培训系列之2真空工程理论基础课件.pptx

1、培训系列之培训系列之2(张世伟张世伟)真空真空工程理论基础工程理论基础o之一：真空技术的历史、现在与将来 o之二：真空工程理论基础o之三：科技论文的检索、撰写与发表o之四：清洁真空获得技术o之五：真空系统设计o之六：真空系统设计辅助软件的使用o之七：真空测量o之八：真空装置与系统的检漏o之九：大型真空装置的监测与故障诊断o之十：专家座谈o之十一：真空获得技术o之十二：现代表面与薄膜技术o之十三：真空材料与真空卫生o之十四：真空技术应用及计算实例真空工程理论基础 讲授提纲o真空的基本概念o真空区域的划分o真空的性质与应用o真空中的气体流动o蒸汽在真空中的性质o真空中的电现象o气体的宏观性质o气体

2、的微观性质o结束真空的基本概念o真空的定义o自然真空与人为真空o真空技术的历史回顾o真空技术的应用领域 真空区域的划分o划分真空区域的必要性o真空区域的划分原则 真空物理性质 真空获得技术 真空测量技术 真空应用技术o真空区域划分标准 真空区域的划分o划分真空区域的必要性划分真空区域的必要性 真空度的范围:105 10-14 Pa(19个数量级)相当于:1 光年 1 mmo划分:低真空o 中真空 高真空 超高真空,极高真空 真空区域的划分o真空区域的划分原则真空区域的划分原则-真空的物理性质真空的物理性质o低真空:力学性质,o中真空:液体沸点降低,气体放电 o高真空:绝热,绝缘,无氧化 o超高

3、真空:获得清洁表面,o极高真空:宇航,物理研究 真空区域的划分o真空区域的划分原则真空区域的划分原则-真空获得技术真空获得技术o低真空:旋片泵,水环泵,滑阀泵o中真空:罗茨泵,油增压泵 o高真空:扩散泵,分子泵 o超高真空:离子泵,升华泵，低温泵 真空区域的划分o真空区域的划分原则真空区域的划分原则-真空测量技术真空测量技术o低真空:液位式真空计,指针式真空表o中真空:热偶计,电阻计,薄膜规 o高真空:热阴极电离计,冷阴极电离计 o超高真空:B-A规,o极高真空:调制规,弯注规 真空区域的划分o真空区域的划分原则真空区域的划分原则-真空应用技术真空应用技术o真空应用设备中 (用户自己定义,不规

4、范)前级泵:低真空 次级泵:高真空o如:感应炉:油增压泵(高)+滑阀泵(低)真空区域的划分o真空区域划分标准真空区域划分标准（GB/T3163-2007）o低真空(LV):105 102 Pao中真空(MV):102 10-1 Pao高真空(HV):10-1 10-5 Pao超高真空(UHV):10-5 10-9 Pao极高真空(VHV):10-9 10-14 Pa真空的性质与应用o力学性质o沸点降低与蒸发加强o绝热、绝缘与隔音作用o清洁环境与表面 真空的性质与应用o真空的力学性质真空的力学性质o真空与大气之间存在压力差约为：1kgf/cm2o真空力学性质特点：无处不在，而且均匀恒定，可以作为

5、良好的动力来源。真空的性质与应用o真空力学性质的应用（真空力学性质的应用（1）o真空的吸着、夹持、搬运、提升夹持、搬运、提升o方式：使用吸头、吸盘。o特点：结构简单、使用方便、夹持可靠。o历史回顾：1651年，马德堡半球实验o使用实例：胶印机吸纸；平板玻璃浮法生产线及手工搬运；轧钢厂钢板的翻板机；电视机显象管生产线；电子元件、炮弹的搬运等等。真空的性质与应用o真空力学性质的应用（真空力学性质的应用（2）o气流携带方式的动力输送气流携带方式的动力输送o原理：利用二相流。o特点：被输送物不与动力机构接触，不受破坏；适合于将各个分散物向集中地输送（气压输送恰好相反）。o使用实例：吸尘器；伦敦的邮政信

6、件传递；粮食、冶金配料等颗粒物料的输运；等等。真空的性质与应用o真空力学性质的应用（真空力学性质的应用（3）o气压推进方式的动力输送气压推进方式的动力输送o用于液体传送。o特点：被输送液体不污染动力机构，适用于腐蚀、粘稠液体的输送。o使用实例：真空排污车；医疗中用的真空吸痰器、手术刀吸血；真空铸造、成型、吸塑；化工溶液输送；真空过滤等真空的性质与应用o沸点降低与蒸发加强沸点降低与蒸发加强o在真空中，物质的性质发生变化：液体沸点降低，蒸发升华加强。o液面上方大气压等于饱和蒸汽压时液体沸腾，同时飞出液面的分子易于扩散。o如：青藏高原大气压力为380Toor，水的沸点为80。铝在一个标准大气压时要2

7、400时才能蒸发，在 10-3 Pa 只要847就大量蒸发。真空的性质与应用o沸点降低与蒸发加强的应用（沸点降低与蒸发加强的应用（1）o脱水与干燥脱水与干燥o在真空环境下，使干燥过程加快。o主要用途：干燥粮食；纺织业的纤维干燥；印染的真空去碱；造纸工业中的纸张脱水；水泥预制件的快速干燥；化工行业的真空蒸馏、分馏、浓缩等。真空的性质与应用o沸点降低与蒸发加强的应用（沸点降低与蒸发加强的应用（2）o真空冷冻干燥真空冷冻干燥o原理：在低温低压环境下，将固体中含有的水分以固体的形式升华除去，从而可以保持固体原有的许多特性。o应用实例：医学上的血浆存储（组织工程）；食品、药品、保健品工业中的保鲜干燥处理

8、等。真空的性质与应用o沸点降低与蒸发加强的应用（沸点降低与蒸发加强的应用（3）o真空浸渍真空浸渍o电力行业中的真空浸渍：电动机、变压器、电容器，同等功率时电压越高，电流越小。为了节省材料，需要提高绝缘等级，即：脱水、脱气，充填满绝缘油等。o工艺：先抽空，脱水、脱气，再高压充油、漆。o浸渍技术的新应用：人造大理石的变色；木材改造；耐火砖浸沥青。真空的性质与应用o绝热、绝缘与隔音作用绝热、绝缘与隔音作用o热量的传递方式：辐射、对流和热传导；o抽真空的作用：去掉对流和气体热传导；加辐射屏的作用：降低辐射；最终达到绝热的目的。o绝热应用绝热应用实例：暖水瓶；不锈钢保温壶；低温容器（杜瓦瓶）；液氧槽车；

9、超导技术中需要低温环境，离不开真空；o电绝缘：电绝缘：真空环境下无导电载体，因而起到绝缘的效果。应用实例：真空开关，无电弧。o隔音隔音：无气体传递声音。应用实例：真空玻璃。真空中气体的流动o气体流动的原因o气体流动的状态、特征与判别 粘滞流 过渡流 分子流o气体流动的几个概念o真空技术基本方程 真空中气体的流动o气体流动的原因气体流动的原因o当真空管道两端存在着压力差时，气体就会自动的从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。o真空中的气体流动是气体自发扩散的结果o任何真空系统都是由气源、系统构件及抽气装置组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断的流动，是动态真空系统的普遍特点。真空中气

10、体的流动o气体流动的状态与原因气体流动的状态与原因o湍湍 流流 压力驱动压力驱动o粘滞流粘滞流 压力驱动压力驱动o过渡流过渡流 混合原因混合原因o分子流分子流 自由扩散自由扩散真空中气体的流动o气体流动的状态与特征气体流动的状态与特征o湍湍 流流 o粘滞流粘滞流 o过渡流过渡流 o分子流分子流 真空中气体的流动o气体流动状态的判别气体流动状态的判别判据判据o雷诺数雷诺数o湍湍 流流o粘滞流（层流）粘滞流（层流）o克努曾数克努曾数真空中气体的流动o气体流动状态的判别气体流动状态的判别o粘滞流粘滞流o过渡流过渡流o分子流分子流真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个概念o体积流率体积流率

11、 qv：（抽气速率、抽速）单位时间内流过管道指定截面的气体体积(m3/s)。o气体量气体量G：气体压力与体积的乘积(Pa m3)。o流量流量q qG ：单位时间内通过管道某一截面的气体量(Pa m3/s)。真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个概念o流量连续方程：流量连续方程：在稳定流动状态下，通过管道各截面上的气体流量相等。真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个概念流导流导o定义：定义：在单位压差下，流经一段管道的气流量大小，称为该管道的流导，又叫通导能力。是一个反映管道允许流过气体能力大小的参数，具有体积流率的量纲（m3/s）。o公式：一段管道的流导等于通过管道的气

12、体流量与管道两端的压力差之比真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个概念流导流导o性质：元件的流导与所流过气体的流动状态有关：粘滞流态时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关；分子流态时，流导值仅与元件的几何结构尺寸有关。o用途：流导是各种真空系统元件（管道、阀门、冷阱等）的主要技术指标之一，直接反映元件对气体流动的阻碍程度。是真空系统设计与计算中需要首先计算的重要参数。真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个概念流导流导o并联并联元件的总流导等于各分支流导的和o串联元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和：真空中气体的流动o气体流动的几个概念气体流动的几个

13、概念o真空技术基本方程真空技术基本方程蒸汽在真空中的性质o蒸汽的概念o饱和蒸汽压o蒸汽对真空的影响o水蒸气o蒸汽的汽化潜热蒸汽在真空中的性质o蒸汽的概念蒸汽的概念o又称可凝性气体，是相对永久性气体而言的。对于任何一种气体都有一个临界温度，处在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。蒸汽在真空中的性质o饱和蒸汽压饱和蒸汽压o封闭空间中，蒸汽与液体（固体）达到动态平衡时所保持的状态称为饱和状态，此时的蒸汽压力称为对应当时温度下的饱和蒸汽压，当时的温度则称为饱和温度，即对应当时压力的沸点。o饱和蒸汽压与饱和温度的一一对

14、应关系，由物质性质所决定。蒸汽在真空中的性质o蒸汽对真空的影响蒸汽对真空的影响o挥发性强的物质相当于放气源，常常会限制系统极限真空度的提高，极限压力不会低于最高的饱和蒸汽压。o系统各部分温度不同时，系统中蒸汽的分压力与最低温度的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽物质将凝聚在最低温度表面上。（低温泵、冷阱提高真空度的原理,冻干）蒸汽在真空中的性质o水蒸气水蒸气o抽除水蒸汽是真空技术中的一个难题o饱和蒸汽压受压缩时发生液化这一性质常给容积式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸气的抽除问题。（气镇原理，热泵）o水蒸气的存在也会影响到压缩式真空计（麦氏计）的精确使用。o水蒸气在表面的吸附不易脱附，为尽快排出

15、水蒸气，可以采用烘烤、干燥气体清洗等措施。蒸汽在真空中的性质o蒸汽的汽化潜热蒸汽的汽化潜热o液体在真空中蒸发变成蒸汽时需要吸收的热量，称为汽化热。o要使液体汽化（固体升华），需要提供足够的热量。（真空冷冻干燥也要加热）o液体蒸发吸收热量，有降温作用。如蔬菜水果保鲜，脱水降温，蒸发制冷。o积水蒸发结冰现象。真空中的电现象o电子发射o气体放电o荷能粒子与表面间的作用真空中的电现象o电子发射电子发射真空中电子的两种来源真空中电子的两种来源o从中学学习物理时开始，我们就已经习惯于这样的描述：“一个带电粒子无碰撞地在空间运动。”你可曾想过？这个允许粒子自由运动的空间必须是高真空环境，而那个带电粒子则是由

16、金属电极向空间发射出的电子，或者是在气体放电过程中因碰撞产生的电子或离子。实际上，有许多电现象是与真空密切相关的。真空中的电现象o电子发射电子发射定义与分类定义与分类o 定义：固体内的自由电子，在某种外界因素的作用下逸出固体表面进入周围真空空间的过程，称为固体的电子发射。o分类：热电子发射 场致发射 光电子发射 二次电子发射 真空中的电现象o气体放电气体放电定义与装置定义与装置o定义：所谓气体放电，就是空间气体中有宏观电流流过的气体导电现象。o直流 放电 装置真空中的电现象o气体放电气体放电伏安特性曲线与分类伏安特性曲线与分类o分类：直流放电o汤生放电o辉光放电o弧光放电 真空中的电现象o气体

17、放电气体放电其它形式放电其它形式放电o射频放电射频放电（R.F.13.56MH）绝缘材料电极的放电o磁控放电磁控放电 以磁场约束电子，实现低电压、低气压、低温度下的气体放电o潘宁放电，空心阴极放电潘宁放电，空心阴极放电真空中的电现象o气体放电气体放电粒子间的作用粒子间的作用o电离过程 o激发过程 o附着过程 o复合过程 真空中的电现象o气体放电气体放电破裂电压与巴邢定律破裂电压与巴邢定律 由黑暗放电转 为光亮放电的 突变过程称之 为破裂（或着 火，点燃、击 穿、起辉）真空中的电现象o荷能粒子与表面间的作用荷能粒子与表面间的作用o荷能粒子：o诱导脱附：电子轰击去气o加热：电子束熔炼o溅射：镀膜气

18、体的宏观性质o表示气体宏观性质的物理量o气体三定律o理想气体状态方程o道尔顿定律气体的宏观性质o表示气体宏观性质的物理量表示气体宏观性质的物理量 压力压力 p /Pa 温度温度 T /K（关于真空中的温度）体积体积 V/m3 质量质量 m/kg 密度密度 /kgm-3（分子数密度 n）气体的宏观性质o气体宏观性质间的关系气体宏观性质间的关系 气体三定律气体三定律o波义耳波义耳马略特定律马略特定律o盖盖吕萨克定律吕萨克定律o查理定律查理定律气体的宏观性质o气体三定律的应用气体三定律的应用o用法：用法：针对由一个恒值过程联结的两个气体状态，已知3个参数，求第4个参数。o例题：例题：初始压力和体积分

19、别为p1，V1的气体，经等温膨胀后体积变为V2，膨胀后的气体压力为o（有害空间计算）o例题：例题：计算钢瓶中的气体可以使用多长时间 气体的宏观性质o气体三定律的扩展气体三定律的扩展o将三个定律联合起来，可得到：o应用方法与前面相同，但不限于恒值过程气体的宏观性质o理想气体状态方程理想气体状态方程o反映p、V、T、m 各参量简单关系：o普适气体常数o气体摩尔质量 /kgmol-1o波尔兹曼常数 气体的宏观性质o理想气体状态方程的扩展理想气体状态方程的扩展o质量质量：o密度：密度：o分子数密度：分子数密度：气体的宏观性质o道尔顿定律道尔顿定律o相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之

20、和。o分压力：分压力：混合气体中某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。气体的微观性质o气体微观性质的定性与定量描述o麦克斯韦速度分布与三种速度o理想气体压力基本公式o分子间碰撞次数o粒子的平均自由程与自由程分布率o分子与器壁的碰撞与反射o气体平衡条件气体的微观性质东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程o气体微观性质的定性描述气体微观性质的定性描述o气体是由无数个彼此独立、微小的气体分子共同组成的。分子在空间的密度很大；每个气体分子的直径或所占空间的体积很小；和分子直径相比，各个气体分子间相距较远，且彼此独立；每个分子都以不同的速度在空间飞行，且频繁地

