Диффузия в газах.
Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его температуры, давления и типа кристаллической решетки. В металлах, для которых характерна гомополярная металлическая связь между электроположительными атомами, зависимость растворимости от давления и температуры имеет следующий вид:
,
(2.20)
где п – число атомов в молекуле газа; Qs – энергия активации при растворении; S0 – постоянный коэффициент.
Знак «+» в формуле (2.20) характерен для газов, образующих с металлом химическое соединение, а знак «—» – для газов, образующих истинные растворы. Растворимость газов, образующих истинные растворы, с повышением температуры возрастает (Н2 в Сu, Fe и Ni), а образующих химические соединения уменьшается (Н2 в Ti).
Зависимость растворимости газов в металлах от давления представляет собой степенную функцию с показателем степени 1/п. Это связано с тем, что газы растворяются в металлах в атомарном состоянии и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Например, для кислорода n = 2, реакция диссоциации имеет вид Q2↔0+0.
По
закону действующих масс, константа
равновесия такой реакции
;
и
– давления
атомарного и молекулярного кислорода.
Очевидно,
что 
,
т. е. растворимость
газов в металлах пропорциональна
давлению диссоциированного газа.
В неметаллах, атомы кристаллической решетки которых связаны между собой ионной или ковалентной связью, растворение газов происходит в молекулярном состоянии. Образуются истинные растворы, и зависимость растворимости газов от температуры и давления имеет вид
.
(2.21)
Постоянных S0 и QS, характеризуют растворимость основных газов в металлах. Абсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку или по границам зерен. Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Так как для стационарного газового потока через стенку толщиной 2h градиент концентрации равен
,
(2.22)
то
,
(2.23)
где q — число молекул, проходящих в единицу времени через единицу площади поперечного сечения в направлении оси х; D — коэффициент диффузии; S1 и S2 — концентрации газа на границах стенки.
При повышении температуры коэффициент D сильно возрастает:
,
(2.24)
где QD — энергия активации при диффузии; n – число атомов в молекуле газа для металлов, для неметаллов n =1; DО — коэффициент пропорциональности, не зависящий от температуры.
Подставляя в (2.23) выражение для D и S из (2.20), получим выражение для газопроницаемости металлов
,
(2.25)
где K0=D0S0 — константа проницаемости.
Вязкость газов в вакууме.
При перемещении твердого тела со скоростью vn за счет передачи количества движения молекулам газа возникает сила внутреннего трения.
Сила трения по всей поверхности переноса, согласно второму закону Ньютона, определяется общим изменением количества движения в единицу времени:
,
(3.1)
где А – площадь поверхности переноса; η – коэффициент динамической вязкости.
.
(3.2)
С учетом законов распределения молекул по скоростям и длине свободного пути
(3.3)
Подставляя коэффициенты η и L, зависящие от давления, получаем
, (3.4)
т. е. динамическая вязкость не зависит от давления при низком вакууме.
Температурную зависимость коэффициента вязкости можно определить по формуле
(3.5)
Т. е. η зависит от ТХ, где х=1/2 – при высоких температурах (T>>C) и х=3/2 – при низких температурах (T<<C).
В области высокого вакуума силу трения можно рассчитать по уравнению
(3.6)
Т. е. сила трения в области высокого вакуума пропорциональна молекулярной концентрации или давлению. Данное уравнение можно преобразовать к виду
(3.7)
В области среднего вакуума можно записать аппроксимирующее выражение
. (3.8)
Здесь d – расстояние между поверхностями переноса.
Вязкость газов используются для измерения давления в области среднего и высокого вакуума. Однако вязкостные вакуумметры не получили широкого распространения из-за длительности регистрации давления. Гораздо шире вязкость газов используется в технике получения вакуума. На этом принципе работают струйные, эжекторные насосы для получения низкого вакуума.