第2講真空物理基礎(chǔ)

1、第2講 真空物理基礎(chǔ)張世偉 張振厚 為了闡述真空技術(shù)中經(jīng)常遇到的一些物理知識(shí)，特別是那些在真空行業(yè)中會(huì)經(jīng)常遇到的一些基本物理定律和相關(guān)的理論問(wèn)題，如理想氣體定律、氣體與蒸氣的性質(zhì)，氣體內(nèi)部各種動(dòng)力過(guò)程的規(guī)律以及氣體與固體間相互作用的規(guī)律等一系列問(wèn)題，對(duì)真空物理中的一些問(wèn)題進(jìn)行一些介紹是十分必要的。 2.1 理想氣體定律及其狀態(tài)方程 本節(jié)所介紹的定律及相關(guān)公式是針對(duì)平衡狀態(tài)下，符合理想氣體的有關(guān)假設(shè)條件的前提下而得出的。由于在真空技術(shù)中研究的氣體大多數(shù)處于常溫和低壓狀態(tài)下，因此在工程計(jì)算中應(yīng)用這些定律基本上是符合實(shí)際的。現(xiàn)就有關(guān)問(wèn)題分述如下： 2.1.1 氣體定律 氣體的壓力p(Pa)、體積V（

2、m3）、溫度T（K）和質(zhì)量m（kg）等狀態(tài)參量間的關(guān)系，服從下述氣體實(shí)驗(yàn)定律： 2.1.1.1 波義耳馬略特定律：一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)溫度維持不變時(shí)，氣體的壓力和體積的乘積為常數(shù)。即： pV=常數(shù) 2-1 2-2 2.1.1.2 蓋·呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)壓力維持不變時(shí)，氣體的體積與其絕對(duì)溫度成正比，即：2-3 2.1.1.3 查理定律：一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)體積維持不變時(shí)，氣體的壓力與其絕對(duì)溫度成正比，即： 上述三個(gè)公式習(xí)慣上稱為氣體三定律。具體應(yīng)用方式常為針對(duì)由一個(gè)恒值過(guò)程連結(jié)的兩個(gè)氣體狀態(tài)，已知3個(gè)參數(shù)而求第4個(gè)參數(shù)。例如：初始?jí)毫腕w積為P1、V1的氣體，經(jīng)等溫膨脹后體積變

3、為V2，則由波義耳馬略特定律，即可求出膨脹后的氣體壓力為P2=P1V1/V2。這正是各種容積式真空泵最基本的抽氣原理。 2.1.1.4 道爾頓定律：相互不起化學(xué)作用的混合氣體的總壓力等于各種氣體分壓力之和，即：P=P1+P2+Pn 2-4 這里所說(shuō)的混合氣體中某一組分氣體的分壓力，是指這種氣體單獨(dú)存在時(shí)所能產(chǎn)生的壓力。道爾頓定律表明了各組分氣體壓力的相互獨(dú)立和可線性疊加的性質(zhì)。 2.1.1.5 阿佛加德羅定律：等體積的任何種類(lèi)氣體，在同溫度同壓力下均有相同的分子數(shù)，或者說(shuō)，在同溫度同壓力下，相同分子數(shù)目的不同種類(lèi)氣體占據(jù)相同的體積，人們把1mol任何氣體的分子數(shù)目NA叫做阿佛加德羅數(shù)，NA=6

4、.022×1023mol-1。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（P0=1.01325×105Pa，T0=0），1mol任何氣體的體積V0稱為摩爾體積。 V0=2.24×10-2m3/mol。2-5 根據(jù)上述氣體定律，可得到反映四個(gè)氣體狀態(tài)參量P、V、T、m之間定量關(guān)系的理想氣體狀態(tài)方程： 式中的M為氣體的摩爾質(zhì)量（kg/mol），R為普適氣體常數(shù)，R=8.31J/(mol.K)。在已知p、V、T、m四參量中的任意三個(gè)量時(shí)，可由此式求出另外一個(gè)量的值。例如氣體的質(zhì)量m=Pvm/RT。 一定質(zhì)量的氣體，由一個(gè)狀態(tài)（參量值為P1、V1、T1）經(jīng)過(guò)任意一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程（不必是恒值過(guò)程）變成另一

