Vacuum-Basics 真空基础知识

真空基础1真空基础什么是理想气体？

什么是真空?

流量/气载

真空泵的抽速

流导

粗/中真空的抽空时间

高真空抽空时间

2什么是

“气体”?气体是物质的一种状态。在气体状态下分子的之间的距离远大于分子的直径。气体粒子在容器里面的分布随时改变。气体没有一定的形状或者体积，气体可以无限的膨胀并充满任何形状和体积的容器。

气体是可以被压缩的而且可以表现出粘度（粘滞系数，气体摩擦）。3等离子体（整体呈中性）

SolidliquidgasplasmaLowenergyhighenergye+eee----+++++++e+-e原子正离子负离子电子45温度（能量）FreezeBoilSolidLiquidGas什么是

“理想气体”

?理想气体是一个理论模型。

“理想气体”

是符合下述假说的理论模型:1.气体粒子之间没有作用力，除碰撞外气体粒子的运动完全独立，不受其他气体粒子的影响。2. 气体粒子的体积远小于容器的体积，考虑分子运动的时候可以把它看做几何点。气体粒子之间和气体粒子与器壁的碰撞是完全弹性碰撞。3. 气体分子对器壁的碰撞形成压强。PTPTPTPT压强由如下因素决定1，粒子数密度2，温度（能量）6压强单位面积器壁上所受到的压力称为压强。

(DIN28400):压强(p)=压力(FN)/单位面积(A)p=FN/A压强的标准单位是帕斯卡(英文符号:Pa)

和巴(英文符号:bar).

工程上常用的单位是毫巴(英文符号:mbar).

1Pa=1N/m²

1bar=1000mbar=105Pa=105N/m²

1mbar=100Pa=1hPa

压力的单位: 1N(牛顿)=1kg·m/s2

面积单位: 1m2,1cm2(1m2=10,000cm2=104cm2)

7

气体量定义(1)

低压条件下所有气体都可以被看做

“理想气体”。理想气体状态方程(1) p·V=N·kB

·T p= 气体压强[mbar]

V= 气体体积

[l]

N= 气体分子数V

T= 绝对温度

[K]

T[K]=273.15+[°C]

kB=玻尔兹曼常数

=13.807·10-23mbar·l·K-1符合理想气体状态方程的气体，可以看做是理想气体，8

气体量的定义(2)

在给定温度下，

p·V的乘积和气体分子数N成正比。

在真空工程中一般假设气体的温度定值所以气体量可以简单的由“压强(p)”

和

“体积

(v)”表示。注意:

在真空工程中

气体量

不是由气体分子总量N表示,而是由

pV值表示。气体量的标准单位是

毫巴升(英文符号:mbar·l).9

举例(1)1. 标准大气压条件下(pn=1013.25mbar)

1cm³

容积的气体量是多少？

pV值

=p·V=1013.25mbar·1cm³

=1013.25·10-3mbar·l1mbar·l2，气体的分子数总量N又是多少呢（20°C条件下）？

3，

N =(p·V)/(kB

·T)

=(1013.25·10-3mbar·l)/(13.807·10-23mbar·l·K-1·[273.15+20.00]K)

=(1013.25/293.15)·(100/13.807)·1018

25·1018

从如上计算可以看出在标准大气压的十亿分之一的条件下

p=(1013.25/109)mbar1

·10-6mbar1立方厘米的体积内还有250亿个气体分子

10

气体量(3)理想气体状体方程

[1.2(1)]也可以写为:

(2) p·V=n

·R·T p =气体压强[mbar]

V=气体体积[l]

n

=克分子数[mol]

T=气体的绝对温度[K]

T[K]=273.15+[°C]

R =气体常数=83.145mbar·l·mol-1

·K-1

n =N/NA=m/M

N =气体分子总数（体积V中）

NA

=阿伏加德罗常数=6.022·1023mol-1

1摩尔气体所含的气体分子总数

m =气体总质量

（体积V中）[g]

M =气体的摩尔质量[g·mol-1]11

举例(2)1. 标准条件下1摩尔理想气体的体积是多少？

Standardpressure:pn=1013.25mbar,

standardtemperature:Tn=273,15K

V =VM,n=1mol·R·(Tn/pn)

