第2讲：真空物理基础

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1、［简介］:对于任何一种真空产品或一项真空工艺，都有着专门的物理知识作为其工作原理的基础。但本次讲座所要介绍的，仅仅是那些在真空行业的各个领域屮都会经常遇到的最基木的物理知识。主要包括气体及蒸汽的性质及其内部各种动力过程的规律（空间过程）、气体与固体间的作用规律（器壁过程）以及气体流动的规律。限于篇幅，每个方而只能作简单的介绍。对于任何一种真空产品或一项真空工艺，都冇着专门的物理知识作为其工作原理的基础。但木次讲座所要介绍的，仅仅是那些在真空行业的各个领域屮都会经常遇到的最基本的物理知识。主要包括气体及蒸汽的性质及其内部各种动力过程的规律（空间过程）、气体与同体间

2、的作用规律（器壁过程）以及气体流动的规律。限于篇幅，每个方面只能作简单的介绍。—*、理想气体定律首先应该说明，木节及以后几节屮所介绍的定律和公式，是针对平衡状态下的理想气体得岀的。不过，常温（与室温相比）低压（和对大气压而言）下的各种气体都可以看作是近似程度相当好地理想气体，因此，我们可以放心地把这些定律和公式应用于真空工程的绝大部分计算Z中。这其中包括通常所涉及到的齐种气体，其至于接近饱和的蒸汽（如水蒸汽）；也包括各类气体状态过程，英至于明显的非平衡状态（如气体的流动过程）。气体的压力p（Pa）、体积V（n?）、温度T（K）和质量m（kg）等状态参量间的关系,

3、服从下述气体实验定律：1、波义耳〜马略特定律：一定质量的气体，若其温度维持不变，气体的压力和体积的乘积为常数pV=常数（1）2、盖•吕萨克定律：一定质量的气体，若其压力维持不变，气体的体积与其绝对温度成正比V/T=常数（2）3、查理定律：一定质量的气体，若其体积维持不变，气体的压力与其绝对温度成正比。p/T=常数（3）上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。例如：初始压力和体积为Pi、V],的气体，经等温膨胀后体积变为V2,则由波义耳-马略特定律，可求得膨胀后的气体压力为P2=P1W/V

4、2。这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。4、道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等丁•各种气体分压力Z和。P=P1+P2+…・+Pn(4)这里所说的混合气体屮某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在吋所能产生的压力。道尔顿定律表明了个组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。5•阿佛加德罗定律：等体积的任何种类气体，在同温度同压力卜•均有相同的分子数；或者说，在温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积olmol任何气体的分子数目叫做阿佛加德罗数,Na=6.022xl023mor1o在标准状态下(p0=1.01325xl05Pa,To

5、=0°C),lmol任何气体的体积称为标准摩尔体积，Vo=2.24x10-Vmol^o根据上述气体定律，可得到反映气体状态参量p、V、T、mZ间定量关系的理想气体状态方程：pV=m/M(RT)(5)式中的M为气体的摩尔质量(kg/mol),R为普适气体常数，R=8.31J/(molK)o在已知p、V、T、m四参量屮的任意三个量时，可由此式求岀另外一个值。例如气体的质量m=pVM/(RT)一定质量的气体，由一个状态(参量值为pi、VHTi)经过任意一个热力学过程(不必是恒值过程)变成另一状态(参量值为P2、V2、T2),根据状态方程，可得到关系式：piVj/T!=

6、p2V2/T2(6)对(5)变换，述可计算单位体积空间内的气体分子数目和气体质量，即气体分了数密度n(1屮)和气体密度p(kg/m3)n=mNA/MV=pNA/RT=p/kT(7)p=m/V=pM/RT(8)系数k=R/NA=1.38x1023J/K称为波尔兹曼常数。二、气体分子运动论基础1.处于平衡状态的理想气体分了，其热运动速度的分布服从麦克斯韦速度分布定律。气体分子热运动率介于V〜v+dv之间的几率为dN/N=F(v)dv=4k(hIq/2兀kT)3/2-exp-(-mov2/2kT)-v2dv(9)式屮F(v)是速率v(m/s)的连续函数，称为速率分布函

7、数。mo=M/NA,为一个气体分了的质量(kg)o利用速率分布函数，可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。最可几速率S是在气体分子所具有的各种不同热运动速度屮出现几率最大的速度，即与F(v)最大值相对应的v值；所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度W把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度％。它们的计算公式如下：2•理想气体的压力基本公式，将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起來：P=1/3(nmovs2=l/3(pvs2)(11)3.气体屮一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为

8、自由程，口由程有长有短，