5、狀態(tài)（參量值為P2、V2、T2），根據(jù)狀態(tài)方程，可得 P1V1/T1= P2V2/T2 2-62-7 對(duì)（2-5）變換，還可計(jì)算單位體積空間內(nèi)的氣體分子數(shù)目和氣體質(zhì)量，即氣體分子密度n(m-3)和氣體密度（kg/m3）2-8 系數(shù)k=R/NA=1.38×10-23J/K 稱為波爾茲曼常數(shù)。 2.2 氣體分子運(yùn)動(dòng)論基礎(chǔ) 2-9 2.2.1 處于平衡狀態(tài)的理想氣體分子，其熱運(yùn)動(dòng)速度的分布服從麥克斯違速度分布定律。氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率介于-+d之間的幾率為式中F（）中速率（m/s）的連續(xù)函數(shù)，稱為速率分布函數(shù)。M0=M/NA,稱為一個(gè)氣體分子的質(zhì)量（kg）。 2-10利用速率分布函數(shù)，可以計(jì)

6、算出反映分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的三種特征速率。最可幾速率m是在氣體分子所具有的各種不同熱運(yùn)動(dòng)速率中出現(xiàn)幾率最大的速度，即與F（）最大值相對(duì)應(yīng)的值；所有氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度的算術(shù)平均值叫做算術(shù)平均速度把所有氣體分子的速度的平方加起來(lái)，然后被分子總數(shù)除，再開(kāi)方就得到均方根速度S。它們的計(jì)算式分別為：2-11 2.2.2 理想氣體的壓力基本公式，將氣體分子微觀熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱直接與宏觀上的氣體壓力定量聯(lián)系起來(lái)：2-12 2.2.3 氣體中一個(gè)分子與其它分子每連續(xù)二次碰撞之間所走過(guò)的路程稱為自由程，自由程有長(zhǎng)有短，差異很大，但大量自由程的統(tǒng)計(jì)平均值卻是一定的，稱為平均自由程（m）。單一種類(lèi)氣體分子的平均自由程為 如

7、果是含有k種成份的混合氣體，則2-13 式中是氣體分子的有效直徑（m），下標(biāo)l、j分別代表第l、j種氣體成份的參數(shù)。2-14還可定義電子和離子在氣體中運(yùn)動(dòng)的平均自由程 和（m）。需要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明的是，這里所說(shuō)電子或離子的自由程，是指電子或離子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)與氣體分子連續(xù)二次碰撞間所走過(guò)的路程，而沒(méi)有考慮電子或離子本身之間的碰撞，所以電子和離子平均自由程計(jì)算式中出現(xiàn)的都是氣體分子的參數(shù)，而與電子或離子的空間密度無(wú)關(guān)。2-152-16 2.2.4 氣體分子的某一次自由程取值完全是隨機(jī)的，但大量自由程的長(zhǎng)度分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。氣體分子自由程大于一給定長(zhǎng)度x的幾率為2-182-17 類(lèi)似地可得出，電

8、子或離子在氣體中運(yùn)動(dòng)的自由程大于一給定長(zhǎng)度x的幾率為 利用這種分布規(guī)律，結(jié)合平均自由程計(jì)算公式2-122-15，可以計(jì)算出做定向運(yùn)動(dòng)的粒子束流穿過(guò)空間氣體時(shí)的散失率，或根據(jù)所限定的散失率確定空間氣體所必須達(dá)到的真空度。 例如：一臺(tái)離子束真空設(shè)備中，高能離子流由離子源射向25cm處的靶，若要求離子流與真空室內(nèi)殘余氣體分子碰撞的散失率小于5%，那么溫度為27的殘余氣體壓力應(yīng)為多少？ 根據(jù)題意，可知當(dāng)x=0.25cm，要求Pi(I>x)1%-5%，由（2-18）式，解出 則i0.25/(-In0.95)，即 4.87m。再此結(jié)果代入（2-15）式得4.87m；取空氣的分子有效直徑=3.72&#

9、215;10-10m，則要求殘余氣體壓力P1.38×10-23×300/(×3.722×10-20×4.87)，即P1.95×10-3Pa。2-19 2.2.5 關(guān)于氣體分子對(duì)所接觸固體表面（如容器壁）的碰撞問(wèn)題，可以從入射方向和入射數(shù)量二方面加以討論。若一立體角d與面積元ds的法線間的夾角為，則單位時(shí)間內(nèi)由d方向飛來(lái)碰撞到ds上的氣體分子數(shù)目dN與Cos成正比，這就是通常所說(shuō)的余弦定律： 2-20 單位時(shí)間內(nèi)碰撞在固體表面單位面積上的氣體分子數(shù)目稱為氣體分子對(duì)表面的入射率（m-2s-1）,其計(jì)算式為 根據(jù)平衡狀態(tài)的假設(shè)，氣體分子飛離

