Единицы измерения давления
Единицы измерения давления
При этом число молекул газа, вылетающих с его поверхности, несравнимо больше, чем ударяющихся. Обратное явление происходит на поверхности тела, очищенного прогревом в сверхвысоком вакууме или охлажденного до самых низких температур. Количество молекул, вылетающих с такой поверхности, несоизмеримо меньше, чем ударяющихся.
Расчет давления для таких систем по формулам (1. 4) и (1. 5) производить нельзя, так как они справедливы лишь при условии равновероятного движения молекул в пространстве по всем направлениям. В табл. 1 приведены ориентировочные диапазоны давлений, соответствующие различным состояниям разреженного газа для минимальных расстояний между стенками вакуумной камеры, не превышающих 1 м.
Наконец, если в исследуемом объеме существует хаотическое движение молекул, вакуум в этом объеме можно характеризовать не давлением, а молекулярной концентрацией, отнесенной к температуре 0° С. Согласно уравнению (1. 5), при давлении 1 мм рт. ст. и температуре 0° С в 1 см3 газа содержится 3,538-1016 молекул. Отсюда следует такое соотношение между давлением Р в мм рт. ст. и молекулярной концентрацией п0, отнесенной к 0° С:
Таблица 2
Соотношения между единицами давления и молекулярной концентрацией газа
Теплопередача в разреженных газах
Теплопередача в разреженных газах происходит двумя способами. Один из этих способов, называемый конвекцией, связан с силовым воздействием гравитационного поля на газ, имеющий различную плотность вследствие температурных градиентов. Другой способ основан на переносе энергии молекулами между слоями газа или поверхностями, находящимися при различных температурах, и называется теплопроводностью газа. В высоком вакууме перенос тепла осуществляется в основном за счет теплопроводности газа, так как конвекция в этих условиях практически отсутствует. В области низкого вакуума теплопроводность газа слабо зависит от давления, и основная роль в теплопередаче принадлежит явлению конвекции.
Общее количество тепла £, отводимое разреженным газом в единицу времени от нагретой поверхности в вакууме, можно
Соотношения между разными единицами давления и молекулярной концентрацией даны в табл. 2.
Пользуясь тем, что средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, и заменяя параллельные пластины на два коаксиальных цилиндра радиусами R и г, причем R > г, получим формулу (1. 11) в другом виде:
представить в виде суммы потерь тепла путем теплопроводности Ет и конвекции Ек:
Манометры, работающие на основе зависимости теплопередачи разреженным газом от давления, обычно представляют собой тонкую нить радиусом г, натянутую в баллоне, имеющем радиус R. Сумма тепловых потерь нагретой нити в вакууме складывается из теплопередачи через газ, потерь на излучение Еи и теплопроводность материала нити Ем:
Перенос тепла путем теплопроводности между двумя параллельными пластинами, имеющими различную температуру, отнесенный к единице поверхности в единицу времени, в широком диапазоне давлений хорошо описывается формулой 1
Коэффициент аккомодации газов на металлических поверхностях сильно зависит от состояния этих поверхностей, т. е. от степени их окисления, адсорбции паров, от присутствия в объеме
Следовательно, Ет при низком вакууме не зависит от давления.
В области высокого вакуума при Р < В формула (1. 12) примет следующий вид:
Теплопроводность газа в этом случае прямо пропорциональна давлению газа.
Значение коэффициента теплопроводности kT = -g- в области высокого вакуума, согласно 1, может быть определено из выражения
В табл. 3 приведены значения ср и с0 для различных газов, а в табл. 4 — значения коэффициентов аккомодации ряда газов на чистых поверхностях наиболее часто применяемых в вакуумной технике материалов — вольфраме, платине, железе и никеле.
Таблица 3
Значения Ср, cv, kT и qn для различных газов
Таблица 4
Поверхность |
Не |
Ne |
Ar |
H2 |
Hg |
Воздух |
Pt |
_ |
_ |
0,89 |
0,36 |
_ |
0,90 |
W |
0,057 |
0,07 |
0,85 |
0,20 |
0,95 |
— |
Fe |
— |
0,056 |
— |
— |
— |
— |
Ni |
0,071 |
— |
— |
— |
— |
— |
Значения коэффициента аккомодации A
Загрязнения на поверхности нити могут изменять коэффициент аккомодации в 10 раз.
Передача тепла в единицу времени молекулами газа путем конвекции от нагретой нити в вакууме может быть охарактеризована эмпирическим уравнением
При изменении температуры одного из участков равновесной вакуумной системы в ней возникает движение газа, приводящее к новому равновесию. В зависимости от режима течения газа
где а — коэффициент, определяемый свойствами и температурой газа, материалом нагревателей, его размерами и конфигурацией.
Потери тепла излучением Еи можно определить по закону Стефана—Больцмана
Коэффициент kr в формуле (1. 17) зависит от давления газа, окружающего излучающую поверхность, так как при этом изменяется коэффициент поглощения промежуточной среды.
Потери тепла на теплопроводность материала нити Ем можно приближенно считать независимыми от давления и пропорциональными разности температур нити и баллона: