Технический университет Ю. Д. Плотников Часть Физика вакуума

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) Ю.Д. Плотников Часть 1. Физика вакуума (Утверждено Редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия) Москва 2007 УДК 621.52. ББК 31.77 Р64 Рецензенты: докт. техн. наук В.Н. Кеменов (Российское вакуумное общество); докт. техн. наук Ю.В. Панфилов (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана) Плотников Ю.Д. Р64 Физика вакуума. Учебное пособие. – Московский государственный институт электроники и математики. 2007 – 70 с. Рассматриваются физические процессы в вакууме и на поверхности твердого тела, основные положения молекулярно-кинетической теории идеальных газов, процессы переноса (теплопроводность газов, вязкость, диффузия), течение газов по трубопроводу, взаимодействие газов с поверхностью твердого тела, адсорбция и растворение газов в объеме твердых тел. Для студентов, обучающихся по специальностям 210104 – «Микроэлектроника и твердотельная электроника», 210107 – «Электронное машиностроение». СОДЕРЖАНИЕ 1. Газ и некоторые свойства его молекул……………………………42. Свободные газы……………………………………………………..72.1. Скорость частиц газа……………………………………………..72.2. Средние скорости частиц газа…………………………………...92.3. Энергия газа и его температура………………………………….102.4. Давление газа…………………………………………………......102.5. Атмосферное давление…………………………………………..132.6. Распределение молекулярной концентрации в силовом поле Земли142.7. Основные законы свободных газов………………………….......172.8. Количество газа……………………………………………….......192.9. Соударение частиц газа…………………………………………..192.10. Рассеяние молекулярного пучка в газе………………………...242.11. Угловое распределение молекул газа, отраженных или вылетающих с поверхности…………………………………… 253. Свободные газы в динамическом состоянии……………………..283.1. Понятие о степенях вакуума……………………………………..283.2. Перенос теплоты в вакууме……………………………………...293.3. Вязкость газов…………………………………………………….323.4. Диффузия в газах…………………………………………………333.5. Нестационарная диффузия……………………………………….353.6. Течение газа……………………………………………………….374. Электрические явления в газах…………………………………….484.1. Ионизация газа……………………………………………………484.2. Электропроводность газов……………………………………….525. Сорбционные явления в вакууме………………………………….535.1. Энергия взаимодействия…………………………………………535.2. Физическая и химическая адсорбция на поверхностях………..555.3. Физическая адсорбция……………………………………………565.4. Время установления адсорбционного равновесия………….......596. Испарения и конденсация………………………………………….606.1. Теплота испарения и конденсации………………………………616.2. Скорость конденсации……………………………………………637. Газы в твердых телах……………………………………………….647.1. Растворимость газов в твердых телах………………..………….657.2. Диффузия газов в твердых телах…………………………….......667.3. Стационарная диффузия………………………………………….667.4. Газовыделение с поверхности толстой пластины……………...67 Вакуум Вакуумом называется состояние газа в ограниченном стенками объеме при давлении (концентрации) ниже атмосферного. Проблематика высокого вакуума распространяется на его научные основы, технику и технологию. Научные основы высокого вакуума базируются на соответствующих разделах физики и химии, описывающих газы и происходящие в них явления, а также взаимодействие между газами и другими фазами вещества. 1. Газ и некоторые свойства его молекул Будем рассматривать газ как совокупность частиц (молекул), имеющих форму твердых упругих шариков диаметром d0 и массой m0, движущихся в свободном пространстве по прямым траекториям, почти не взаимодействующих между собой и способных упруго соударяться между собой и со стенками. Способность газа распространяться по всему объему сосуда, в котором он заключен, показывает, что молекулы газа находятся в постоянном движении. Причем эти движения молекул отличаются полной беспорядочностью, хаотичностью. Это значит, что не существует какого-либо направления для движения частиц, которое было бы преимущественным сравнительно с другими. Это хаотическое