93

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Основи вакуумної та кріогенної техніки

Навчальний посібник

Чернівці

“Рута”

2003

ББК 31.77я73;35.112.333я73

О-751

УДК 533.5(075.8);621.59(075.8)

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного унівеситету імені Юрія Федьковича

ISBN 966-568-651-8

О-751 Основи вакуумної та кріогенної техніки. Навчальний посібник. Укл. П.Д. Мар’янчук. — Чернівці: Рута, 2003. – 90 с.

У посібнику викладено будову, принцип дії приладів і пристроїв вакуумної та кріогенної техніки, а також методику одержання високого вакууму та проведення низько­температурного експерименту.

Для студентів фізичних факультетів вищих навчальних закладів.

ББК 31.77я73;35.112.333я73

УДК 533.5(075.8);621.59(075.8)

ISBN 966-568-651-8 ã Видавництво “Рута”, 2003

Частина 1. Вакуумна техніка Розділ 1. Фізика вакууму

1.1.1. Поняття про вакуум і тиск

У фізиці і техніці поняття “вакуум” визначається як стан газу, при якому його тиск нижчий за атмосферний. Вакуум кількісно вимірюється абсолютним тиском газу. В найкращому вакуумі, одержаному в земних умовах, в 1 м³ містяться десятки і сотні молекул. Властивості газів при низьких тисках вивчаються фізикою вакууму, яка є розділом молекулярно-кінетичної теорії газів.

Основні постулати, які використовуються у фізиці вакууму:

• газ складається з окремих молекул;

• існує постійний розподіл молекул газу за швидкостями, тобто, однією і тією ж швидкістю володіє завжди однакова кількість молекул;

• при русі молекул газу немає ніяких переважаючих напрямків, тобто простір газових молекул ізотропний;

• температура газу є мірою середньої кінетичної енергії його молекул;

• при взаємодії з поверхнею твердого тіла молекула газу адсорбується.

В областях техніки, де використовуються абсолютні тиски, які мало відрізняються від атмосферного, користуються кількісним визначенням вакууму як різниці атмосферного і абсолютного тисків у відкачуваному об’єкті.

Рівняння для розрахунку тиску газу має вигляд:

,

де n – концентрація молекул; m – маса молекул; V²_КВ= - середньоквадратична швидкість молекул.

Оскільки густина газу , то

.

Якщо в об’ємі знаходиться суміш із k хімічно не взаємодіючих газів, то для визначення тиску суміші

Р_сум=, або

Р_сум=-закон Дальтона:

загальний тиск суміші хімічно не взаємодіючих газів дорівнює сумі парціальних тисків компонентів суміші.

1.1.2. Газові закони і одиниці вимірювання тиску

При нормальних умовах в атмосфері концентрація газу n = 2,7·10²⁵ м^-3 , при середньоарифметичній швидкості v_ар ≈ 400 м/с, частота зіткнень молекул з поверхнею твердого тіла N_q= 2,7  10²⁷м^-2с^-1, а об’єм газу, який вдаряється у поверхню твердого тіла V_q= v_ар/4 = 100 м³ / (с·м²).

У зв’язку з малою густиною всі гази і пари у вакуумній техніці можна розглядати як ідеальні.

P = nk_БT – рівняння газового стану, яке зв’язує тиск, молекулярну концентрацію і температуру;

k_Б = 1,38·10^-23 Дж/К – постійна Больцмана;

,

де М – молекулярна маса газу; V – об’єм газу; R = k_Б·N_А= = 8,31 кДж/(К·кмоль) = 1,99 ккал/(К·кмоль) – універсальна газова постійна;

N_А = M/m = 6,022·10²⁶ кмоль^-1 - число Авогадро.

Закон Авогадро: при постійних тиску і температури молекулярна концентрація не залежить від роду газу (кіломоль будь-якого газу, який містить однакову кількість молекул, займе постійний об’єм – 22,4 м³ при Р₀= 10⁵ Па і Т₀= 273 К).

Закон Гей-Люссака: при постійних масі (N·m = const) і тиску газу його об’єм прямо пропорційний абсолютній температурі:

V =V₀ · α · T = V₀(1+ α · t),

де V₀ – об’єм газу при t = 0⁰C; α =1/273 .

Закон Шарля: тиск газу при постійній масі й об’ємі прямо пропорційний абсолютній температурі

Р =Р₀ · α · T = Р₀(1+ α · t),

де Р₀ – тиск газу при t = 0⁰C.

Закон Бойля-Маріотта: добуток тиску і об’єму певної маси газу при постійній температурі є величина постійна.