的法兰

19、需要有良好的弹性，用于怕震动的部位和便于拆卸的法兰盘连接部位。但高真空系统都不宜使用橡胶制品。盘连接部位。但高真空系统都不宜使用橡胶制品。二、压力的测量与控制 真空系统的常用部件真空系统的常用部件 除泵及真空检测设备外，常用部件还有真空活塞除泵及真空检测设备外，常用部件还有真空活塞/栓、栓、缓冲瓶缓冲瓶/罐、量气管、除气室、干燥塔、安全阀等。罐、量气管、除气室、干燥塔、安全阀等。 真空活塞真空活塞/栓是控制真空系统工作和分割真空系统为各栓是控制真空系统工作和分割真空系统为各个部分的必不可少的重要部件。它与普通活塞不同之处在个部分的必不可少的重要部件。它与普通活塞不同之处在于于玻璃质量不同；玻璃

20、质量不同；通路较宽；通路较宽；磨口加工精细等方面。磨口加工精细等方面。真空活塞真空活塞/栓有两通、三通和四通等，通路的方向形式也较栓有两通、三通和四通等，通路的方向形式也较多。使用真空活塞多。使用真空活塞/栓时必须注意与之相连接的管道的尺寸，栓时必须注意与之相连接的管道的尺寸，切不可乱配用，否则效果不好；还必须选用真空脂涂抹活切不可乱配用，否则效果不好；还必须选用真空脂涂抹活塞塞/栓的磨口部分，以起到润滑和密封作用。栓的磨口部分，以起到润滑和密封作用。二、压力的测量与控制 真空系统的密封材料及使用真空系统的密封材料及使用 真空密封材料也称为真空涂料，有真空脂、真空封蜡、真空密封材料也称为真空涂

21、料，有真空脂、真空封蜡、真空封泥、真空漆等几大类。其共同特征是：蒸气压低、吸真空封泥、真空漆等几大类。其共同特征是：蒸气压低、吸气量少、对金属和玻璃等材料都有很强的粘附力。气量少、对金属和玻璃等材料都有很强的粘附力。真真 空空 脂：多用于活塞磨口的密封，兼起润滑作用。脂：多用于活塞磨口的密封，兼起润滑作用。真空封蜡：多用于不转动和不拆卸部位的密封，一般需要加真空封蜡：多用于不转动和不拆卸部位的密封，一般需要加 热软化之后才能使用。热软化之后才能使用。真空封泥：多用于真空度较低而又需要经常拆卸部位的密封。真空封泥：多用于真空度较低而又需要经常拆卸部位的密封。真真 空空 漆：一般只用于金属焊缝或砂

22、眼的涂抹。它具有较强漆：一般只用于金属焊缝或砂眼的涂抹。它具有较强 的粘附力和密封性，且能经受高温的扰动。的粘附力和密封性，且能经受高温的扰动。二、压力的测量与控制 真空系统中的连接真空系统中的连接 原则上，在实验前后不需要经常拆卸部位的接合常用原则上，在实验前后不需要经常拆卸部位的接合常用熔接或焊接的方法。玻璃适用于熔接，金属适用于焊接。熔接或焊接的方法。玻璃适用于熔接，金属适用于焊接。对于需要经常拆卸部位则采用磨口或法兰盘连接，在低真对于需要经常拆卸部位则采用磨口或法兰盘连接，在低真空度部位也可采用真空橡皮管连接。空度部位也可采用真空橡皮管连接。 为保证接口的强度和气密性，熔接或焊接的材料

23、的性为保证接口的强度和气密性，熔接或焊接的材料的性质应该相同或相近，特别是它们的膨胀系数应该相当。不质应该相同或相近，特别是它们的膨胀系数应该相当。不同性质的材料也可熔接，但技术要求极高，同时要采用过同性质的材料也可熔接，但技术要求极高，同时要采用过渡接头。渡接头。二、压力的测量与控制 真空系统的清洁真空系统的清洁 包括仪器和部件的内外清洁。首次使用前一定要清洁，包括仪器和部件的内外清洁。首次使用前一定要清洁，多次使用后，真空系统内部会因密封油脂顺壁面铺展，或粉多次使用后，真空系统内部会因密封油脂顺壁面铺展，或粉状试验料尘扩散而产生油垢，进而吸收或放出气体，都会影状试验料尘扩散而产生油垢，进而

24、吸收或放出气体，都会影响真空度。清除污染物的方法很多。如：响真空度。清除污染物的方法很多。如： 真空橡胶管之类的橡胶制品可水洗后浸泡于真空橡胶管之类的橡胶制品可水洗后浸泡于520%的的NaOH溶液中煮沸数小时，再用清水洗净干燥即可；溶液中煮沸数小时，再用清水洗净干燥即可； 玻璃制品则可用新配制的洗液浸洗，并适当加热至足够玻璃制品则可用新配制的洗液浸洗，并适当加热至足够的时间，再用清水洗净或酒精清洗，在真空干燥箱中低温的时间，再用清水洗净或酒精清洗，在真空干燥箱中低温(5060)干燥；干燥； 金属制品则主要用丙酮等有机溶剂清洗之。金属制品则主要用丙酮等有机溶剂清洗之。二、压力的测量与控制6. 真

25、空系统检漏真空系统检漏 新安装的真空装置在使用前应检查系统是否漏气。如新安装的真空装置在使用前应检查系统是否漏气。如果真空泵的性能良好，较严重的漏气问题就可以在抽气过果真空泵的性能良好，较严重的漏气问题就可以在抽气过程中被发现程中被发现( (此时的真空度上不去此时的真空度上不去) )；微弱的漏气问题需要；微弱的漏气问题需要在停止抽气之后进行静态观察才能发现。判断系统是否漏在停止抽气之后进行静态观察才能发现。判断系统是否漏气还是比较容易，但要查处漏气的部位则较困难。气还是比较容易，但要查处漏气的部位则较困难。 检漏的方法很多，如火花法、热偶规法、电离规法、检漏的方法很多，如火花法、热偶规法、电离规法、萤光法、质谱仪法、磁谱仪法等等。物理化学实验室中常萤光法、质谱仪法、磁谱仪法等等。物理化学实验室中常采用火花检漏法、热偶规法和电离规法。采用火花检漏法、热偶规法和电离规法。二、压力的测量与控制 火花检漏法是检查低真空系统漏气的一种方法。使用火花检漏法是检查低真空系统漏气的一种方法。使用真空枪真空枪( (也称高频火花真空测量仪也称高频火花真空测量仪) )，它是一种高频电发生，它是一种高频电发生器，枪口生产高频电压，导致枪口附近的气体放电而产生器，枪口生产高频电压，导致枪口附近的气体放电而产生火花。通电后放电簧产生火