=(1mol·

83.145mbar·l·mol-1·K-1)·(273.15K/1013.25mbar)

=83.145·(273.15/1013.25)l=22.414l

1摩尔理想气体在标准条件下的体积是VM,n=22.414l.这个体积VM,n

又被称为“理想气体的摩尔体积”。2，标准条件下1cm³

气体的重量是多少？

空气的摩尔质量M=29g·mol-1. m =[(pn

·V)/(R·Tn)]·M=(V/VM,n)·1mol·M

=(1·10-3/22.414)·29g1.29·10-3g12

分压强–

全压强对于混合气体,全压强

(混合气表现出了的压强)可以由混合气体中每种气体的

分压强(混合气体中单一气体表现出的压强)和表示。

ptotal=p=Sipi=(Sini)·(R·T)/V=n

·R·T/V(道尔顿定律)

p=Sipi

混合气体全压强[mbar]

pi

气体i的分压强[mbar]

V

混合气体体积[l]

n =Si

ni =Si(mi /Mi)=m/M

混合气体的总摩尔数[mol]

m=Simi 混合气体的质量[g]

M=m/n

混合气体的摩尔质量[g·mol-1]

T 绝对温度[K]

R 气体常数=83.145mbar·l·mol-1

·K-1

13分压强

–全压强1415蒸汽LIQUIDEvaporationVAPORCondensationSOLIDSublimationVAPORDeposition16T(OC)100250-40-78.5-196P(torr)760244.80.15x10-410-24(boiling)(freezing)(dryice)(liquidnitrogen)水的饱和蒸汽压17气体的饱和蒸汽压HeH2NeN2O2NONO2H2O-270-260-250-200-100100(BOILINGPOINT)TEMPERATURE(OC)VAPORPRESSURE(TORR)TEMPERATURE(K)12345102030405010020040010-11-27210-910-710-510-310-11010318固体的饱和蒸汽压ABSOLUTETEMPERATURE(K)VAPORPRESSURE(TORR)20040060080015002000300040001000600010-110-310-510-710-91010+310-11

符号定义 p= 压强

[mbar]

V= 体积

[l]

N= 总分子数（体积V内）

n= N/V=气体的分子数密度[1/l]

T= 绝对温度

[K]

T[K]=273.15+[°C]

NA= 阿伏加德罗常数=6.022·1023mol-1

m

=

气体的分子质量

[g]

m= m·N=气体总质量

（体积V内）[g]

M= m·NA=气体的摩尔质量[g·mol-1]

kB=分子气体常数

=13.807·10-23mbar·l·K-1

R= kB·NA= 气体常数=83.145mbar·l·mol-1

·K-119分子热运动速度

分子热运动平均速度cav

:

8R·TT[K]

pM

M

[g·mol-1]

例如:cav(N2,20°C)=471

m/s (T=293.2K,M=28.0g·mol-1)分子热运动速度的平方

(c²)av

:

R·TT[K]

M

M

[g·mol-1]

(1) cav=(---------)1/2=145.5(-------------)1/2m/s(2) (c²)av=3--------=24944--------------------

(m/s)²20

压强–

分子热运动速度

理想气体的压强与分子热运动平均速度的平方(c²)av成正比:

r

=m·n=气体的分子数密度(1) p=(1/3)·

r

·

(c²)av=(1/3)·

m

·n·(c²)av21

平均自由程

气体分子的平均自由程

l

是一个气体分子与其他其他分子每连续两次碰撞所走过的路程的平均值

1 kBT

21/2

·n·

p

·d²

21/2

·

p

·d²p

d=气体分子的直径

当T（温度）一定时，

任一气体的l

·p的乘积是常数!例如: l·p(N2,20°C)=6.5·10-5

m·mbar

在

p=1.0·10-2

时:

l(N2,1.0·10-2

mbar,20°C)=6.5mm(1) l=-----------------=----------------------------22

气体的粘滞系数

理想气体的粘滞系数

h

在高压强范围

l<0.01·a

(a=腔体的长度),与压强无关与(M·T)1/2成正比。

14l·p

2

p

cav

例如:

hv(N2,20°C)

