Понятие о вакууме менялось со временем. В самом начале развития наук об окружающем мире под вакуумом подразумевалась просто пустота, даже само vacuum переводится с латинского как «пустота». Это была скорее философская категория, так как исследовать нечто, хотя бы отдаленно соответствующее представлениям о вакууме, у ученых не было возможности. Современная называет вакуумом состояние квантового поля, при котором его энергетическое состояние находится на самом низком уровне. Это состояние характеризуется в первую очередь тем, что реальные частицы в нем отсутствуют. Техническим вакуумом называют сильно разреженный газ. Это не совсем идеальный вакуум, но дело в том, что в условиях он недостижим. Ведь все материалы пропускают газы в микроскопических объемах, поэтому любой вакуум, заключенный в сосуде, будет иметь помехи. Степень его разреженности измеряют с помощью параметра λ (лямбда), который указывает длину свободного частицы. Это расстояние, которое она может пройти до тех пор, пока столкнется с препятствием в виде другой частицы или стенки сосуда. Высокий вакуум – такой, при котором молекулы газа могу пройти от одной стенки до другой, практически никогда не сталкиваясь друг с другом. Низкий вакуум характеризуется достаточно большим количеством столкновений.Но даже если предположить, что удастся достигнуть идеального , то все равно не стоит забывать о таком факторе, как тепловое излучение – так называемый газ фотонов. Благодаря этому явлению температура тела, помещенного в вакуум, через некоторое время стала бы такой же, как стенки сосуда. Это произойдет именно благодаря движению тепловых фотонов. Физический вакуум – это пространство, в котором масса отсутствует полностью. Но, согласно квантовой теории поля, даже при таком состоянии его нельзя назвать абсолютной пустотой, так как в физическом вакууме непрерывно происходит образование и виртуальных частиц. Их еще называют нулевыми колебаниями поля. Существуют различные теории поля, в соответствии с которыми свойства безмассового пространства могут немного варьироваться. Допускается, что вакуум может быть одного из нескольких видов, каждому из которых присущи свои особенности. Некоторые из тех свойств квантового поля , которые предсказывались учеными-теоретиками, уже были подтверждены экспериментально. Есть среди гипотез и такие, которых сможет подтвердить или опровергнуть фундаментальные теории физики. Например, предположение о том, что возможны так называемые ложные вакуумы (различные вакуумные состояния) очень важно для подтверждения инфляционной теории Большого .
Молекул газа λ и характерным размером среды d . Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума .
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом . В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера сосуда, в котором находится газ.
Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр ) говорят о достижении низкого вакуума () (10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум . При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10 −5 торр ) (10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа . Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже (1 молекула на 1 см³ ).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами . Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры . Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов - это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах - радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой . Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости , в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы : происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов ; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва .
См. также
- Диэлектрическая проницаемость вакуума
- Вакуумное среднее
- Вакуумный конденсат
Применения:
Примечания
Литература
- L. B. Okun On the concepts of vacuum and mass and the search for higgs (англ.) // Modern Physics Letters A . - 2012. - Vol. 27. - P. 1230041. - DOI :10.1142/S0217732312300418 - arΧiv :1212.1031
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Вакуум" в других словарях:
Первая часть сложных слов. Обозначает отнесённость к вакууму, пространству с выкачанным воздухом; вакуумный. Вакуум аппарат, вакуум камера, вакуум измерительный, вакуум костюм, вакуум насос, вакуум процесс, вакуум установка, вакуум фильтр, вакуум … Энциклопедический словарь
- (лат., от vacare делать пустым). Пустое безвоздушное пространство. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ВАКУУМ безвоздушное пространство. В. аппарат котел, в котором вываривают, под безвоздушным… …
