Понятие о вакууме и важнейшие свойства разреженного газа

Понятие о вакууме и важнейшие свойства разреженного газа

Слово «вакуум» в переводе с латинского языка означает пустоту. В современной науке и технике вакуумом принято называть разреженное состояние газа при давлениях ниже атмосферного.

Если при атмосферном давлении газ представляет собой совокупность молекул, находящихся в хаотическом тепловом движении, в результате которого молекулы испытывают большое число столкно1вений между собой и со стенками сосуда, то в сильно разреженном газе хотя и сохраняется хаотический характер движения молекул, однако взаимодействие между ними практически исчезает и они прямолинейно двигаются в пределах предоставленного им объема, сталкиваясь в основном со стенками сосуда. Чем меньше число молекул в единице объема, тем реже происходят взаимные столкновения молекул и тем больше средний путь, проходимый молекулами между двумя соударе ниями.

Среднее расстояние, которое проходит молекула между двумя соударениями с другими молекулами, называется средней длиной свободного пробега и выражается обычно в сантиметрах. При неизменной температуре средняя длина свободного пробега молекул X обратно пропорциональна давлению газа р, которое в вакуумной технике чаще всего измеряют в мм (миллиметрах) и мк (микронах) ртутного столба (1 ат = 760 мм рт. ст , 1 мм рт ст = 1000 мк рт ст).

В табл. 1 приведены для воздуха число молекул в 1 см³ и средние длины их свободного пробега при различных давлениях и температуре 20°.

Табл 1 показывает относительность распространенного представления о вакууме, как о безвоздушном пространстве, поскольку даже при давлении 10^-7 мм рт. ст, которое может быть получено только при применении наиболее совершенных конструкций современных высоковакуумных насосов, в каждом кубическом сантиметре еще остается более трех миллиардов молекул газа

Важнейшие свойства газа (его теплопооводность, вязкость, характер движения по трубопроводу в процессе откачки и т. п 1

Давление, мм рт. ст	Число молекул в 1 смй	Средняя длина свободного пробега, см
760	2,5-101э	6,2-10-ь
1	3,3-101®	4,7-10-з
1 • ю-1	3,3-1015	4,7-10-2
1-10-2	3,3-1011	4,7-10-1
1-Ю-з	3,3-1013	4,7
1-Ю-*	3,3-1012	4,7-101
1-10—	3,3-1011	4,7-103
1-10-3	3,3-101°	4,7-Юз
1-10-’	3,3-10°	4,7-101
1-10-8	3,3-108	4,7-10°
1-10-9	3,3-10?	4,7-Юь

и явления, происходящие в среде разреженного газа (диффузия, испарение и т. и.), изменяются в зависимости от того, преобладают ли при тепловом движении молекул удары их о стенки или взаимные столкновения друг с другом. Показателем этого является соотношение между средней длиной свободного пробега } и характерным линейным размером d того сосуда, в котором находится газ.

Состояние газа, при котором /, > d, называют высоким вакуумом, при котором называют низким вакуумом. Промежуточное состояние газа, когда X S d, т. е. когда X не очень резко отличается от d в ту или иную сторону, иногда называют средним вакуумом.

Рассмотрим диффузию, испарение, теплопроводность, вязкость газа и характер его движения по трубопроводу в процессе откачки при различных соотношениях между /, и d.

Диффузия. Представим себе замкнутый объем, разделенный на две части непроницаемой перегородкой. Пусть в обеих частях этого объема при одном и том же давлении находятся два различных газа. Если перегородку убрать, то вследствие теплового движения молекул оба газа будут проникать (диффундировать) друг в друга, так что в конце концов образуется смесь газов с одинаковой концентрацией молекул обоих газов во всем объеме.

Так как путь, проходимый молекулой при тепловом движении, складывается из очень большого числа отрезков, пробегаемых ею между соударениями с другими молекулами, то скорость диффузии зависит от числа столкновений между молекулами. Поэтому в условиях низкого вакуума скорость диффузии зависит от давления газа и скорости молекул. Чем выше давление (или плотность газа) и чем ниже скорость молекул (или температура газа), тем меньше скорость диффузии.

При больших давлениях и низких температурах скорость диффузии газа мала. С уменьшением давления газа скорость диффузии непрерывно растет до тех пор, пока длина свободного пробега не станет сравнимой с размерами системы. При высоком вакууме, когда столкновения между молекулами практически исчезают ичжорость диффузии перестает зависеть от давления газа. В этом случае скорость диффузии определяется только тепловой скоростью молекул.

В вакуумной технике принцип диффузии использован в устройстве вакуумных пароструйных насосов, откачивающее действие которых основано на диффузии газа в струю пара рабочей жидкости, непрерывно истекающую из сопла.

Испарение. Если в сосуд поместить какой-либо металл и на гревать его до высокой температуры, то металл будет испаряться. Атомы металла, покидая его поверхность, вследствие теплового движения будут диффундировать к стенкам сосуда и конденсироваться на них.

При этом в случае низкого вакуума в сосуде атомы испаряющегося металла, испытывая столкновения с молекулами газа в сосуде и отражаясь от них, частично снова возвращаются на поверхность металла, вследствие чего скорость испарения металла оказывается небольшой. Кроме того, столкновения атомов металла с молекулами газа изменяют их начальную ориентировку, вследствие чего невозможно создать направленный поток испаряющихся частиц.

