книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

Изотермический процесс в газах описывается законом Бойля — Мариотта: при постоянной массе и температуре газа произведение давления газа на его объем — есть величина постоянная.

РѴ — const-.

Это значит, что при постоянной температуре увеличение объема, занимаемого газом, сопровождается уменьшением его давления. Уменьшение давления при увеличении объема объясняется тем, что чем больший объем занимает данная масса газа, тем реже моле­ кулы газа ударяют о стенки сосуда. Процесс, описываемый зако­ ном Бойля— Мариотта, имеет место при откачке газов из электро­ вакуумных приборов. Откачка газа из какого-либо сосуда равно­ сильна увеличению объема, в котором распространяется масса газа и, следовательно, приводит к снижению давления газа в сосуде.

Изобарический процесс в газах описывается законом Гей-Люс­ сака: «Объем данной массы газа при неизменном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре газа». Это значит, что при нагревании любого газа на 1° С его объем увеличивается на 1/273 того объема, который данная масса газа имела при 0°С. Увеличе­ ние объема при нагреве газа (при постоянном давлении и массе газа) разнозначно снижению плотности газа, т. е. веса единицы объема газа. Поэтому нагретый и, следовательно, менее плотный (более легкий) газ всегда вытесняется кверху. Этим объясняется движение воздуха в атмосфере (восходящие токи), подтекание к пламени свежего воздуха (поддерживающего горение), ток воз­ духа в трубах и т. д.

Изохорический процесс в газах выражается законом Шарля: «Давление определенной массы газа в замкнутом сосуде прямо пропорционально абсолютной температуре газа». Из этого закона следует, что при нагревании любого газа на 1°С его давление уве­

но с увеличением скорости молекул газа. С возрастанием скорости молекул возрастает сила ударов молекул о стенку сосуда и коли­ чество ударов, приходящихся на 1 см2 поверхности стенки сосуда за 1 сек, — оба эти фактора вызывают повышение давления.

Любой процесс в газах, сопровождающийся изменением пара­ метров Р, V, Т, описывается объединенным газовым законом:

«Для данной массы газа произведение объема на давление, де­ ленное на термодинамическую температуру газа, есть величина по­ стоянная для всех состояний газа».

— = const.

Т

240

универсальная газовая постоянная.

§ 73. СВОЙСТВА ПАРОВ

Основные различия между газом и паром

Вгазообразном состоянии может находиться не только газ, но

ипар.

Пар представляет собой скопление отдельных подвижных ча­ стиц, каждая из которых состоит из большого числа молекул, в то время как каждая частица газа состоит из одной молекулы.

В паре расстояние между отдельными частицами гораздо мень­ ше, чем в газе. Это приводит к взаимодействию между частицами пара и обусловливает его поведение.

Пар в отличие от газа может быть переведен в жидкое или твер­ дое состояние путем его сжатия при неизменной температуре. Коли­ чество пара в отличие от газа изменяется в зависимости от темпе­ ратуры, объема или давления пара. Пар образуется при переходе вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное.

Парообразование, которое происходит со свободной поверхно­ сти жидкости, граничащей с газообразной средой, называется испа­ рением.

Парообразование, происходящее из всего объема жидкости, на­ зывается кипением.

Переход твердого вещества, минуя жидкую фазу, непосредствен­ но в пар называется сублимацией (возгонкой).

•Процесс, обратный испарению, сопровождающийся переходом пара в жидкое состояние, называется конденсацией.

Процессы испарения и конденсации происходят одновременно. Процессы, протекающие одновременно в прямом и обратном на­ правлении, называются динамическими.

Понятие о насыщенном и ненасыщенном паре

Количество жидкости, которое можно превратить в пар, увели­ чивается с повышением температуры, объема, занимаемого паром, а также с уменьшением внешнего атмосферного давления. Эти же факторы, но в обратной зависимости влияют и на количество пара,

.конденсирующегося в жидкость.

В зависимости от скорости процессов парообразования и конден­ сации образующийся пар'находится либо в ненасыщенном, либо в насыщенном состоянии.