ВАКУУМ, область чрезвычайно низкого давления. В межзвездном пространстве царит высокий вакуум, со средней плотностью менее 1 молекулы на кубический сантиметр. Самый разреженный вакуум, созданный человеком, менее 100000 молекул на кубический… … Научно-технический энциклопедический словарь
Вакуум... вакуум... (… Словарь иностранных слов русского языка
Разрежение, пустота; пустое пространство, форвакуум, монжюс, отсутствие, недостаток Словарь русских синонимов. вакуум см. пустота Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
вакуум - Состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного [ГОСТ 5197 85] вакуум Состояние жидкости, характеризующееся отрицательным избыточным давлением. [СО 34.21.308 2005] вакуум разрежение Давление газа ниже атмосферного. Примечание… … Справочник технического переводчика
- (от латинского vacuum пустота), состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (например, в вакуумных приборах), которому соответствует область давлений p>1 мм ртутного столба; средний: 10 3 мм ртутного… … Современная энциклопедия
- (от лат. vacuum пустота) состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (в вакуумных приборах и установках ему соответствует область давлений p выше 100 Па), средний (0,1 Па p 100 Па), высокий (10 5 Па p… … Большой Энциклопедический словарь
ВАКУУМ: ВАКУУМ... и ВАКУУМ... Первая часть сложных слов со знач. относящийся к вакууму (в 1 знач.), напр. вакуумметр, вакуум аппарат, вакуумкамера. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Вакуум... и ВАКУУМ... Первая часть сложных слов со относящийся к вакууму (в 1 знач.), напр. вакуумметр, вакуум аппарат, вакуумкамера. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
При выборе вакуумного насоса (или компрессора) и оценке его пригодности для использования в той или иной технологии оперируют двумя главными характеристиками:
- ДАВЛЕНИЕ
- ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Вакуумный насос или компрессор, который в поиске у потенциального пользователя, должен, прежде всего, обеспечить требуемый уровень давления. Затем ставится задача получить это давление за определенный промежуток времени. Быстрота получения заданного значения давления определяется производительностью (pumping speed) вакуумного насоса. При этом газовые компрессоры нагнетают газы и формируют давления выше атмосферного. Вакуумные насосы генерируют давления ниже атмосферного, т.е. создают разрежение.
В этой статье речь пойдет о низком давлении , т.е. о ВАКУУМЕ, как об основной технической характеристике всех вакуумных насосов. Создание или генерирование устройством вакуума - это динамический процесс понижения атмосферного давления в объеме и во времени. При поисках и выборе вакуумного насоса по уровню вакуума обычно говорят о двух характеристиках вакуумного насоса, связанных с давлением:
- предельное остаточное давление (или предельный вакуум, ultimate pressure)
- рабочее давление (или рабочий вакуум, working pressure)
Предельное остаточное давление - это самое хорошее (высокое) значение вакуума, которое позволяет достигнуть конструкция этого вакуумного насоса. Важно понимать, что когда вакуумный насос достигает этого предельного значения вакуума, производительность откачки газов становится равной нулю, т.е. откачка прекращается, и в дальнейшем при работе насоса это значение предельного давления будет поддерживаться как некое достигнутое равновесное состояние системы «насос-откачиваемый объём».
Как правило, значение предельного остаточного давления достигается лишь при работе вакуумного насоса в режиме «сам на себя», т.е. при заглушенном входном патрубке. Это объясняется довольно просто: при подключении к насосу технологических объемов (емкости, трубопроводы, стыки, камеры и др.) всегда существуют течи (негерметичности) или явления газовой десорбции, которые не позволяют достичь в откачиваемом объеме максимальное значение вакуума, который способен создать сам насос.
Рабочее давление - это заданное значение вакуума, которое требуется обеспечить и поддерживать вакуумным насосом в той или иной технологии или техпроцессе.
При выборе вакуумного насоса его предельное остаточное давление должно быть немного лучше чем рабочее. Это как бы обеспечивает некий «запас прочности», т.е. гарантию того, что требуемое в техпроцессе давление будет достигнуто с помощью именно этого вакуумного насоса.
2. Давление газов в объёме. Атмосферное давление. Понятие «ВАКУУМ».
Давление газов в замкнутом объёме - это суммарное усилие, оказываемое ударами (толчками) постоянно движущихся молекул газов в стенки объёма, в результате их постоянного броуновского движения и сталкивания друг с другом и с твёрдыми стенками сосуда.