При наличии высокого вакуума возврат испаренных атомов из-за отсутствия столкновений с молекулами газа практически отсутствует и скорость испарения имеет максимальную для данной температуры величину. Испаряющиеся частицы, уходя с поверхности металла, сохраняют прямолинейное движение вплоть до удара о стенку сосуда. Если между источником пара и стенкой сосуда поместить экран, то на стенке образуется молекулярная тень (в виде резко очерченного участка, не покрытого частицами испаряющегося вещества), воспроизводящая изображение экрана, а на самом экране налет от сконденсировавшегося пара получается только на той стороне экрана, которая обращена к источнику пара.

Метод испарения в высоком вакууме широко используется для покрытия поверхностей металлическими и неметаллическими пленками (алюминирование, серебрение, нанесение зеркальных пленок на отражатели в осветительных приборах, получение пленки газопоглотителя в баллоне электровакуумного прибора).

Теплопроводность. В разреженном газе передача тепла от нагретого тела холодному происходит за счет того, что молекулы газа, находящиеся вблизи нагретого тела, приобретают при столкновении с ним более высокую кинетическую энергию и переносят ее холодному телу. При этом в зависимости от соотношения между К и d передача тепла осуществляется либо путем ряда последовательных столкновений молекул между собой, при каждом из которых избыток кинетической энергии передается

разности энергий молекулы в начальной и конечной точках длины свободного пробега. Если уменьшать давление газа, но так, чтобы сохранилось условие        то число пере

носчиков тепла будет соответственно уменьшаться, но одновременно будет возрастать разность энергий молекулы в начальной и конечной точках длины свободного пробега, так как длина свободного пробега молекул возрастает. При этом суммарное количество тепла, переносимое молекулами, будет оставаться неизменным. Следовательно, теплопроводность газа в условиях низкого вакуума не зависит от давления.

Если понизить давление газа так, что длина свободного пробега молекул станет равной и больше расстояния между горячим и холодным телами, то перенос энергии от нагретого тела холодному будет осущестпроводность газа прямопропорциональна давлению.

Малая теплопроводность газа в условиях высокого вакуума положена в основу устройства сосудов Дьюара (рис. 1). Эти сосуды имеют двойные стенки, в пространстве между которыми создан высокий вакуум. Вследствие очень малой теплопроводности высокоразреженного газа в этих сосудах длительное время могут храниться сжиженные газы.

На зависимости теплопроводности газа от давления основана работа теплоэлекгрических манометров, измеряющих давление разреженного газа в диапазоне от нескольких миллиметров до тысячных долей миллиметра ртутного столба.

Вязкость газа или внутреннее трение. Если в газе помещены две пластины, одна из которых неподвижна, а другая перемещается с некоторой скоростью, то молекулы газа, попадая и процессе теплового движения на подвижную пластину и получая от нее импульсы в направлении движения, будут передавать свои импульсы другим молекулам при взаимных столкновениях, и в конце концов в процессе такого обмена импульсами неподвижная пластина также начнет перемещаться в направлении движения подвижной пластины.

Если длина свободного пробега молекул газа очень мала по сравнению с расстоянием между пластинами, то движение газа можно рассматривать как перемещение отдельных слоев газа; при этом слои газа, примыкающие к подвижной пластине, имеют наибольшую скорость, а слои газа, примыкающие к неподвижной пластине, наименьшую скорость (скорость убывает от слоя к слою). Явление такого переноса импульсов молекулами газа называется вязкостью газа, или внутренним трением.

Явление вязкости по своему характеру сходно с явлением теплопроводности. Разница заключается лишь в том, что в случае теплопроводности переносимой молекулами величиной является энергия, а в случае вязкости — количество движения.

Подобно теплопроводности вязкость при низком вакууме не зависит от давления.

В условиях высокого вакуума, когда исчезают межмолекулярные столкновения, отсутствует увлечение одного слоя газа другим, и количество движения газа передается непосредственно стенкам сосуда, в котором он находится. Понятие внутреннего трения газа здесь уже теряет смысл, и потому в этой области давлений говорят о молекулярной вязкости газа. Молекулярная вязкость газа (которую можно отождествить с внешним трением газа о стенки трубопровода) в условиях высокого вакуума имеет свойства, полностью совпадающие со> свойствами теплопроводности, т. е. она пропорциональна давлению и зависит от состояния поверхности.

Величина молекулярной вязкости газа имеет большое значение для определения характера течения газа по трубопроводу в процессе его откачки и для расчета сопротивления трубопроводов откачке.

Течение газа по трубопроводу. В зависимости от степени разрежения течение газа по трубопроводу носит различный характер.

В том случае, когда давление и количество протекающего-через трубопровод газа относительно велики, имеет место турбулентный режим течения газа через трубопровод, характеризующийся неупорядоченным вихревым перемещением массы газа.

По мере уменьшения давления и количества протекающего через трубопровод газа режим течения газа изменяется, исчезают вихревые перемещения частичек газа, поток приобретает характер упорядоченного течения слоев газа. При этом скорость потока увеличивается от нуля вблизи стенок трубопровода, где прилегающие слои тормозятся вследствие трения о стенки, до максимальной в центре трубопровода. Такой режим течения газа называется вязкостным.

Перечисленные режимы относятся к условиям низкого вакуума. Движение газа приобретает совсем другой характер в условиях высокого вакуума Здесь имеет место молекулярный режим течения газа, при котором молекулы газа перемещаются по трубопроводу независимо друг от друга, практически не испытывая столкновений между собой, а соударяясь только со стенками трубопровода.

Режимы течения газа по трубопроводу играют важную роль в вакуумной технике, так как сопротивление, создаваемое трубопроводом, зависит от того, какой режим течения газа имеет место в процессе откачки.