Если скорость парообразования превышает скорость конденса­ ции, вся жидкость постепенно превращается в пар (количество жид­ кости постепенно убывает, а количество пара этой жидкости увели­ чивается). Образующийся при этом пар называется ненасыщен­ ным — по свойствам и поведению он напоминает газ и подчиняется газовым законам.

В частности, когда в каком-либо объеме вещество находится только в парообразном состоянии (жидкая фаза отсутствует), пар является ненасыщенным.

При определенном давлении паров скорость процесса конден­ сации становится равной скорости парообразования и испарение прекращается (т. е. количество жидкости и пара над пей остаются без изменения — в динамическом равновесии). Пар становится на­ сыщенным— это значит, что при данной температуре никакими способами нельзя увеличить его давление.

Пар находится в насыщенном состоянии, когда в одном объеме с ним сохраняется то же вещество в жидком или твердом состоя­ нии. Насыщенный пар не подчиняется газовым законам.

Максимальное давление, которое может иметь пар данного ве­ щества при данной температуре, называется давлением насыщен­ ных паров.

Давление насыщенных паров зависит только от температуры и разновидности пара. Для каждой данной температуры давление насыщенных паров является величиной постоянной.

Давление насыщенных паров не зависит ни от объема, в кото­ ром распределяется пар, ни от величины атмосферного давления, ни от поверхности или объема жидкой фазы.

При постоянной температуре при увеличении объема, занимае­ мого насыщенным паром (например, при откачке пара), давление насыщенных паров над жидкостью остается величиной постоянной и неизменной. Это связано с тем, что снижение давления пара вслед­ ствие увеличения его объема компенсируется повышением давления пара за счет постоянного перехода жидкой фазы в парообразную (таким образом, количество частиц пара в единице объема и соот­ ветственно давление пара не изменяется). Поэтому откачать из оболочки насыщенный пар (в отличие от газа или насыщенного па­ ра) практически невозможно (пока в этой оболочке наряду с паром вещества находится то же вещество в жидком или твердом -состоя­ нии). Для откачки из оболочки насыщенного пара необходима предварительно удалить твердую или жидкую фазу, образующую пар.

Если пространство насыщено парами одной жидкости (или твер­ дого тела), то это не мешает превращению в пар другой жидкости (или твердого тела), содержащихся в оболочке. При этом для каж­ дого вещества величина давления насыщенных паров не зависит от присутствия в объеме оболочки других паров или газов (если между ними нет химического взаимодействия). Это позволяет обезгаживать детали при их нагреве не только в вакууме, но и в среде водо­ рода (или любого другого газа, не содержащего газов и паров, ко­

242

торые необходимо удалить из деталей). Например, при отжиге в среде водорода все газы и пары, содержащиеся в обезгаживаемых деталях (кроме водорода), будут постепенно переходить в атмос­ феру печи.

При повышении температуры насыщенный пар может перейти в ненасыщенный. В свою очередь, ненасыщенный пар можно пре­ вратить в насыщенный и в жидкость путем:

1) охлаждения пара без изменения его объема (этим процессом объясняется, например, выпадение росы при охлаждении водяного пара. При снижении температуры действительное давление водя­ ного пара остается без изменения, а величина предельно допусти­ мого давления — давления насыщенных паров уменьшается. При некоторой температуре, называемой температурой точки росы, дей­ ствительное давление паров воды становится равным предельно до­ пустимому давлению водяных паров, и пар переходит в насыщен­ ное состояние— избыток пара конденсируется в виде капель влаги);

2) сжатия пара при постоянной температуре.

Однако переход газообразного вещества в жидкость возможен только при температурах, которые ниже температуры абсолютного кипения данной жидкости. Температура абсолютного кипения на­ зывается критической.

При температуре выше критической вещество при любом дав­ лении (сжатии) и колебании температуры может находиться толь­ ко в газообразном состоянии и поэтому называется газом.