Основная единица измерения давления в системе СИ - это «Па» (Паскаль):
1 Па = 1 Н / м 2 = 0,01 мбар [ 1 ]
Другие общепринятые единицы измерения давления и их соотношения приведены в Таблице 1:
| Таблица 1 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Единица измерения давления | бар | мбар | мм. рт. ст. |
м вод. ст. |
Па | кПа | МПа | атм. | ат. | кгс/см 2 | psi |
| Бар (bar) | 1 | 1000 | 750 | 10,2 | 100 000 | 100 | 0,1 | 0,9869 | 1,02 | 1,02 | 14,5 |
Атмосферное давление - это давление, которое оказывает масса воздушного столба, как смесь газов, простирающихся на высоту более 1000 км от уровня поверхности земли и океана. При этом надо понимать, что чем выше от поверхности моря находится точка измерения этого атмосферного давления, тем атмосфера менее сконцентрирована, тем смесь газов реже (как бы их масса разбавляется в огромном увеличивающемся с высотой объёме) и, как следствие, давление этой смеси газов падает с подъёмом на высоту (см. Рис. 2). Почему? Просто так издавна утроена планета Земля, вокруг которой существует атмосфера, как газовая аура вокруг шара. Благодаря этой атмосферной ауре живут организмы и проистекают самые жизненные реакции веществ, постоянно потребляющие кислород, и растения, которые этот кислород постоянно вырабатывают и восстанавливают т.н. кислородный атмосферный баланс. Самые яркие примеры - это ветер, горение (как процесс окисления) и дыхание живых организмов, животных, людей.
Кривая изменения атмосферного давления до высоты 12 км над уровнем моря показана на Рис. 3.
Земная атмосфера . Принято считать, что это смесь 14 основных «земных» газов (см. Рис. 1), из которых три составляют львиную долю, в целом более 99% (азот - более 78%, кислород - более 20%, паров воды может быть более 1%).
Земная атмосфера делится на зоны по параметрам давления и температуры: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (см. Рис. 4).
Вакуум - это всякое давление, величина которого ниже атмосферного. Нормальным атмосферным давлением в земных условиях принято считать абсолютное давление атмосферного столба на уровне поверхности мирового океана (моря). Это значение составляет 1013 мбар абс. «абс.» - здесь имеется в виду абсолютное давление, которое равно нулю в том случае, когда в объеме нет ни одной молекулы газов. Т.к. на поверхности земли, в её недрах и в атмосфере всегда есть газообразные вещества и пары жидких веществ, то абсолютный вакуум недостижим в земных условиях. Как бы быстро и хорошо не откачивались объемы современными вакуумными насосами, какими бы герметичными они бы ни были, в микроскопических шероховатостях стенок объемов всегда есть определенное количество молекул газов, которые невозможно удалить из этих микрорельефов. Кроме того, при давлении на стенки сосудов извне всегда есть проскакивающие, как бы просачивающиеся сквозь сито, внутрь молекулы газов, даже сквозь твёрдые кристаллические решетки металлов. В закрытых объёмах всегда есть явления газовой десорбции, т.е. выделения молекул газов со стенок объема вовнутрь, всегда есть микропоры и микротрещины, через которые газы проникают в зоны низкого давления. Всё это не позволяет получить абсолютный вакуум в земных условиях.
