培训系列之2(张世伟)真空工程理论基础

真空工程实际根底东北大学第八期<真空技术>培训班讲义之二2021,5.13～2021.5.23主讲人：东北大学张世伟之一：真空技术的历史、如今与未来之二：真空工程实际根底之三：科技论文的检索、撰写与发表之四：清洁真空获得技术之五：真空系统设计之六：真空系统设计辅助软件的运用之七：真空丈量之八：真空安装与系统的检漏之九：大型真空安装的监测与缺点诊断之十：专家座谈之十一：真空获得技术之十二：现代外表与薄膜技术之十三：真空资料与真空卫生之十四：真空技术运用及计算实例真空工程实际根底讲授提纲真空的根本概念真空区域的划分真空的性质与运用真空中的气体流动蒸汽在真空中的性质真空中的电景象气体的宏观性质气体的微观性质终了真空的根本概念真空的定义自然真空与人为真空真空技术的历史回想真空技术的运用领域

真空区域的划分划分真空区域的必要性真空区域的划分原那么真空物理性质真空获得技术真空丈量技术真空运用技术真空区域划分规范真空区域的划分划分真空区域的必要性真空度的范围:105~10-14Pa(19个数量级)相当于:1光年~1mm划分:低真空中真空高真空超高真空,极高真空真空区域的划分真空区域的划分原那么-----真空的物理性质低真空:力学性质,中真空:液体沸点降低,气体放电高真空:绝热,绝缘,无氧化超高真空:获得清洁外表,极高真空:宇航,物理研讨真空区域的划分真空区域的划分原那么-----真空获得技术低真空:旋片泵,水环泵,滑阀泵中真空:罗茨泵,油增压泵高真空:分散泵,分子泵超高真空:离子泵,升华泵，低温泵真空区域的划分真空区域的划分原那么-----真空丈量技术低真空:液位式真空计,指针式真空表中真空:热偶计,电阻计,薄膜规高真空:热阴极电离计,冷阴极电离计超高真空:B-A规,极高真空:调制规,弯注规真空区域的划分真空区域的划分原那么-----真空运用技术真空运用设备中(用户本人定义,不规范)前级泵:低真空次级泵:高真空如:感应炉:油增压泵(高)+滑阀泵(低)真空区域的划分真空区域划分规范〔GB/T3163-2007〕低真空(LV):105~102Pa中真空(MV):102~10-1Pa高真空(HV):10-1~10-5Pa超高真空(UHV):10-5~10-9Pa极高真空(VHV):10-9~10-14Pa真空的性质与运用力学性质沸点降低与蒸发加强绝热、绝缘与隔音作用清洁环境与外表

