Понятие о вакууме

Уравнение (1.2) можно записать тогда в следующем виде:

Из уравнения (1. 4) следует, что давление газа прямо пропорционально его плотности и квадрату средней скорости движения молекул.

На основании экспериментально полученного уравнения состояния газа давление можно выразить через температуру газа Т и его молекулярную концентрацию п:

Приравнивая правые части выражений (1.4) и (1. 5), можно найти среднюю кинетическую энергию одной молекулы газа

Под вакуумом в технике понимают такое состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Количественно вакуум определяется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной системы. В этом случае давление и вакуум измеряются в одинаковых единицах. Однако измерять непосредственно вакуум оказывается удобным лишь тогда, когда он составляет заметную долю от атмосферного давления. При больших разрежениях значения вакуума и атмосферного давления практически совпадают, поэтому предпочитают измерять абсолютное давление газа, а словом «вакуум» характеризуют лишь состояние газа.

В вакуумной технике состояние разреженного газа определяют отношением средней длины свободного пробега L молекул газа к минимальному размеру d сосуда, в котором находится газ. Средняя длина свободного пробега молекул газа обратно пропорциональна давлению Р и может быть рассчитана по формуле

В последнее время в вакуумной технике появилось понятие сверхвысокого вакуума. К сверхвысокому вакууму относится область давлений ниже 10“⁷ мм рт. ст. При таких низких давлениях в отличие от условий высокого вакуума ряд физических процессов претерпевает существенные изменения. Так, например, известно, что мономолекулярный слой кислорода образуется на чистой поверхности за время t

В условиях высокого вакуума нельзя сохранить в течение длительного времени совершенно чистую поверхность, так как даже при давлении кислорода 10“⁷ мм рт. ст. любая поверхность практически мгновенно оказывается покрытой мономолекулярным слоем газов. Наличие на поверхности адсорбированных пленок газа резко изменяет физические константы материала.

При давлении кислорода и других газов ниже 10^-10Л1/Ирт. ст., т. е. в условиях сверхвысокого вакуума, для образования моно-молекулярного слоя газов на чистой поверхности требуется время, равное сотням минут, т. е. достаточное для проведения большинства экспериментов.

Для того чтобы рассчитать скорость протекания поверхностных процессов в условиях сверхвысокого вакуума, недостаточно знать молекулярную концентрацию окружающего поверхность газа. Для описания таких процессов требуется знание соотношения между количествами молекул, ударяющихся о поверхность и вылетающих с поверхности исследуемого тела.

Важность этого соотношения легко показать на примере тела, вылетевшего из земной атмосферы в космическое пространство.

Таблица 1

Основные параметры различных состояний разреженного газа

Наиболее распространенной единицей измерения давления в вакуумной технике является миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). Происхождение этой единицы связано с непосредственным отсчетом давления в первом приборе для измерения вакуума — ртутном U-образном манометре. Международное вакуумное объединение рекомендует для мм рт. ст. наименование тор в честь изобретателя U-образного манометра, известного итальянского физика XVII в. Эванджелисты Торичелли.

Под давлением 1 мм рт. ст. понимается давление, которое создает вес столба ртути высотой 1 мм при условии, что плотность ртути равна 13,5951 г!см а земное ускорение соответствует нормальному 980,665 cmIcck²

При определении тора в 1958 г. на X Международной конференции по мерам и весам в Париже была использована часть стандартной атмосферы, равной 1013250 дин!см². В результате такого определения тор оказался меньше 1 мм рт. ст. на 10“⁷ часть своей абсолютной величины, что, однако, имеет лишь теоретическое значение.

Широко внедряемая в настоящее время международная система единиц СИ (ГОСТ 9867—61) предусматривает для измерения любых давлений как малых, так и больших одну единицу — ньютон на квадратный метр (н!м²). 1 н!м² = 0,00750 мм рт. ст. и 1 мм рт. ст. = 133,322 н/м². В литературе часто встречаются: единица давления в системе СГС — дина на квадратный сантиметр (бар) и внесистемные единицы давления — физическая атмосфера (атм), техническая атмосфера (ат) и др. 1 бар = 0,1 н/м², но иногда в иностранной литературе под наименованием бар подразумевают давление 10^s н!м².