17.5

·10-8

mbar·s

(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)(1) hv=---n·m·l·cav=---------(M·T)1/223

气体分子的碰撞频率气体分子的碰撞频率

是指一个气体分子每秒钟与气体分子碰撞的次数。

例如: Z(N2,1.0·10-3mbar,20°C)=(471m/s)/(65mm)7246s-1

(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)

(1) Z=cav/l=(4/p)·(p/hv)24

气体分子与器壁的碰撞

气体分子与器壁的碰撞频率指每秒钟内1平方厘米的器壁受到气体分子碰撞的次数:

1p[mbar]

4

(M

[g·mol-1]·T[K])1/2

例如: Z*(N2,1.0·10-3

mbar,20°C)=2.9·1017

(s·cm²)-1

(T=293.2K,M=28.0g·mol-1)

(1)Z*=--n·cav=2.635·1022---------------------------(s·cm²)-125什么是

“真空”?真空是气体的一种状态，指容器内的气体压强低于

300mbar的状态,300mbar是地球表面可以观测到的最低的大气压

(DIN28400).真空的区域化分:

压强粗真空: 300到1mbar中真空: 1到1·10-3mbar高真空: 1·10-3到1·10-7mbar超高真空: 小于1·10-7mbar26

粗真空中真空高真空超高真空10-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101001000mbarorhPa海平面大气压电视显像管宇航员，宇宙飞船Incandescentlamps真空包装高山顶大气压科研领域星际空间宇宙模拟真空的区域和真空的应用2728真空系统的关键参数：抽速（有效抽速）流量极限真空真空泵抽速的定义在给定压力p下真空泵抽速的定义:

真空学通常使用升每秒或者立方米每小时来定义抽速：

(l/s或m³/h).通常真空泵的抽速是指在泵口的抽速，在粗/中真空区域用立方米每小时表示，而高真空区域用升每秒表示:其他表示方式：

抽速(S)=体积流率(qV)

流量QQ

S(p)=———————————————=—

压强p p29流量（气载）流量由Q表示指单位时间t内通过某一截面的气体量

:流量=单位时间内通过某一截面的气体量

Q=(p·V)/t真空工程中通常使用毫巴升每秒做流量的单位

(mbar·l/s).其他常用表示单位:1Slpm =1标准升每分钟=(1013mbar·1l)/60s=16.9mbar·l/s

1sccm =1标准立方厘米每分钟=(1013mbar·1cm³)/60s

=0.0169mbar·l/s30真空泵的极限真空度真空泵的极限真空度

是指

一台真空泵可以获得的最低真空度当我们讲到

“一台真空泵工作在极限的时候”,是指实际的流量等于零的状态[Q=0]也就是说真空泵在它的极限真真空的有效抽速为零[S(ultimatepressure)=0]!

对于粗/中真空泵在给定压力下的抽速可以表示为：

S(p)=Smax

·(1–pult,P/p) pult,P =真空泵的极限真空度

p =真空泵的进气压力

Smax

=真空泵的最大抽速

31气体的流态粘滞流

在粗真空条件下当气体的平均自由程远小于管路直径的时候气体分子之间的碰撞占主导地位，气体的流量与压力梯度成正比（或者说气体从高压端流向低压端流动）。风就是典型的粘滞流。分子流在高中真空条件下当气体的平均自由程大于管路直径的时候气体分子之间的碰撞几率很小而其他分子与管壁的碰撞占主导地位，单一的气体分子的流向与压强无关。32不同流态下的气体摘自：

MarsbedH.Hablanian

High-VacuumTechnology

APracticalGuide

MarcelDekker,Inc.,199733分子流和粘滞流

摘自：

MarsbedH.Hablanian

High-VacuumTechnology

APracticalGuide

MarcelDekker,Inc.,1997

气体分子运动方向向遵循压力梯度

气体分子运动方向与压力无关

真空泵H200torr真空泵L1x10-4torr34流量连续方程,流导公式

35流量连续方程在稳定的流动状态下，单位时间内流过真空系统任一截面的气体量相等:如上页图所示：

pA*SA=QA=QB=pB*SB

pA

=A点的压强[mbar]