При температуре ниже критической вещество в зависимости от давления и колебания температуры может находиться как в газо­ образном, так и в жидком или твердом состоянии. Поэтому газо­ образное состояние вещества при температуре ниже критической называется паром.

Следовательно, пар можно превратить в газ путем его нагрева до температуры выше критической (например, водяной пар стано­ вится газом при нагреве до температуры выше 373°С). В свою оче­ редь, газ можно превратить в пар путем его охлаждения до темпе­ ратуры ниже критической (например, кислород становится паром при охлаждении до температуры —118°С, азот — при —147°С). Поэтому для перевода в жидкость пара достаточно произвести его сжатие до определенного давления; для перевода в жидкость газа необходимо совмещение операций охлаждения газа до температу­ ры ниже критической (при этом газ превращается в пар) с после­ дующим сжатием образовавшегося пара.

Рабочие жидкости насосов, различные вакуумные смазки, жид­ кие и твердые загрязнения на деталях, некоторые конструктивные материалы и покрытия имеют высокое давление насыщенных паров даже при комнатной температуре. Это приводит к ухудшению пара­ метров и снижению долговечности электровакуумных приборов.

Устранение отрицательного влияния насыщенных паров на ра­ боту приборов достигается следующими способами:

1)нагревом деталей в процессе изготовления прибора до темпе­ ратуры, при которой жидкие или твердые загрязнения полностью переходят в газообразное состояние и образуется ненасыщенный пар загрязнения; ненасыщенный пар (в отличие от насыщенного) легко удаляется в процессе откачки с помощью насосов;

2)снижением температуры деталей при работе прибора; при

этом снижается давление насыщенных паров над деталями;

3)уменьшением давления насыщенных паров с помощью лову­ шек глубокого охлаждения, так как снизить давление насыщенных паров путем их откачки насосами практически невозможно;

4)путем химического связывания пара с помощью газопоглоти­ телей и перевода его в вещество другого состава — с меньшим дав­ лением насыщенных паров.

§74. ПОГЛОЩЕНИЕ ГАЗОВ

ИПАРОВ ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ

Воснове взаимодействия газа с твердыми телами лежат про­ цессы адсорбции, абсорбции, хемосорбции, образования внутри ма­ териалов газовых включений («пузырей»).

Адсорбцией называется физический процесс поглощения газов и паров поверхностью твердого тела. Масса адсорбированного газа пропорциональна поверхности, а не объему твердого тела. При ад­ сорбции газ не вступает в химическую реакцию с твердым телом и сохраняет свои физические и химические свойства, которые он имел до начала процесса. Адсорбция протекает практически мгно­ венно. Адсорбция увеличивается с повышением давления газов

ипаров и их сродства с поверхностью твердого тела и уменьшается при увеличении температуры.

Стекло связывает и удерживает газы обычно путем адсорбции (правда, в стекле имеются также газы, растворившиеся в массе стекла в процессе его варки). Адсорбированными на стекле газами

ипарами являются в основном водяной пар, углекислый газ и в не­ больших количествах кислород, азот, окись углерода.

Хемосорбцией (химической адсорбцией) называется процесс поглощения газов поверхностью твердого тела, сопровождающийся химической диссоциацией молекул поглощенного газа на отдельные атомы. Атомы обладают большой реакционной способностью, и по­ этому образуют более прочные связи с поверхностью твердого тела, чем молекулы при физической адсорбции. Однако в процессе хемо­ сорбции не образуются новые вещества.

Хемосорбция повышается с увеличением давления остаточных газов. Хемосорбция в отличие от адсорбции усиливается при повы­ шении температуры! Увеличение температуры может привести к пе­ реходу физически адсорбированных поверхностью газов в хемосор­

бированное состояние — это затруднит удаление газов из деталей при вакуумной обработке прибора.

С большинством металлов (за исключением благородных Pt, Os, Pd, 12 и др.) кислород связывается именно путем хемосорбции.

244

Водород хемосорбируется на щелочных, щелочноземельных ме­ таллах, а также на кремнии, германии, олове, свинце, висмуте.