10、固體表面時(shí)的方向分布及數(shù)量應(yīng)與入射相一致，因此仍可按式2-19、2-20計(jì)算。克努曾余弦反射定律還說(shuō)明，不論氣體分子的入射方向怎樣，其反射都服從2-19式的余弦規(guī)律。 2.2.6 如果兩個(gè)相連通的真空容器溫度不同，那么內(nèi)部氣體達(dá)到狀態(tài)平衡時(shí)的參數(shù)也會(huì)有差異。在低真空條件下，即粘滯流態(tài)時(shí)，二容器的平衡條件是壓力相等，二容器內(nèi)氣體壓力、溫度及分子密度關(guān)系為：2-222-21 在高真空條件下，即分子流態(tài)時(shí)，二容器內(nèi)氣體達(dá)到動(dòng)力平衡的條件，是在連通處的入射率相等，從而有關(guān)系： 這種由于溫度不同而引起氣體流動(dòng)，平衡時(shí)產(chǎn)生壓力梯度的現(xiàn)象，稱為熱流逸現(xiàn)象。它會(huì)給真空測(cè)量帶來(lái)誤差。例如某真空電阻爐熱場(chǎng)區(qū)溫度為

11、1800K，通過(guò)細(xì)管連接的真空規(guī)管工作在300K溫度下，若規(guī)管測(cè)得壓強(qiáng)為2×10-4Pa，則可由2-22式算得爐內(nèi)的真實(shí)氣體壓力為 2.3 蒸汽 所謂蒸汽（又稱可凝性氣體），是相對(duì)于永久氣體（或稱非可凝性氣體）而言的。對(duì)于任何一種氣體，都存在著一個(gè)臨界溫度，在臨界溫度以上的氣體，不能通過(guò)等溫壓縮發(fā)生液化，稱為永久氣體；而在臨界溫度以下的氣體，靠單純?cè)黾訅毫茨苁蛊湟夯闶钦羝?空間中的蒸汽分子返回到液體內(nèi)去的過(guò)程叫凝結(jié)。蒸汽的凝結(jié)率Wkg/(m2·s),即單位時(shí)間內(nèi)在單位面積液面上凝結(jié)的蒸汽質(zhì)量，可借助（2-20）式計(jì)算2-232-24式中為凝結(jié)系數(shù)，P1為蒸汽的分壓力

12、。 凝結(jié)的逆過(guò)程，即液體分子飛到空間變成蒸汽的現(xiàn)象，叫蒸發(fā)。單位時(shí)間通過(guò)單位面積液面蒸發(fā)的質(zhì)量叫蒸發(fā)率Gkg/(m2·s)，在汽、液共存的條件下，蒸發(fā)和凝結(jié)現(xiàn)象同時(shí)存在，若蒸發(fā)率大于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為液體的蒸發(fā)；若蒸發(fā)率小于凝結(jié)率，則宏觀上表現(xiàn)為蒸汽的凝結(jié)；二者相等時(shí)，則處于飽和狀態(tài)，此時(shí)空間蒸汽的壓力稱為對(duì)應(yīng)平衡溫度下的飽和蒸汔壓PS。物質(zhì)的飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而增大。液體的蒸發(fā)率與對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓間的關(guān)系為 此式常用于蒸發(fā)鍍膜中金屬蒸發(fā)量的計(jì)算。 一種蒸汽的實(shí)際壓力P與其對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓PS之比，稱為蒸汽當(dāng)時(shí)的飽和度，作為最常用的一項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，常把空氣中水蒸汽

13、的飽和度定義為空氣的相對(duì)溫度。2-25 例如：工程中定義標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為溫度20，相對(duì)濕度65%，大氣壓力101325Pa。已知水蒸汽在20時(shí)的飽和蒸汽壓為2333Pa（17.5托），則可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下大氣中水的分壓力為0.65×2333=1516Pa(11.375托)。 飽和蒸汽壓的存在，是蒸汽有別于理想氣體模型的根本之處，也是我們要將蒸汽的性質(zhì)單獨(dú)作為一節(jié)討論的原因。在真空工程中，在蒸汽沒(méi)有達(dá)到飽和之前，即飽和度1時(shí)，我們可以使用前面介紹的理想氣體定律和公式來(lái)描述蒸汽的性質(zhì)；而蒸汽一旦達(dá)到飽和，情況卻大不相同，如果我們對(duì)飽和蒸汽繼續(xù)作等溫壓縮，蒸汽壓力將不再升高而是維持飽和蒸