движение молекул носит название теплового движения. Форма и размер газовых молекул Будем считать, что атомы и молекулы имеют форму шариков, хотя в зависимости от сложности молекулы ее форма отлична от шарообразной. Она может быть эллипсоидом, а молекулы углеводородов, например, могут иметь значительно большие размеры. В таблице 1.1 даны ориентировочные, наиболее часто приводимые характеристики молекул газа, представляющие интерес для вакуумной техники. Таблица 1.1 Массы, молекулярные массы и диаметры молекул (атомов) наиболее важных газов (паров) Газ (пар) Обозна-чениеМасса молекулы m0, 10-24 гМолекулярная масса, M0Диаметр d0, нмточное значениеокругленное значениеВодородH23,352,01620,275ГелийHe6,654,00340,218Водяной парH2O29,918,02180,468НеонNe33,520,18200,26Окись углеродаCO46,528,01280,38АзотN246,528,02280,38Воздух-48,128,98290,374КислородO253,132,00320,364АргонAr66,339,94400,367Двуокись углеродаCO273,144,01440,465КриптонKr13983,7840,415КсенонXe218131,31310,491РтутьHg333200,62010,626 Молекулярная масса За основу для определения молекулярной массы любого газа принимается в настоящее время масса атома углерода С. Молекулярная масса M0 есть безразмерная величина, представляющая собой отношение массы молекулы m0 данного вещества к 1/12 массы изотопа углерода 6С12, которая составляет m0(С)=19,63  10-24 г. Массовым молекулярным числом называют целое число, наиболее близкое к молекулярной (атомной) массе данного вещества. Моль, грамм – моль Количество граммов (килограммов) однородного вещества, численно равное молекулярной массе M0, называется молем (грамм-молем, грамм-молекулой). Величина M0 имеет размерность г  моль-1. Закон Авогадро Закон Авогадро (1811) гласит, что число молекул в грамм-молекуле постоянно, а один моль различных газов при одинаковых давлениях и температурах имеет один и тот же объем. При давлении 1 атм и при температуре 00С (273 К), т.е. в так называемых нормальных условиях, этот молекулярный объем составляет 22,414 л (дм3)моль-1. Число Авогадро Число Авогадро определяет количество молекул в грамм-молекуле; оно одинаково для всех веществ. Число Авогадро NA равно 6,021023 моль-1. Отсюда следует, что между массой молекулы m0 и молекулярной массой M0 существует зависимость M0 = NA  m0 = 6,02  1023  m0 г  моль-1. (1.1) Число Лошмидта Число Лошмидта получается делением числа Авогадро на молекулярный объем Vm; следовательно, это число молекул в единице объема (1 см3) при нормальных условиях равно . (1.2) Концентрация и плотность газа Количество молекул (атомов) в единице объема, например в 1 см3, называется концентрацией свободного газа и обозначается п. В случае N молекул в объеме V имеем п = N / V (1.3) (единицы измерения: см-3, м-3). Плотность свободного газа г определяется его массой в единице объема: г = m / V (1.4) (единицы: гсм-3, кгм-3). В объеме V= 1 м3 при концентрации п находится п молекул газа. Масса m1 этих частиц равна плотности газа г : m1 = п  m0 = г кг/м3. (1.5) 2. СВОБОДНЫЕ ГАЗЫ При изучении газов сначала рассмотрим свободные газы, так как в первую очередь к ним имеют отношение процессы, типичные для вакуумной техники: откачивание, течение в каналах, измерение давления. Свободные газы будем рассматривать при постоянных температуре и давлении (т.е. в статическом состоянии). Главной и по существу единственной характеристикой молекул газа, которая может подвергаться изменению, является их скорость; с ней и связаны происходящие в газах физические явления. 