21、与其它分子或周围物质表面发生碰撞。气体的微观性质东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程o气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 空气气体分子直径：空气气体分子直径：3.710-10 m 一个分子的质量：一个分子的质量：4.8 10-26 kg 20，1个大气压个大气压时 气体密度：=1.18 kg/m3 p 分子数密度 n=2.51019 /cm3 p 平均速度 c=463 m/s T 平均自由程 =6.5 10-8 m 1/p 平均碰撞次数 Z=3 10-23 /s p 单位时间碰壁数=3 1023/cm2 s p气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述麦克斯

22、韦速度分布麦克斯韦速度分布 处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律服从麦克斯韦速度分布定律气体分子热运动速率介于气体分子热运动速率介于vv+dv间的几率为间的几率为东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质速度分布函数，速度分布曲线速度分布函数，速度分布曲线 气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 三种速度三种速度o最可几速率最可几速率 o算术平均速度算术平均速度o均方根速度均方根速度东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质气体微观性质的定量描述

23、气体微观性质的定量描述 理想气体压力基本公式理想气体压力基本公式 气体宏观性质与微观性质之间的联系气体宏观性质与微观性质之间的联系东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 分子间碰撞次数分子间碰撞次数 一个理想气体分子，单位时间内与其它气体分子一个理想气体分子，单位时间内与其它气体分子间的平均碰撞次数间的平均碰撞次数东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质 分子间碰撞的结果：气体能够自由地向密度低的分子间碰撞的结果：气体能够自由地向密度低的地方扩散；使相连通的容器内，各处压力趋于相同

24、，地方扩散；使相连通的容器内，各处压力趋于相同，温度趋于一致。温度趋于一致。气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 粒子的平均粒子的平均自由程自由程 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o单一种类气体单一种类气体 分子分子o含有含有k k种成份的混合气体种成份的混合气体o电子电子o离子离子 气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 自由程大于给定长度自由程大于给定长度x的几率的几率 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o气体分子气体分子o电子电子o离子离子气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述自由程分布

25、率的应用自由程分布率的应用 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o电子、离子在残余气体中的散失率电子、离子在残余气体中的散失率 p pe e P Pe e（e e x x）p pi i P Pi i（e e x x）o由散失率决定残余气体压强由散失率决定残余气体压强气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 分子与器壁的碰撞分子与器壁的碰撞 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o数量：数量：气体分子对表面的入射率气体分子对表面的入射率o方向：方向：余弦入射定律余弦入射定律 若一立体角与面积元的法线间的夹角为若一立体角

26、与面积元的法线间的夹角为，则单位时间内由该，则单位时间内由该方向飞来碰撞到单位面积上的气体分子数目与方向飞来碰撞到单位面积上的气体分子数目与CosCos成正比成正比气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 分子从器壁的反射分子从器壁的反射 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o克努曾定律：克努曾定律：气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入射相一致。射相一致。o应用：应用：蒸发镀膜的膜厚分布计算蒸发镀膜的膜厚分布计算 物质蒸发速率的计算物质蒸发速率的计算气体微观性质的定量描述气体微观性质的定量描述 气体平衡条件气体平衡条件 东北大学真空技术培训班系列教程东北大学真空技术培训班系列教程气体的微观性质o在低真空条件下，即粘滞流态时，二容器的平衡条件是压力相等在低真空条件下，即粘滞流态时，二容器的平衡条件是压力相等 o在高真空条件下，即分子流态时，二容器内气体平衡条件是连通在高真空条件下，即分子流态时，二容器内气体平衡条件是连通处入射率相等处入射率相等（不同温度时）