14、汽壓的值不變，即不再服從波義耳馬略特定律，為多余部分的蒸汽將凝聚為液態(tài)或固態(tài)；反之，在飽和蒸汽與其凝聚相（液態(tài)或固態(tài)）平衡共存的情況下，對(duì)蒸汽作等溫膨脹，蒸汽的壓力也不會(huì)降低，而是其凝聚相不斷蒸發(fā)或升華來(lái)補(bǔ)充蒸汽，直至全部變成蒸汽為止。飽和蒸汽與其凝聚相間的這種等溫相變，尤其是水蒸汽的存在，在真空工程中有著不可忽視的影響。 從上面的分析可知：在相聯(lián)通的真空系統(tǒng)中，如果某一處存在有揮發(fā)性較強(qiáng)的固體或液體，那么此處就相當(dāng)于系統(tǒng)中的一個(gè)放氣源，使該物質(zhì)在系統(tǒng)中的壓力始終為對(duì)應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，這常常會(huì)限制系統(tǒng)極限真空度的提高；如果相聯(lián)通的真空系統(tǒng)各部分溫度不同，那么整個(gè)系統(tǒng)中蒸汽的分壓力都將與最低

15、溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓相等，多余的蒸汽物質(zhì)最后都將凝聚在具有最低溫度的表面上，這正是低溫冷阱可以提高系統(tǒng)真空度的原理。2-26 飽和蒸汽受壓縮時(shí)發(fā)生液化這一性質(zhì)常給變?nèi)菔秸婵毡玫某闅鈳?lái)困難，最突出的就是水蒸汽的抽除問(wèn)題。以最常見(jiàn)的旋片泵為例：一個(gè)抽氣周期包括進(jìn)氣腔膨脹吸氣、隔離和排氣腔壓縮排氣三步驟。如果吸入的氣體中水蒸汽的比例較大，在水蒸汽和永久氣體被壓縮達(dá)到排氣壓力之前，水蒸汽的分壓力已經(jīng)達(dá)到飽和蒸汽壓，那么繼續(xù)壓縮的過(guò)程中，就會(huì)有一部分水蒸汽發(fā)生液化而混入泵油中，無(wú)法排出泵外，并且回到膨脹腔后還會(huì)在低壓下重新汽化成蒸汽，增大吸氣側(cè)的水蒸汽比例和壓力，導(dǎo)致泵的抽氣能力和極限真空的下降。若

16、要保證水蒸汽能夠全部排出泵外而不發(fā)生液化，那么吸入的水蒸汽分壓力P、永久氣體分壓力PP、對(duì)應(yīng)泵溫下的水蒸汽飽和蒸汽壓PS和泵的排氣壓力Pe間應(yīng)滿足如下關(guān)系： 例如：取泵的排氣壓力Pe=1.1×10-5Pa，泵溫70時(shí)水的飽和蒸汽壓PS=3.125×10-4Pa，則水蒸汽占吸入氣體的比例必須小于PS/Pe=28.3%。在抽氣后期，尤其是空氣濕度較大時(shí)，這一條件很難達(dá)到。因?yàn)榇藭r(shí)被抽容器內(nèi)的永久氣體成份已經(jīng)很少，但容器內(nèi)表面凝結(jié)的水蒸汽卻不斷放出，所占比例就變得很大。解決這一問(wèn)題的一個(gè)傳統(tǒng)方法是加氣鎮(zhèn)，即向壓縮腔內(nèi)充入永久氣體成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在達(dá)到飽和前便被排出

17、。 水蒸汽的存在也會(huì)影響到壓縮式真空計(jì)（麥?zhǔn)嫌?jì)）的精確使用。測(cè)量讀數(shù)時(shí)，如果測(cè)量管內(nèi)經(jīng)過(guò)壓縮的氣體中，水蒸汽的分壓力尚低于當(dāng)時(shí)飽和蒸汽壓，那么讀數(shù)顯示的是水蒸汽和永久氣體的壓力；若水蒸汽已經(jīng)達(dá)到飽和發(fā)生液化，那么讀數(shù)會(huì)比永久氣體的分壓力高一些，但無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為消除水蒸汽對(duì)測(cè)量的干擾，常在麥?zhǔn)嫌?jì)前安一低溫冷阱，這樣測(cè)得的就只是永久氣體的分壓力。 液體（或固體）在真空中蒸發(fā)（或升華）變成蒸汽時(shí)需要吸收熱量，稱為汽化熱。物理的汽化熱隨著汽化溫度的升高而略有降低。比如1mol水，在50汽化，汽化熱為42780J，而在100汽化，汽化熱為40680J。蔬菜真空保鮮工藝中，讓蔬菜的一部分水分在真空