Азот хемосорбируется железом, танталом, молибденом, вольфра­ мом, титаном.

Абсорбцией называется процесс поглощения газов всем объемом твердого тела (можно считать, что абсорбция — это растворение газа в твердом теле). Процесс абсорбции усиливается с повышением давления остаточных газов и понижением температуры.

Совокупность процессов адсорбции, абсорбции и хемосорбции (которые практически протекают одновременно) называется сор­ бцией. Число молекул, сорбированных деталями и оболочкой при­ бора-, значительно превышает число молекул, находящихся в объеме прибора. Металлы являются «губкой» для газов — они могут удер­ живать объемы газов, в сотни раз превышающие их собственный объем.

Сорбция газов может приводить к изменению работы выхода, уменьшению эмиссионных свойств катодов, изменению электропро­ водности тонких металлических пленок, повышению давления

воболочке при нагреве деталей в процессе работы прибора. Однако

внекоторых случаях процессы сорбции полезно используются. На­ пример, процессы сорбции лежат в основе работы сорбционных на­ сосов и газопоглотителей (см. гл. XV).

Наряду с процессом сорбции протекает и обратный процесс — десорбция.

Десорбцией называется процесс выделения в объем прибора га­

зов, ранее поглощенных деталями и оболочкой прибора. Поэтому десорбцию иногда называют газовыделением или газоотдачей.

При прочих равных условиях количество десорбируемого газа тем больше, чем больше газа ранее сорбировалось на деталях и оболочке приборов. Легче всего десорбируются адсорбированные га­ зы, труднее — хемосорбированные.

Процесс десорбции (в отличие от сорбции) усиливается по мере повышения температуры твердого тела и уменьшения давления дан­ ного газа в объеме прибора. Десорбция может происходить не только при нагреве, но и при бомбардировке деталей ионами, элек­ тронами или фотонами. Десорбция усиливается, если повышение температуры происходит одновременно с понижением давления ок­ ружающего газа.

Кислород является наиболее трудно удаляемым газом в особенности из легко окисляющихся металлов (например, же­ леза).

Водород удаляется чрезвычайно легко, даже если он находится в хемосорбированном состоянии. Это связано с малым молекуляр­ ным весом водорода и соответственно высокой скоростью диффу­ зии. Поэтому водород, попавший в металлы в процессе водородного отжига, легко удаляется при откачке.

Газы и пары, десорбирующиеся с нагреваемых деталей прибора, могут снова сорбироваться на холодных деталях. Это затрудняет процесс обезгаживания прибора. Поэтому перед монтажом прибора

2 4 5

необходима тщательная предварительная очистка деталей (напри­ мер, путем вакуумного или водородного отжига — см. гл. III).

§ 75. ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ

Все вещества (особенно газы и пары) в результате теплового хаотического движения молекул переходят из мест, где их концен­ трация более высокая, в места, где их концентрация более низкая. Этот процесс равномерного распределения вещества в какой-либо ■среде под действием разности концентраций называется диффузией.

Повышению скорости диффузии способствует:

уменьшение молекулярного веса и размеров частиц диффунди­ рующего вещества;

уменьшение вязкости (или давления) среды, в которой происхо­ дит диффузия;

увеличение температуры (коэффициент диффузии прямо про­ порционален квадрату температуры);

увеличение разности концентраций диффундирующего вещества на различных участках рассматриваемой системы. (При отсутствии разности концентрации вещества его диффузия практически пре­ кращается.)

Вышеуказанные факторы используются при обезгаживанип де­ талей. Процесс диффузии при обезгаживанип деталей сводится к тому, что при нагреве деталей в вакууме газы и пары интенсивно диффундируют из деталей в вакуум, где их концентрация очень низкая. При диффузии газа между кристаллами твердого тела ско­ рость диффузии прямо пропорциональна разности давлений газа в объеме оболочки и в порах твердого тела и обратно пропорцио­ нальна квадратному корню из молекулярного веса газа (водород ■обладает наименьшим молекулярным весом и имеет самую боль­ шую скорость диффузии, поэтому он легко удаляется из деталей в процессе откачки газов из прибора).