真空的性质与运用真空的力学性质真空与大气之间存在压力差约为：1kgf/cm2真空力学性质特点：无处不在，而且均匀恒定，可以作为良好的动力来源。真空的性质与运用真空力学性质的运用〔1〕——真空的吸着、夹持、搬运、提升方式：运用吸头、吸盘。特点：构造简单、运用方便、夹持可靠。历史回想：1651年，马德堡半球实验运用实例：胶印机吸纸；平板玻璃浮法消费线及手工搬运；轧钢厂钢板的翻板机；电视机显象管消费线；电子元件、炮弹的搬运等等。真空的性质与运用真空力学性质的运用〔2〕——气流携带方式的动力保送原理：利用二相流。特点：被保送物不与动力机构接触，不受破坏；适宜于将各个分散物向集中地保送〔气压保送恰好相反〕。运用实例：吸尘器；伦敦的邮政信件传送；粮食、冶金配料等颗粒物料的输运；等等。真空的性质与运用真空力学性质的运用〔3〕——气压推进方式的动力保送用于液体传送。特点：被保送液体不污染动力机构，适用于腐蚀、粘稠液体的保送。运用实例：真空排污车；医疗中用的真空吸痰器、手术刀吸血；真空铸造、成型、吸塑；化工溶液保送；真空过滤等真空的性质与运用沸点降低与蒸发加强在真空中，物质的性质发生变化：液体沸点降低，蒸发升华加强。液面上方大气压等于饱和蒸汽压时液体沸腾，同时飞出液面的分子易于分散。如：青藏高原大气压力为380Toor，水的沸点为80℃。铝在一个规范大气压时要2400℃时才干蒸发，在10-3Pa只需847℃就大量蒸发。真空的性质与运用沸点降低与蒸发加强的运用〔1〕——脱水与枯燥在真空环境下，使枯燥过程加快。主要用途：枯燥粮食；纺织业的纤维枯燥；印染的真空去碱；造纸工业中的纸张脱水；水泥预制件的快速枯燥；化工行业的真空蒸馏、分馏、浓缩等。真空的性质与运用沸点降低与蒸发加强的运用〔2〕——真空冷冻枯燥原理：在低温低压环境下，将固体中含有的水分以固体的方式升华除去，从而可以坚持固体原有的许多特性。运用实例：医学上的血浆存储〔组织工程〕；食品、药品、保健品工业中的保鲜枯燥处置等。真空的性质与运用沸点降低与蒸发加强的运用〔3〕——真空浸渍电力行业中的真空浸渍：电动机、变压器、电容器，同等功率时电压越高，电流越小。为了节省资料，需求提高绝缘等级，即：脱水、脱气，充填满绝缘油等。工艺：先抽空，脱水、脱气，再高压充油、漆。浸渍技术的新运用：人造大理石的变色；木材改造；耐火砖浸沥青。真空的性质与运用绝热、绝缘与隔音作用热量的传送方式：辐射、对流和热传导；抽真空的作用：去掉对流和气体热传导；加辐射屏的作用：降低辐射；最终到达绝热的目的。绝热运用实例：暖水瓶；不锈钢保温壶；低温容器〔杜瓦瓶〕；液氧槽车；超导技术中需求低温环境，离不开真空；电绝缘：真空环境下无导电载体，因此起到绝缘的效果。运用实例：真空开关，无电弧。隔音：无气体传送声音。运用实例：真空玻璃。真空中气体的流动气体流动的缘由气体流动的形状、特征与判别粘滞流过渡流分子流气体流动的几个概念真空技术根本方程真空中气体的流动气体流动的缘由当真空管道两端存在着压力差时，气体就会自动的从高压处向低压处分散，便构成了气体流动。真空中的气体流动是气体自发分散的结果任何真空系统都是由气源、系统构件及抽气安装组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断的流动，是动态真空系统的普遍特点。真空中气体的流动气体流动的形状与缘由湍流——压力驱动粘滞流——压力驱动过渡流——混合缘由分子流——自在分散真空中气体的流动气体流动的形状与特征湍流—粘滞流—过渡流—分子流—真空中气体的流动气体流动形状的判别——判据雷诺数湍流粘滞流〔层流〕克努曾数真空中气体的流动气体流动形状的判别粘滞流过渡流分子流真空中气体的流动气体流动的几个概念体积流率qv：〔抽气速率、抽速〕单位时间内流过管道指定截面的气体体积(m3/s)。气体量G：气体压力与体积的乘积(Pam3)。流量qG：单位时间内经过管道某一截面的气体量(Pam3/s)。真空中气体的流动气体流动的几个概念流量延续方程：在稳定流动形状下，经过管道各截面上的气体流量相等。真空中气体的流动气体流动的几个概念—流导定义：在单位压差下，流经一段管道的气流量大小，称为该管道的流导，又叫通导才干。是一个反映管道允许流过气体才干大小的参数，具有体积流率的量纲〔m3/s〕。公式：一段管道的流导等于经过管道的气体流量与管道两端的压力差之比真空中气体的流动气体流动的几个概念—流导性质：元件的流导与所流过气体的流动形状有关：粘滞流态时，流导值与元件的几何构造尺寸及流过气体的平均压力有关；分子流态时，流导值仅与元件的几何构造尺寸有关。用途：流导是各种真空系统元件〔管道、阀门、冷阱等〕的主要技术目的之一，直接反映元件对气体流动的妨碍程度。是真空系统设计与计算中需求首先计算的重要参数。真空中气体的流动气体流动的几个概念—流导并联元件的总流导等于各分支流导的和串联元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和：真空中气体的流动气体流动的几个概念真空技术根本方程蒸汽在真空中的性质蒸汽的概念饱和蒸汽压蒸汽对真空的影响水蒸气蒸汽的汽化潜热蒸汽在真空中的性质蒸汽的概念又称可凝性气体，是相对永久性气体而言的。对于任何一种气体都有一个临界温度，处在临界温度以上的气体，不能经过等温紧缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯添加压力即能使其液化，便是蒸汽。蒸汽在真空中的性质饱和蒸汽压封锁空间中，蒸汽与液体〔固体〕到达动态平衡时所坚持的形状称为饱和形状，此时的蒸汽压力称为对该当时温度下的饱和蒸汽压，当时的温度那么称为饱和温度，即对该当时压力的沸点。饱和蒸汽压与饱和温度的一一对应关系，由物质性质所决议。蒸汽在真空中的性质蒸汽对真空的影响挥发性强的物质相当于放气源，经常会限制系统极限真空度的提高，极限压力不会低于最高的饱和蒸汽压。系统各部分温度不同时，系统中蒸汽的分压力与最低温度的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽物质将凝聚在最低温度外表上。〔低温泵、冷阱提高真空度的原理,冻干〕蒸汽在真空中的性质水蒸气抽除水蒸汽是真空技术中的一个难题饱和蒸汽压受紧缩时发生液化这一性质常给容积式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸气的抽除问题。〔气镇原理，热泵〕水蒸气的存在也会影响到紧缩式真空计〔麦氏计〕的准确运用。水蒸气在外表的吸附不易脱附，为尽快排出水蒸气，可以采用烘烤、枯燥气体清洗等措施。蒸汽在真空中的性质蒸汽的汽化潜热液体在真空中蒸发变成蒸汽时需求吸收的热量，称为汽化热。要使液体汽化〔固体升华〕，需求提供足够的热量。〔真空冷冻枯燥也要加热〕液体蒸发吸收热量，有降温作用。如蔬菜水果保鲜，脱水降温，蒸发制冷。积水蒸发结冰景象。真空中的电景象电子发射气体放电荷能粒子与外表间的作用真空中的电景象电子发射——真空中电子的两种来源从中学学习物理时开场，我们就曾经习惯于这样的描画：“一个带电粒子无碰撞地在空间运动……。〞他可曾想过？这个允许粒子自在运动的空间必需是高真空环境，而那个带电粒子那么是由金属电极向空间发射出的电子，或者是在气体放电过程中因碰撞产生的电子或离子。实践上，有许多电景象是与真空亲密相关的。真空中的电景象电子发射——定义与分类定义：固体内的自在电子，在某种外界要素的作用下逸出固体外表进入周围真空空间的过程，称为固体的电子发射。分类：热电子发射场致发射光电子发射二次电子发射真空中的电景象气体放电——定义与安装定义：所谓气体放电，就是空间气体中有宏观电流流过的气体导电景象。直流放电安装真空中的电景象气体放电——伏安特性曲线与分类分类：直流放电汤生放电辉光放电弧光放电