2.1. Скорость частиц газа Скорости отдельных частиц газа в закрытом сосуде зависят от условий, в которых происходит обмен энергией между газом и стенками сосуда или другими поверхностями, с которыми сталкиваются частицы газа. Если при этом частицы получают энергию, то их скорость возрастает, если отдают — уменьшается. Если стенки сосуда подвергаются тепловому воздействию, то структура материала стенок приходит в колебательное движение. В этом случае обмен энергией между стенками и частицами газа подчиняется законам статистики, в связи с чем скорости частиц становятся весьма различными как по величине, так и по направлению. Величины скоростей частиц при этом находятся в широких пределах: от очень малых до очень больших, теоретически от 0 до , а распределение направлений скоростей (в отсутствие каких-либо внешних причин) имеет случайный характер. Таким образом, в массе газа существуют частицы, движущиеся весьма медленно, среди которых чрезвычайно мало частиц со скоростями, близкими к нулю; есть частицы с большими скоростями, среди которых очень мало частиц, обладающих исключительно большими скоростями. Подавляющее большинство частиц имеет скорости, близкие к некоторой скорости, называемой наиболее вероятной (вер). Рис. 2.1. Плотность распределения вероятности скорости и нормированная функция распределения , характеризующая процентное распределение частиц со скоростями, не превышающими  Скорости отдельных групп частиц определяются законом распределения Максвелла — Больцмана. Этот закон выражается формулой , (2.1.1) в которой dN — количество частиц (из общего числа N), скорости которых находятся в диапазоне между  и  + d. Деля обе части уравнения (2.1.1) на , получим функцию . (2.1.2) График этой функции представляет собой кривую распределения скоростей (сплошная кривая на рис. 2.1). При  = вер зависимость (2.1.2) имеет максимум , (2.1.3) где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов. Количество частиц, скорости которых лежат между  1 и 2, можно найти из уравнения . (2.1.4) Для скоростей вер получаем Р(/вер) = 1. Таким образом, количество частиц со скоростями в диапазоне 1    2 (при 1  2  вер) определяется формулой . (2.1.5) Прерывистая кривая на рис. 2.1 представляет процентное содержание N / N частиц, скорости которых не превышают величину . Например, количество частиц, имеющих скорость   вер, составляет ~ 43 %. 2.2. Средние скорости частиц газа Различные скорости газовых частиц, описываемые распределением Максвелла, можно для целей теории и техники вакуума заменить средней скоростью, одинаковой для всех частиц. Имеются три различных определения средней скорости. Наиболее вероятная средняя скорость вер, при которой наблюдается максимум функции распределения, . (2.2.1) Средняя квадратическая скорость кв . (2.2.2) Средняя арифметическая скорость ар . (2.2.3) 2.3. Энергия газа и его температура Энергия газа, определяемая скоростью его частиц, описывается одним из основных законов кинетической теории газов. Этот закон выражает связь между кинетической энергией молекул в их хаотическом (тепловом) движении и средней температурой газа: . (2.3.1) Подставим вместо  значение средней квадратической скорости кв и получим . (2.3.2) Из уравнения (2.3.2) следует, что энергия молекулы не зависит от рода газа, а только от его температуры. 2.4. Давление газа В качестве меры вакуума используется величина давления газа на стенку сосуда. Давление газа на стенки сосуда есть следствие бесчисленных столкновений газовых молекул со стенками. Для того, чтобы связать давление с движением молекул, рассмотрим вначале одну молекулу газа, двигающуюся внутри сосуда со скоростью  и испытывающую упругое соударение со стенкой (рис. 2.2). Согласно закону сохранения количества движения (импульсов) импульс молекулы перед соударением m0 должен после соударения получить величину - m0 . Следовательно, стенке будет передан импульс от одной молекулы: . (2.4.1) Рис. 2.2 Движение частиц происходит хаотически; это значит, что нет преимущественных направлений движения. Поэтому все одинаковые по площади участки стенок сосуда, в котором находится газ, испытывают статистически одинаковое число ударов за определенный промежуток времени. Представим единичный объем с газом (рис. 2.3). При упрощенном рассмотрении движения молекул в единичном объеме можно принять, что в среднем одна шестая содержащихся в объеме частиц газа движется перпендикулярно рассматриваемой стенки. Рис. 2.3 Зная скорость частиц  и их концентрацию n, можно вычислить количество частиц, соударяющихся за единицу времени с единичной площадкой или так называемую частоту столкновений ; она тем больше, чем больше концентрация n и скорость , т.