18、中蒸發(fā)后抽除，這些水蒸發(fā)時(shí)要從蔬菜體內(nèi)吸取汽化熱，從而使蔬菜在脫水同時(shí)降溫，正是利用了水蒸吸熱的原理；這種現(xiàn)象有時(shí)也會(huì)給真空操作帶來(lái)問(wèn)題，比如在大型真空裝置中積存一些水，抽真空后一部分水蒸發(fā)成蒸汽排除，而這部分水吸收汽化熱使其余的水降溫直至結(jié)冰，余下的水就只能以升華的方式緩慢蒸發(fā)，從而會(huì)延長(zhǎng)抽真空的時(shí)間。 2.4 氣體吸附 氣體或蒸汽被固體表面浮獲而附著在表面上,形成單層或多層氣體分子層的現(xiàn)象叫做吸附。能捕集氣體的固體叫吸附劑,而被吸附的氣體成份叫吸附質(zhì)。發(fā)生吸附作用的原因是由于在吸附劑表面存在著力場(chǎng)。 根據(jù)吸附力的不同,氣體吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是氣體分子受范德瓦爾斯力的吸引

19、作用而附著在吸附劑表面之上,與氣體的液化過(guò)程相類(lèi)似,其特點(diǎn)是吸附較弱,吸附熱較小,吸附不穩(wěn)定,較易脫附,但對(duì)吸附的氣體一般無(wú)選擇性,溫度越低吸附量越大,能形成多層吸附,分子篩吸附泵和低溫泵的吸氣作用就屬于物理吸附?；瘜W(xué)吸附是靠固體表面原子與氣體分子間形成吸附化學(xué)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的,與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)相類(lèi)似,同物理吸附相比,化學(xué)吸附的特點(diǎn)是吸附強(qiáng),吸附熱大,穩(wěn)定不易脫附,吸附有選擇性,溫度較高時(shí)發(fā)生化學(xué)吸附的氣體分子增多,只能緊貼表面形成單層吸附(在化學(xué)吸附的分子上面還能形成物理吸附),濺射離子泵和電子管中吸氣劑的吸氣作用就包括化學(xué)吸附。 氣體吸附的逆過(guò)程,即被吸附的氣體或蒸汽從表面釋放出來(lái)重新回到空間的過(guò)

20、程,稱為脫附或解吸。解吸現(xiàn)象可以是自然發(fā)生的,也可以是人為加速的。自然解吸有兩種情況,一是從宏觀平均地看,每個(gè)吸附氣體分子在表面停留一段時(shí)間后,都要發(fā)生脫附飛回空間,這時(shí)也會(huì)有其它氣體分子發(fā)生新的吸附,在氣體溫度壓力一定的條件下,吸附速率與脫附速率相等,表面上的氣體吸附量維持恒定;另一種情況是在抽真空的過(guò)程中,空間氣體壓力不斷降低,表面上脫附速率大于吸附速率,氣體吸附量逐漸減少,氣體從表面上緩緩放出,這種現(xiàn)象在真空中叫做材料的放氣或出氣。工程中最關(guān)心的問(wèn)題是表面上的氣體吸附總量和抽空時(shí)的放氣速率,但至今還沒(méi)有很準(zhǔn)確通用的計(jì)算方法,只能從實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出:在低真空階段,表面吸附及表面放氣與空間氣

21、體相比,數(shù)量很小,其影響可以忽略不計(jì);在中真空階段,表面放氣量已接近空間氣體量,對(duì)二者應(yīng)同樣重視;進(jìn)入高真空乃至超高真空階段,表面放氣(不計(jì)系統(tǒng)漏氣時(shí))已成為主要?dú)怏w負(fù)荷,放氣的快慢直接影響著抽空時(shí)間。 通過(guò)人為的手段有意識(shí)地促進(jìn)氣體解吸現(xiàn)象的發(fā)生,在真空技術(shù)中叫做去氣或除氣.人工去氣可以縮短系統(tǒng)達(dá)到極限真空的時(shí)間;可以獲得沒(méi)有氣體分子遮蓋的清潔表面。加熱烘烤去氣方法通過(guò)提高吸氣表面的溫度,增加分子熱運(yùn)動(dòng)能量來(lái)促進(jìn)解吸,邊加熱邊排氣,常用于超高真空系統(tǒng)容器內(nèi)表面及內(nèi)部構(gòu)件的去氣和真空電子器件內(nèi)燈絲等內(nèi)部金屬元件的去氣；離子轟擊去氣方法一般是在空間形成氣體放電,產(chǎn)生離子體區(qū),使高能離子轟擊待清洗

