Лекция 2.1

2.1. Основные понятия теории вакуума

Давление газов. Под давлением газа понимают средний импульс, передаваемый единице площади стенки сосуда молекулами газа в единицу времени.

Единицей давления в системе СИ является 1 Па (Паскаль). Это давление, создаваемое при воздействии силы 1 Н на площадь 1 м². Наиболее распространённой внесистемной единицей давления в вакуумной технике является миллиметр ртутного столба (Тор). Под давлением газа 1 мм рт.ст. понимается давление, которое создаёт столбик ртути высотой 1 мм при условии, что плотность ртути равна 13595,1 кг/м³ (при T = 0 ºÑ), а земное ускорение соответствует нормальному (9,80665 м/с² на широте 45º): 1 мм рт. ст. = 133,3 Н/м². Соотношение между различными единицами давления даны в табл. 2.1.

Соотношения между единицами давления Таблица 2.1.

Единицы давления	1 Па (Н/м2)	1 мм рт. ст. = 1Тор	1 дин/см2	1 атм (физ.)	1 кгс/см2
1 Па (1 Н/м2)	1	7,5 10–3	10	9,87 10–6	1,02 10–5
1 мм рт.ст., (1 Тор)	1,33 102	1	1,33 103	1,32 10–3	1,36 10–3
1 дин/см2	0,1	7,5 10–4	1	9,87 10–7	1,02 10–6
1 атм.(физ.)	1,01 105	760	1,01 106	1	1,03
1 кгс/см2	9,8 104	735,56	9,8 105	0,968	1

Длина свободного пробега

,

где < l > — средняя длина свободного пробега между столкновениями,

То есть, при постоянной температуре средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению.

Среднее эффективное сечение для воздуха составляет   62,5 10^–16 см². Тогда < l > = 4,510^-3/p, где p (Тор), < l > (см). Длина свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении 760 Тор и температуре 273 К (нормальные условия) соответственно < l > = 6 10^-6 см = 60 нм.

Понятие о степенях вакуума. Теперь, когда мы ввели понятие давления и длины свободного пробега можно ввести количественные характеристики, описывающие вакуум. В физике обычно под вакуумом понимают состояние газа, когда длина свободного пробега молекул много больше характерного размера задачи.

В технике вакуумом называют состояние газа, когда его давление ниже атмосферного.

В технике различают четыре основных степени вакуума: низкий, средний, высокий и сверхвысокий. Для количественной оценки вводится число Кнудсена:

К_n = L / < l > ,

где L — характерный размер вакуумного объема, < l > — средняя длина свободного пробега.

Область давлений, когда средняя длина свободного пути молекул много меньше характеристических размеров вакуумного объема, например диаметра трубопровода, отвечает низкому вакууму. Низкий вакуум соответствует K_n >> 1. При этом обмен энергией происходит исключительно между ближайшими молекулами. Такие условия проявляются в виде вязкости газа, а соответствующие процессы называются вязкостными.

Область давлений, когда средняя длина свободного пути молекул примерно равна характеристическим размерам вакуумного объема, получила название среднего вакуума. В этом диапазоне давлений столкновения молекул со стенками и друг с другом равновероятны. Средний вакуум отвечает K_n  1.

В области высокого и сверхвысокого вакуума средняя длина свободного пути молекул много больше размеров вакуумного объема, и молекулы преимущественно сталкиваются со стенками сосуда. В этом случае каждая молекула выступает индивидуально, а процессы в газах называется молекулярными. В высоком вакууме K_n << 1.

Области сверхвысокого вакуума отличаются тем, что за характерное время рабочего процесса не происходит заметного изменения свойств поверхности, связанного с адсорбцией остаточных газов.

Области давлений, обычно соответствующие тому или иному вакууму, представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Условное деление областей вакуума