 |
Факты : Альпы - это горный массив, пересекающий границы шести стран. В самом их сердце возвышается знаменитая гора Монблан, находящаяся на границе Франции и Италии. Сами Альпы представляют собой горную гряду, которая тянется по Европе почти 1200 км, в самом широком месте между итальянской Вероной и немецким Гармиш-Партенкирхеном имеет ширину около 260 км, занимая общую площадь в 190 тыс. кв. км. Альпы полностью или частично находятся на территории 8 стран. По доле общей площади государства, приходящейся на Альпы, эти страны располагаются следующим образом: Лихтенштейн (100%), Монако (100%), Австрия (65%), Швейцария (60%), Словения (40%), Италия (17%), Франция (7%), Германия (3%). |
 |
Факты : Эверест, она же Джомолунгма - высочайшая вершина в мире, высота этой горы составляет 8848 метров. Эверест расположен в Гималайских горах, которые протягиваются по Тибетскому нагорью и Индо-Гангской равнине на территории нескольких стран: Непала, Индии, Бутана, Китая. Вершина Эвереста расположена на территории Китая, но сама гора находится на китайско-непальской границе. |
 |
Факты : В гражданской и военной авиации очень важно поддерживать атмосферное давление внутри самолета, т.к. при поднятии его на любую высоту от поверхности Земли, давление за бортом падает, а это влечет за собой отток воздуха из салона самолета во внешнюю среду. Чтобы этого не происходило требуется выполнение двух основных условий нормального полета с лётчиком или пассажирами внутри: Корпус самолета должен быть герметичен (max
отсутствие утечек воздуха наружу); Если в военных самолётах можно решить проблему утечек индивидуальными масками пилотов, то в гражданских самолётах, где много пассажиров, создают специальные автоматизированные системы поддержания атмосферного давления. |
Рис. 3. График снижения атмосферного давления с высотой над уровнем моря (от 0 до 12) км.
Рис. 4. Диаграмма распределения температуры воздуха в 4-х слоях атмосферного столба:
тропосфера
(до 11 км), стратосфера
(от 11 до 47 км), мезосфера
(от 47 до 80 км), термосфера
(свыше 80 км).
3. Градация вакуума по глубине (технические уровни вакуума).
Существует несколько методик по разбивке всей возможной шкалы низкого давления на различные интервалы (отрезки). Самые распространенные - это академическая градация и индустриальная градация.
Академический основан на оценке плотности (степени разрежения) газов по характеру движения их молекул в объёмах путем соизмерения длин пробега молекул между их столкновениями друг с другом и со стенками сосудов, т.е. соизмерения т.н. длин свободного пробега. Чем больше средняя длина свободного пробега молекулы, тем лучше вакуум. Так, например, если молекула газа в объёме успевает пролететь от стенки к стенке не соударяясь с другими молекулами, то это показатель того, что в таком объёме достигнут сверхвысокий вакуум.
Так как мы специализируемся на поставках оборудования для промышленных применений, то рассмотрим в этой статье индустриальный подход к разбивке вакуума на 4 класса (интервала). Этот метод соответствует европейскому стандарту DIN 28400. Классы вакуума приведены в Таблице 2.
| Таблица 2 | |
|---|---|
| Технические уровни вакуума (classes) | Диапазон давлений (pressure range) |
| ФОРВАКУУМ (rough vacuum) | (от 1000 до 1) мбар абс. |
| СРЕДНИЙ ВАКУУМ (fine vacuum) | (от 1 до 10 -3) мбар абс. |
| ВЫСОКИЙ ВАКУУМ (high vacuum) | (от 10 -3 до 10 -7) мбар абс. |
| СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ (ultrahigh vacuum) | (10 -7 и ниже) мбар абс. |
4. Базовые законы ФИЗИКИ ГАЗА и уравнение состояния идеального газа.
|
Закон Бойля-Мариотта.Закон Бойля-Мариотта был установлен английским физиком Робертом Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Эдмом Мариоттом в 1679 г. и звучит так: Для данной массы газа при неизменной температуре произведение его давления p на объем V есть величина постоянная: PV = const [ 2 ] Этот закон также называется ЗАКОНОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном росте объёма определенного количества газа, чтобы сохранить его температуру неизменной, давление газа должно также постепенно снижаться. |
|||||||
 |
Закон Гей-Люссака.Закон, связывающий объем газа V и его температуру T , был установлен французским ученым Жозефом Гей-Люссаком в 1802 г. Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объёма газа к его температуре есть величина постоянная. VT = const [ 3 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОБАРНОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа, чтобы сохранить давление неизменным, газ должен также постепенно расширяться. |
|||||||
 |
Закон Шарля.Закон, связывающий давление газа p и его температуру T , установлен Жаком Шарлем в 1787 году. Для данной массы газа в закрытом герметичном объёме давление газа всегда прямо пропорционально его температуре. PT = const [ 4 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОХОРОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа в закрытом объёме, также постепенно будет расти и его давление. |
|||||||
Уравнение состояния идеального газа.Уравнение, позволяющее обобщить все три основных газовых закона термодинамики называется уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Оно дает взаимосвязь трёх важнейших макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа: давления p , объема V , температуры T ,- и имеет вид: [ 5 ]
p - давление газа, Па (Н/м 2) V - объём газа, м 3 m - масса газа, кг μ - молярная масса газа R = 8,31 Дж/моль ∗ К - универсальная газовая постоянная, T - температура газа, °К (градусы абсолютной шкалы Кельвина). Под идеальным газом понимается газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосудов. Важно понимать, что все газовые законы работают для фиксированной массы (количества) газа. Законы эти хорошо работают для режимов вакуума и не приемлемы при очень высоких давлениях и температурах. |
||||||||
5. Конструктивные типы вакуумных насосов.