22、的固體表面,產(chǎn)生氣體濺射,使吸附氣體發(fā)生脫附,這是一種相當(dāng)有效、簡(jiǎn)捷迅速的除氣手段,在薄膜技術(shù)、表面科學(xué)等有氣體放電條件或有離子源的設(shè)備中廣泛采用。 2.5 氣體流動(dòng) 當(dāng)真空管道兩端存在有壓力差時(shí),氣體就會(huì)自動(dòng)地從高壓處向低壓處擴(kuò)散,便形成了氣體流動(dòng)。任何真空系統(tǒng)都是由氣源(待抽容器)系統(tǒng)構(gòu)件(管道閥門(mén)等)及抽氣裝置(真空泵)組成的,氣體從氣源經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷流動(dòng),是動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)。 真空技術(shù)中，氣體沿管道的流動(dòng)狀態(tài)可劃分為如下幾種基本形式：從大氣壓力下開(kāi)始抽真空的初期，管道中氣體壓力和流速較高，氣體的慣性力在流動(dòng)中起主要作用，流動(dòng)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，流線無(wú)規(guī)則，并不時(shí)有旋渦出

23、現(xiàn)，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為湍流（渦流，紊流）；隨著流速和氣壓的降低，在低真空區(qū)域內(nèi)，氣流由湍流變成規(guī)則的層流流動(dòng)，各部分具有不同速度的流動(dòng)層，流線平行于管軸，氣體的粘滯力在流動(dòng)中起主導(dǎo)作用，此時(shí)氣體分子的平均自由程仍遠(yuǎn)小于導(dǎo)管最小截面尺寸d，這種流態(tài)叫做粘滯流；當(dāng)氣體流動(dòng)進(jìn)入高真空范圍，分子平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)管最小尺寸d時(shí)，氣體分子與管壁之間的碰撞占居主要地位，分子靠熱運(yùn)動(dòng)自由地直線前進(jìn)，只發(fā)生與管壁的碰撞和熱反射而飛過(guò)管道，氣體流動(dòng)由各個(gè)分子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)疊加而成，這種流動(dòng)稱作分子流；發(fā)生在中真空區(qū)域內(nèi)，介于粘滯流與分子流之間的流動(dòng)狀態(tài)叫做中間流或過(guò)渡流。 在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，管道中的氣體流量和導(dǎo)氣

24、能力計(jì)算方法不同，因此在氣體流動(dòng)計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行流態(tài)判別。由于在真空抽氣過(guò)程中湍流的出現(xiàn)時(shí)間較短，常常不加以單獨(dú)考慮，而是將其歸入粘滯流態(tài)。其它流動(dòng)狀態(tài)的判別可用克努曾數(shù)/d或管道中平均壓力p與幾何尺寸d的乘積pd作為判據(jù)：2-27分子流中間流粘滯流 為了考慮管道中流過(guò)的氣體數(shù)量的多少，可以使用氣體的質(zhì)量流率qm(kg/s)和摩爾流率qv(mol/s)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道某一截面的氣體質(zhì)量和氣體摩爾數(shù)。不過(guò)這兩種流率不便于實(shí)際測(cè)量，因此工程中廣泛使用的是單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道指定截面的氣體體積，即體積流率qv(m3/s)。在氣體壓力為P的截面上，qv 、qm、 q的關(guān)系為2-28 在真空泵入口處的氣體體積流率又稱為泵的抽氣速率（簡(jiǎn)稱抽速），是真空泵的重要性能指標(biāo)之一。由于在不同壓力下，相同的體積流率對(duì)應(yīng)有不同的質(zhì)量流率，所以在計(jì)算體積流率量值時(shí)，必須指明所對(duì)應(yīng)的氣體壓力。 為了更方便地計(jì)算流過(guò)氣體的多少，工程中還定義氣體的壓力與其體積的乘積為氣體量G(Pa