Принцип диффузии газа из откачиваемого прибора в струю па­ ра рабочей жидкости заложен в основу работы диффузионных па­ роструйных насосов.

Практическое значение имеет диффузия частиц, составляющих мономолекулярную (одномолекулярную) пленку какого-либо веще­ ства на поверхности твердого тела. Мономолекулярные пленки об­ ладают значительным сцеплением с поверхностью твердого тела и большой устойчивостью. Например, скорость испарения мономо­ лекулярной пленки тория с поверхности вольфрама гораздо ниже, чем скорость испарения тория с поверхности массивного куска тория. Наличие молекулярных пленок обусловливает образование двойного электрического слоя и высокие эмиссионные свойства пле­ ночных катодов (например, ториево-оксидного катода), фотокато­ дов (например, мультищелочного).

2 4 6

§ 76. Т Е П Л О О Б М Е Н В Г А З А Х

Внутренней энергией вещества называется сумма кинетических энергий всех молекул и потенциальных энергий взаимодействия между молекулами. Чем больше величина внутренней энергии, тем больше тепла содержится в теле и тем выше его температура.

Передача тепла (внутренней энергии) от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой называется теплообменом. Теплообмен между различными телами (или различ­

осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводностью называется передача тепла с помощью хао­ тического теплового движения частиц среды. Наибольшей теплопро­ водностью обладают твердые вещества (например, металлы), наименьшей — газы. Малой теплопроводностью характеризуется стекло (см.§ 49).

При высоких давлениях теплопроводность газа не зависит от его давления. Это объясняется тем, что, с одной стороны, с повышением давления увеличивается концентрация переносчиков тепла — моле­ кул газа, двигающихся от нагретого участка к холодному и тем самым увеличивается теплопроводность. С другой стороны, с по­ вышением давления увеличивается количество взаимных столкнове­ ний молекул газа при их движении от нагретого участка к холодному, что приводит к потерям тепла и вызывает снижение теплопровод­ ности. Оба выше перечисленных процесса компенсируют друг друга.

При низких давлениях газа его теплопроводность увеличивается при увеличении давления. Это связано с тем, что при низких дав­ лениях отсутствуют столкновения молекул газа и потери тепла. По­ этому увеличение давления сопровождается только увеличением переносчиков тепла и повышением теплопроводности.

На малой теплопроводности газов при низких давлениях осно­ вано применение вымораживающих ловушек и сосудов Дьюара для хранения охлажденных жидкостей, например сжиженных газов. Со­ суды Дьюара имеют двойные стенки (рис. 144 и 145), в пространст­ ве между которыми путем откачки воздуха создано низкое давле­ ние. Холодная жидкость (например, жидкий азот), залитая в сосуд, тем больше сохраняется при низкой температуре (не принимая ком­ натную температуру), чем меньше давление остаточного газа в про­ странстве между стенками сосуда и чем меньше расстояние сі ме­ жду двойными стенками.

На зависимости теплопроводности газов от давления при низких давлениях основано действие тепловых — термопарных манометров, служащих для измерения давлений.

Следует указать, что при прочих равных условиях теплопровод­ ность газов увеличивается с повышением скорости молекул, увели­ чением теплоемкости газа и с уменьшением его молекулярного веса. Трехатомные газы (например, С 02) обладают наибольшей тепло-

2 4 7

проводностью, одноатомные — наименьшей. Поэтому, например, для уменьшения тепловых потерь спиралей в газоразрядных лампах накаливания их наполняют одноатомными инертными газами по возможности с более высоким молекулярным весом (например, ■криптоном).

3)к тому, что нагретые тела охлаждаются, а

более холодные нагреваются.

Ряс. 144. Вымораживаю­ щие ловушки:

1.Какие факторы влияют на давление газов?

2.Что называется парциальным давлением газа?

248