Если говорить об уровне вакуума и его использовании в промышленных и исследовательских целях, то:
В массовой мировой промышленности очень широко применяют форвакуум и средний вакуум;
В более редких высоких технологиях используют форвакуум, средний и высокий вакуум;
В лабораториях и исследованиях можно встретить все классы вакуума, в т.ч. и сверхвысокий.
Для получения всех классов в промышленности применяют различные конструкции вакуумных насосов, основные типы которых приведены в Таблице 3.
| Таблица 3 | ||
|---|---|---|
Тип насоса |
Конструктивный вид
|
Диапазон рабочих давлений |
|
Мембранный вакуумный насос: 1 ступень откачки |
 |
Соответственно работа в диапазоне: От 100 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Вихревая воздуходувка |
 |
от 600 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Двухроторнвя воздуходувка |
 |
от 400 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Сухой пластинчато-роторный вакуумный насос |
 |
от 150 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Водокольцевой вакуумный насос |
 |
от 33 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Сухой кулачковый вакуумный насос |
 |
от 20 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Пластинчато-роторный вакуумный насос с рецикркуляционной смазкой |
 |
от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Сухой спиральный вакуумный насос |
 |
|
|
Сухой винтовой вакуумный насос |
 |
от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления |
|
2-х ступенчатый пластинчато-роторный вакуумный насос с масляной ванной |
 |
от 0,0005 мбар абс. до атмосферного давления |
|
Сухой вакуумный насос Рутса (бустерный) |
 |
от 0,001 до 25 мбар абс. |
|
Высоковакуумные насосы: Турбомолекулярные |
 |
от 10 -11 до 5 мбар абс. |
В этом разделе основной акцент сделан на насосы для получения форвакуума, т.к. это самая востребованная ниша рынка вакуумного оборудования, и не только в России и странах СНГ, а и во всем мире.
Следует также знать, что высоковакуумные насосы не могут работать без вакуумных насосов фор- и среднего вакуума, т.к. они стартуют в работу только с пониженных давлений (как правило, со среднего вакуума) и выхлоп у них должен происходить в зону вакуума, иначе высокий и сверхвысокий вакуум недостижим. Т.о. форвакуумные насосы и насосы среднего вакуума востребованы во всех отраслях промышленности, высокотехнологичных сферах и в научных исследованиях.
Числовое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис.2.2).
Рис. 2.2. Шкалы давления. Связь между давлением абсолютным, избыточным и вакуумом
Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля (рис. 2.2). В этой системе атмосферное давление 
. Следовательно, абсолютное давление равно
.
Абсолютное давление всегда является величиной положительной.
Избыточное давление отсчитывается от атмосферного давления, т.е. от условного нуля. Чтобы перейти от абсолютного к избыточному давлению необходимо вычесть из абсолютного давления атмосферное, которое в приближенных расчетах можно принять равным 1ат :
.
Иногда избыточное давление называют манометрическим.
Вакуумметрическим давлением или вакуумом называется недостаток давления до атмосферного
.
Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным, либо недостаток до атмосферного. Ясно, что вакуум может быть представлен как отрицательное избыточное давление
.
Как видно, эти три шкалы давления различаются между собой либо началом, либо направлением отсчета, хотя сам отсчет может вестись при этом в одной и той же системе единиц. Если давление определяется в технических атмосферах, то к обозначению единицы давления (ат ) приписывается ещё одна буква, в зависимости от того, какое давление принято за «нулевое» и в каком направлении ведется положительный отсчет.
Например:
- абсолютное давление равно 1,5 кг/см 2 ;
- избыточное давление равно 0,5 кг/см 2 ;
- вакуум составляет 0,1 кг/см 2 .
Чаще всего инженера интересует не абсолютное давление, а его отличие от атмосферного, поскольку стенки конструкций (бака, трубопровода и т.п.) обычно испытывают действие разности этих давлений. Поэтому в большинстве случаев приборы для измерения давления (манометры, вакуумметры) показывают непосредственно избыточное (манометрическое) давление или вакуум.
Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.
За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль — давление, вызываемое силой , равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью , т.е. 
. Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа).
1.1 . Основные термины и определения
Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление (разница между атмосферным и вакуумным). Вакуумная техника - прикладная наука, рассматривающая проблемы изучения и поддержания вакуума, а так же вопросы разработки конструирования и применение вакуумных систем и их элементов.
Вакуум бывает: низкий; средний; высокий; сверхвысокий.
Низкий и средний вакуум используются в осветительных приборах. Высокий - используется в приемно-усилительных генераторных лампах.
Сверхвысокий вакуум используется в металлургии (плавка и переплавка в вакууме) для получения различных сплавов, для получения сверхчистых веществ, полупроводников, диэлектриков и т. д.; кристаллизация (искусственные сапфиры); диффузионная сварка (для соединения деталей из металлов с сильно различающимися температурами плавления).
Химическая промышленность - вакуумные сушильные аппараты, вакуумные фильтры, кристаллизирующие вакуумные аппараты.
Электротехническая промышленность производство кабелей, электродвигателей с использованием вакуумной пропитки.
Оптическая промышленность - производство зеркал (вакуумное алюминирование), просветленная оптика, производство биноклей, очков и т. д.
Пищевая промышленность - вакуумные упаковки, доильные аппараты, пылесосы.
Транспорт - вакуумные усилители тормозных систем.
Медицина - производство и хранение медикаментов.
Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновения молекул газа со стенками ограничивающего сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризуется отношением средней длины свободного пути молекул к характерному размеру сосуда. Это число называется числом Кнудсена.
где: - средняя длина свободного пути молекулы; l - характерный размер сосуда.
На основании числа Кнудсена идет деление по степеням вакуума. Степень вакуума определяется равновесным давлением, которое устанавливается в откачиваемом объеме под действием противоположных процессов, откачки газа насосом и поступления газа в объем за счет натекания через неплотности диффузионных и технологических газовыделений и проницаемости газа через стенки сосуда.
Низкий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно меньше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 10 до 100 МПа.
Средний вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул приближенно равна характерному линейному размеру сосуда. Эта область давлений от 100 до 0,1 МПа.
Высокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором средняя длина пробега молекул значительно больше характерного линейного размера сосуда. Эта область давлений от 0,1 до 10 МПа.
Сверхвысокий вакуум
Характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности первоначально свободной от абсорбирующего газа за время, существующее для рабочего процесса.
Газ
- состояние вещества, при котором движение молекул практически неограниченно межмолекулярными силами и занимает весь объем.
Давление в точке газового пространства
- отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения. Откачка - уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств поглощающих газ.
Время откачки
- время необходимое для уменьшения давления в откачивающей системе насосом конкретного типа.
Остаточный газ
- газ оставшийся после откачки в вакуумной системе.
Предельное остаточное давление
- наименьшее давление, которое может быть достигнуто при конкретных устройств для откачки.
Форвакуум
- вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.
Молекулярная концентрация
- число молекул газа в единице объема.
Длина свободного пути молекулы
- длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Средняя длина свободного пути молекулы
- среднеарифметическое расстояние, которое молекула проходит между двумя последними столкновениями.
Диффузия газа
- движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.
Коэффициент диффузии
- отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентраций.
Вязкостное течение
- течение газа в канале при условии, когда длина свободного пути молекулы очень мала по сравнению с наименьшим поперечным сечением канала.
