1.2. Степени вакуума

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул со стенками сосуда и числом взаимных столкновений молекул, т.е. характеризуется числом Кнудсена (Кn), выражаемого отношением

,

где – средняя длина свободного пути молекул;– характерный линейный размер сосуда.

Средняя длина свободного пути молекул определяется отношением скорости молекулк числу столкновений в единицу времени:

где – диаметр молекулы, м;– молекулярная концентрация,.

Из этой формулы следует, обратно пропорционально молекулярной концентрации и эффективному сечению молекулы, характеризуемому величиной. Кроме того, физически ясно, чтообратно пропорционально давлению.

В зависимости от числа Кнудсена выполнено условное разделение областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.

Низкий вакуум соответствует области давлений от 10⁵ до 100 Па

(760 … 1мм. рт. ст.), характеризуется числами Кнудсена < 5·10^-3 и разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц во много раз меньше характерного линейного размера «. При этомнаходится в пределах 6,7·10^-5м, концентрация частиц в 1м³  2,47·10²², а плотность потока J  2,98·10²⁴ . В условиях низкого вакуума на стенках сосуда постоянно существует адсорбированный слой газа.

Средний вакуум соответствует области давлений от 100 до 0,1Па

(1… 10^-4мм.рт.ст.), характеризуется числами Кнудсена 5·10^-3 << 1,5 и разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц соизмерима с характерным линейным размером, (≈ 6,7·10^-5м), при концентрации частиц в 1м³ ≈2,47·10²² и плотности потока J ≈ 2,98·10²⁴ .

Высокий вакуум соответствует области давлений от 0,1 до 10^-5Па

( 10^-4… 10^-8мм.рт.ст.), характеризуется числами Кнудсена ≥ 1,5 и разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц во много раз больше характерного линейного размера», где> 6,7·10⁷м, концентрация частиц в 1м³ ≈2,47·10¹⁶, а плотность потока J ≈ 2,98·10¹⁸.

В случае высокого вакуума ввиду отсутствия взаимных столкновений, путь каждой молекулы представляет прямую линию между двумя точками. Ударившись о стенку и пробыв очень малое время в адсорбированном состоянии, молекула отрывается, т.е. часть стенки освобождается от адсорбированного газа.

Сверхвысокий вакуум соответствует области давлений меньших 10^-5Па (и меньших 10^-8мм.рт.ст.), характеризуется числами Кнудсена »1,5 и разрежением газа, где также»при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа. Сверхвысокий вакуум характеризуется очень низкими значениями концентраций молекул газа, когда средняя длина свободного пробега оценивается десятками тысяч метров т.е.» 6,7·10⁷м, концентрацией частиц в 1м³ ~2,47·10¹⁰ и плотностью потока J ~ 2,98·10¹² .

Нижний предел, достигаемых в настоящее время разрежений составляет ~ 10^-14мм.рт.ст.

Лекция №2

Основой физики вакуума являются следующие постулаты молекулярно-кинетической теории газа:

1) газ состоит из отдельных движущихся молекул;

2) существует постоянное распределение молекул газа по скоростям, т.е. одной и той же скоростью обладает всегда одинаковое количество молекул;

3) при движении молекул газа нет преимущественных направлений;

4) температура газа – величина пропорциональная средней кинетической энергии его молекул;

5) при взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа адсорбируется.

Состояние газа определяется следующими тремя параметрами: абсолютным давлением, абсолютной температурой и удельным объемом (плотностью). Для решения многих задач, возникающих при изучении процессов, используют понятие идеального газа.

Идеальными принято считать такие газы, у которых:

• молекулы можно представить как упругие материальные частицы;

• силы межмолекулярного взаимодействия отсутствуют(происходят лишь упругие столкновения между молекулами);

• объем, занимаемый собственно молекулами, мал по сравнению с объемом, свободным от молекул.

Разреженные газы, с которыми в основном имеет дело вакуумная техника, по своим свойствам очень мало отличаются от идеальных газов.