е. . (2.4.2) Тогда давление Р мы можем рассматривать как суммарный импульс силы, испытываемый единичной поверхностью стенки в единицу времени: . (2.4.3) Видоизменив это уравнение, представим его в следующем виде: . (2.4.4) Приведенные простые рассуждения справедливы для любой стенки сосуда и для любой площадки, которую мысленно можно поместить в газ. Во всех случаях мы получим для давления газа результат, выраженный формулой (2.4.4). Величина в формуле (2.4.4) представляет собой среднюю кинетическую энергию одной молекулы газа. Следовательно, давление газа равно двум третям средней кинетической энергии молекул, содержащихся в единице объема газа. Это - один из важнейших выводов кинетической теории идеального газа. Формула (2.4.4) устанавливает связь между молекулярными величи-нами, т. е. величинами, относящимися к отдельной молекуле, и величиной давления, характеризующей газ как целое, - величиной макроскопической, непосредственно измеряемой на опыте. Уравнение (2.4.4) называют основным уравнением кинетической теории идеальных газов. А теперь подставим вместо  значение средней квадратичной скорости молекулы . Тогда , таким образом, . (2.4.5) Назовем уравнение (2.4.5) уравнением состояния идеального газа, которое представляет газ величиной, непосредственно измеряемой опытным путем, так как давление газа Р и температура газа Т - величины измеряемые.

Похожие:

	Примерные темы рефератов Представления древних мыслителей о вакууме. Опыты, подтвердившие существование вакуума. Физический и «технический» вакуумы		Казанский (Приволжский) федеральный университет Институт геологии... Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
	Московский энергетический институт (технический университет) институт... Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез		Московский энергетический институт (технический университет) институт... Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез
	Московский энергетический институт (технический университет) институт... Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез		Московский энергетический институт (технический университет) институт... Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез
	Московский энергетический институт (технический университет) институт... Магистерская программа: Прикладная физика плазмы и управляемый термоядерный синтез		4 Химикус (Обучение с приключением) 2 Открытая физика. Часть (механика, механические колебания и волны, термодинамика и молекулярная физика)
	Способ вакуумирования пищевых продуктов и устройство для их хранения (вакуумный контейнер) Е ёмкостью 4 литра. Для создания в них высокого вакуума потребовалось бы значительное утолщение стенок, что приведёт к увеличению...		Физика №1700 Открытая Физика 0 (часть 1). – Физикон, 2000 На выполнение экзаменационной работы по физике отводится 3 астрономических часа (180 мин.)
	Технический регламент о безопасности питьевой воды Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)		Учебно-методический комплекс дисциплины культурология федеральное... «Дальневосточный государственный технический университет (двпи им. В. В. Куйбышева)» в г. Петропавловске-Камчатском
	Учебно-методический комплекс дисциплины социология федеральное агентство... «Дальневосточный государственный технический университет (двпи им. В. В. Куйбышева)» в г. Петропавловске-Камчатском		Московский энергетический институт (технический университет) институт... Профиль(и) подготовки: Техника и физика низких температур, Теплофизика, Атомные электростанции и установки, Термоядерные реакторы...
	Учебно-методический комплекс дисциплины ен. Ф. 7 Физика: оптика;... ...		Методические указания по выполнению реферата Волгоград Ысшего профессионального образования «волгоградский государственный технический университет» камышинский технологический институт...