Температурная транспирация
- течение газа между соединенными сосудами.
Поток молекул
- число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени. Плотность потока молекул - отношение результирующего потока молекул к поверхности, которую он пересекает.
Результирующий поток молекул
- отношение потока молекул определенного разностью между числом молекул пересекающих поверхность за данный интервал температуры в заданном направлении и числом молекул через эту поверхность в обратном направлении к этому времени.
Массовый поток газа
- масса газа пресекающего определенную поверхность за единицу времени.
Проводимость
- отношение потока к разности средних давлений в двух сечениях потока при изотермическом равновесии. Сопротивление величина обратная проводимости.
Сорбция
- поглощение газа или пара твердым веществом или жидкостью. Десорбция-обратный процесс.
Коэффициент аккомодации
- отношение средней энергии реально передаваемой поверхности налетающими частицами средней энергии, которая может быть передана в случае достижения полного теплового равновесия.
Частота столкновений
- отношение числа сталкивающихся с поверхностью молекул в заданный интервал времени к этому интервалу и площади поверхности.
Скорость прилипания
- число молекул, сорбированных на единице площади поверхности в единицу времени.
Время удерживания
- среднее время, в течении которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.
Миграция
- движение молекулы на поверхности.
Газовыделение
- самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.
Обезгаживание
- принудительное удаление газа из материала.
Проницаемость твердой перегородки
- отношение потока газа через перегородку к потоку через тоже течение при отсутствии перегородки является функцией давления по обе стороны перегородки и ее структуры.
Коэффициент проницаемости
- отношение произведения проницаемости на толщину перегородки к ее площади.
Натекание
- проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый сосуд.
1.2. Давление в вакууме
Основой физики вакуума являются следующие постулаты:
1. Газ состоит из отдельных, движущихся молекул.
2. Существует постоянное распределение молекул газа по скоростям, т. е. одной и той же скоростью обладает всегда одинаковое число молекул.
3. При движении молекул газа нет преимущественных направлений, пространство газовых молекул изотропно.
4. Температура газа величина пропорциональная средней кинетической энергии его молекул.
5. При взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа абсорбируется.
При взаимодействии газа с поверхностью твердого тела нормальная составляющая изменения количества движения молекулы будет равна:,
где θ - угол между нормалью поверхности и вектором скорости; v - скорость молекулы; m - масса молекулы.
Рассмотрим случай, когда между поверхностью и газовой средой существует энергетическое равновесие, в этом случае суммарное изменение количества движения абсорбированной и десорбированной молекул будет равняется .
Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность:
, (1.1)
где: Δt - время взаимодействия молекулы с поверхностью; ΔF - площадь поверхности.
Число молекул в элементарном объеме dV, движущихся в направлении площадки ΔF, пропорционально согласно третьему постулату, пропорционально телесному углу dW, под которым из центра dV видна площадка ΔF.
. (1.2)
Телесный угол
, (1.3)
где r - расстояние между выделенным объектом и поверхностью.
Объем в полярной системе координат:
Давление газа на поверхность найдем интегрированием по объему полусферы, из которой молекулы достигают поверхности за время Δt с радиусом .
С учетом (1.1) получаем:
(1.5)
Подставляя (1.2), (1.3), (1.4) в (1.5), получим:
где n - молекулярная концентрация.
Согласно постулату 2, введем вместо постоянной среднеквадратичную скорость молекулы.
,
тогда
(1.7).
Учитывая, что плотность газа ρ=nm, получим .
Условия равновесия, использованные при выводе уравнения (1.7) могут, не выполнятся, например, в случае конденсирующей поверхности, с которой из-за очень большого времени адсорбции не происходит десорбция молекул газа, и наоборот, тело в космическом пространстве десорбирует молекулы с поверхности, а количеством молекул ударяющихся об это тело, можно пренебречь. В этих случаях необходимо точно знать соотношение потоков падающих и вылетающих молекул газа.
1.3. Газовые законы
Если в объеме находится смесь из К газов, то давление смеси:
(1.8)
или 
(1.9) - закон Дальтона.