真空中的电景象气体放电——其它方式放电射频放电〔R.F.13.56MH〕绝缘资料电极的放电磁控放电以磁场约束电子，实现低电压、低气压、低温度下的气体放电潘宁放电，空心阴极放电真空中的电景象气体放电——粒子间的作用电离过程激发过程附着过程复合过程真空中的电景象气体放电——破裂电压与巴邢定律由黑暗放电转为光亮放电的突变过程称之为破裂〔或着火，点燃、击穿、起辉〕真空中的电景象荷能粒子与外表间的作用荷能粒子：诱导脱附：电子轰击去气加热：电子束熔炼溅射：镀膜气体的宏观性质表示气体宏观性质的物理量气体三定律理想气体形状方程道尔顿定律气体的宏观性质表示气体宏观性质的物理量压力p/Pa温度T/K〔关于真空中的温度〕体积V/m3质量m/kg密度ρ/kg·m-3〔分子数密度n〕气体的宏观性质气体宏观性质间的关系

——气体三定律波义耳—马略特定律盖·吕萨克定律查理定律气体的宏观性质气体三定律的运用用法：针对由一个恒值过程结合的两个气体形状，知3个参数，求第4个参数。例题：初始压力和体积分别为p1，V1的气体，经等温膨胀后体积变为V2，膨胀后的气体压力为〔有害空间计算〕例题：计算钢瓶中的气体可以运用多长时间气体的宏观性质气体三定律的扩展将三个定律结合起来，可得到：运用方法与前面一样，但不限于恒值过程气体的宏观性质理想气体形状方程反映p、V、T、m各参量简单关系：普适气体常数气体摩尔质量μ/kg·mol-1波尔兹曼常数气体的宏观性质理想气体形状方程的扩展质量：密度：分子数密度：气体的宏观性质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。分压力：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。气体的微观性质气体微观性质的定性与定量描画麦克斯韦速度分布与三种速度理想气体压力根本公式分子间碰撞次数粒子的平均自在程与自在程分布率分子与器壁的碰撞与反射气体平衡条件气体的微观性质东北大学<真空技术>培训班系列教程气体微观性质的定性描画气体是由无数个彼此独立、微小的气体分子共同组成的。分子在空间的密度很大；每个气体分子的直径或所占空间的体积很小；和分子直径相比，各个气体分子间相距较远，且彼此独立；每个分子都以不同的速度在空间飞行，且频繁地与其它分子或周围物质外表发生碰撞。气体的微观性质东北大学<真空技术>培训班系列教程气体微观性质的定量描画空气气体分子直径：3.7×10-10m一个分子的质量：4.8×10-26kg20℃，1个大气压时气体密度：ρ=1.18kg/m3∝p分子数密度n=2.5×1019/cm3∝p平均速度c=463m/s∝T平均自在程λ=6.5×10-8m∝1/p平均碰撞次数Z=3×10-23/s∝p单位时间碰壁数γ=3×1023/cm2s∝p□气体微观性质的定量描画

——麦克斯韦速度分布处于平衡形状的理想气体分子，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v～v+dv间的几率为东北大学<真空技术>培训班系列教程气体的微观性质速度分布函数，速度分布曲线□气体微观性质的定量描画

—三种速度最可几速率

算术平均速度均方根速度东北大学<真空技术>培训班系列教程气体的微观性质□气体微观性质的定量描画

—理想气体压力根本公式气体宏观性质与微观性质之间的联络东北大学<真空技术>培训班系列教程气体的微观性质□气体微观性质的定量描画

——分子间碰撞次数一个理想气体分子，单位时间内与其它气体分子间的平均碰撞次数东北大学<真空技术>培训班系列教程气体的微观性质分子间碰撞的结果：气体可以自在地向密度低的地方分散；使相连通的容器内，各处压力趋于一样，温度