SA

=A点的抽速[l/s]

QA

=A点的流量[mbar·l/s]

pB

=B点的压强[mbar]

SB

=B点的抽速[l/s]

QB

=B点的流量[mbar·l/s]

单位时间内由流过B点进入管路的气体也会在相同的时间内从A点流出!36流导：流导是指真空元件（管道，孔，挡板，阀门等…)下传输气体的能力。不考虑真空系统内部的温度差异的条件下（对某种气体的流导），

C =流导[l/s]

Q =流量[mbar·l/s]

p =压差[mbar]

流导通常不是常数，流导的大小与气流在该处的压强相关。

Q

C==———p37分子流

=低压流态圆管分子流的判别:

p·D <10-2

D =管径[cm]

p =管内压强[mbar]孔的流导简称ap:

Capmolecular =(cav/4)*(p*D2/4)

cav =分子热运动的平均速度

D =管径

20°C空气的

cav=[(8/p)*(R*T/M)]1/2=463m/s

(T=293K,M(air)=29g*mol-1,R是常数=83.1mbar*l*mol-1*K-1).

得出：

Capmolecular =11.6*(p*D2/4)l/s D =管径[cm]38分子流(2)

圆长管的流导:

Clongtubemolecular =Capmolecular*(4*D)/(3*L)=(p/12)*cav*(D3/L)

cav =分子热运动的平均速度

D =管径

L =管长

“长管是指L大于10*D”.20°C空气的:

Clongtubemolecular =12.1*(D3/L)l/s

D和L使用cm做单位!39分子流(3)

以克劳辛系数计算圆长管部件的流导:

1/Ctubemolecular =1/Capmolecular+1/Clongtubemolecular

=(1/Clongtubemolecular)*[1+(4*D)/(3*L)] Ctubemolecular =Clongtubemolecular*

=[1+(4*D)/(3*L)]-1

克劳辛系数.40粘滞流

=高压流态圆管粘滞流的判别:

p·D >1

D =管径[cm]

p =管内压强[mbar]

圆长管粘滞流的流导公式:

Ctubelaminar =(p/128)*(1/v)*(D4/L)*pav

hv =气体粘滞系数

D =管径

L =管长

pav =管内平均压强

=0.5*(pA+pB)

41粘滞流(2)

20°C空气的

v=(4/p)*(l*p)/cav=18.2*10-8mbar*s

(l*p=6.6*10-5m*mbar,）

cav=

分子热运动的平均速度=463m/s).

圆长管的流导:

Ctubelaminar =135*(D4/L)*pavl/s

D和L使用“cm”做单位,pav

使用“mbar”做单位!

42分子流与粘滞流的流导关系流导是和压强相关的，在分子流的时候流导最小，随着压强升高，流态变为粘滞流，管路流导会大幅增加。43高真空和粗真空的流导

圆长管的流导与压强关系曲线1101001.0E-031.0E-021.0E-011.0E+001.0E+01D*pav

[cm*mbar]C/CmolecularC/Cmolecular=1.0+11.2*D*pavExperiment分子流高真空粘滞流粗真空过渡流中真空、4445C1C2RT=R1+R2CT

=

C1xC2C1+C21=1+1C1C2CT1=C1+C2C1xC2CTSystemSPumpCT串联流导计算46Pipe(C1): 200liters/secBaffle(C2): 100liters/secCT=200x100(liters/sec)200+100CT=67(liters/sec)示例47并联的流导CT

=C1+C2

C1S1ORC1C2S2C248有效抽速C示例:C=67liters/secondS=300liters/second67+30067

x300SNet

=SNet

=

55liters/secondC

xSC+SSNet

=SystemPumpSSNet49更大的泵还是更好的流导？PumpSpeed:400liters/sec800liters/secOpening:

1in2

(75liters/sec)SNet=63l/sSNet=69l/s50如何增大流导ViscousFlowMolecularFlow流导与长度反比DoubleDiameter:ConductanceIncrease16timesDoubleDiameter:ConductanceIncreases8Times粗真空与中真空的抽空时间d(p·Vch)/