Т. к. температура, согласно 4 постулату, пропорциональна кинетической энергии молекулы, можно записать 
,
где с - некоторая постоянная.
Тогда (1.7) можно записать в виде:
.
Обозначим , тогда (1.10),
а средняя кинетическая энергия молекулы:
(1.11)
Уравнение (1.10) называют уравнением газового состояния, оно связывает три основных параметра: давление, молекулярную концентрацию и температуру. Константа k=1.38∙10-23Дж/к - постоянная Больцмана.
Уравнение (1.10) также можно представить в виде:
, (1.12),
где М - молекулярная масса газа; V - объём газа; NA=М/m=6.02∙1028 к моль-1 - число Авагадро; R=kNA=8.31∙103, Дж/Кмоль - универсальная газовая постоянная.
1.4. Частота соударений молекул с поверхностью
Число молекул, соударяющихся об единицу поверхности в единицу времени:
(1.13)
С учетом функции распределения молекул по скоростям получаем
, (1.14)
где Vар - средняя арифметическая скорость.
Объем газа, ударяющегося об единицу поверхности в единицу времени можно выразить через частоту соударений и молекулярную концентрацию
(1.15)
Данное выражение не зависит от давления и определяет максимальную быстроту действия идеального вакуумного насоса, откачивающего все молекулы газа, которые попадают в него через входное отверстие.
1.5. Распределение молекул газа по скоростям
При соударении друг с другом или со стенками вакуумной камеры молекулы изменяют свои скорости, как по величине, так и по направлению. Используя гипотезы о стационарном распределении по скоростям и изотропности пространства, Максвелл получил функцию распределения молекул по скоростям
, (1.16)
где dnV - число молекул скорости, которых находятся в пределах от V до 0.
Скорость, при которой наблюдаются максимальные функции распределения, называют наиболее вероятной скоростью
. (1.17)
Если ввести обозначения , то получим 
.
Используются безразмерная дифференциальная - f(c)=dnV/(ndc) b и интегральная - F(c)= функции распределения молекул по скоростям.
В расчетах также используют среднеарифметическую скорость
(1.18)
и среднеквадратичную
(1.19).
Соотношение между скоростями Vвер, Vар, Vкв составляет 1:1,128:1,225.
Таблица 1.1.
Среднеарифметические скорости газов при различных температурах
|
Газ |
||||
|
Кислород |
||||
Кроме распределения по скоростям молекул имеются функции распределения по энергии
;
; (1.20)
, (1.21),
здесь .
Существуют наиболее вероятная энергия 
и среднеарифметическая 
.
1.6. Средняя длина свободного пути
Направленный молекулярный поток, содержащий в начальный момент N0 молекул газа с хаотично движущимися молекулами с частотой К за время dt, уменьшается на величину:
, интегрируя, получаем 
.
Средняя длина свободного пути молекул газа , определяемая как отношение скорости молекул к числу столкновений в единицу времени. - длина пути молекулы за время t, столкновение произойдет в том случае, если расстояние между центрами молекул будет не более диаметра молекулы . Будем считать, что одна молекула имеет радиус , а все остальные математические точки с нулевым радиусом. При движении со скоростью с молекулярной концентрацией n, за одну секунду такая воображаемая молекула опишет объем 
, и испытает 
столкновений. Средняя длина свободного пути в таком случае будет равна
. (1.23)
С учетом относительных скоростей движения молекулы газа, которые не учитывались при выводе уравнения (1.23), для длины свободного пути можно получить более точное выражение
. (1.24)
Из (1.24) видно, что при постоянной молекулярной концентрации, длина свободного пути не должна зависеть от температуры.
Однако из опытных данных следует, что при n = const, средняя длина свободного пути увеличивается , данный фактор учитывается введением дополнительного модуля, тогда
, (1.25)
где С - постоянная Сезерленда, равная температуре при которой, в случае постоянной молекулярной концентрации газа, средняя длина свободного пути молекул уменьшается вдвое по сравнению со значением соответствующей бесконечно большой температуре [K] .
Для учета взаимодействия молекул между собой вводят понятие эффективного диаметра молекулы dТ, который уменьшается с увеличением температуры
