培訓(xùn)系列之2(張世偉)真空工程理論基礎(chǔ)

真空工程實(shí)際根底東北大學(xué)第八期<真空技術(shù)>培訓(xùn)班講義之二2021,5.13～2021.5.23主講人：東北大學(xué)張世偉之一：真空技術(shù)的歷史、如今與未來之二：真空工程實(shí)際根底之三：科技論文的檢索、撰寫與發(fā)表之四：清潔真空獲得技術(shù)之五：真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)之六：真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件的運(yùn)用之七：真空丈量之八：真空安裝與系統(tǒng)的檢漏之九：大型真空安裝的監(jiān)測(cè)與缺點(diǎn)診斷之十：專家座談之十一：真空獲得技術(shù)之十二：現(xiàn)代外表與薄膜技術(shù)之十三：真空資料與真空衛(wèi)生之十四：真空技術(shù)運(yùn)用及計(jì)算實(shí)例真空工程實(shí)際根底講授提綱真空的根本概念真空區(qū)域的劃分真空的性質(zhì)與運(yùn)用真空中的氣體流動(dòng)蒸汽在真空中的性質(zhì)真空中的電景象氣體的宏觀性質(zhì)氣體的微觀性質(zhì)終了真空的根本概念真空的定義自然真空與人為真空真空技術(shù)的歷史回想真空技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域

真空區(qū)域的劃分劃分真空區(qū)域的必要性真空區(qū)域的劃分原那么真空物理性質(zhì)真空獲得技術(shù)真空丈量技術(shù)真空運(yùn)用技術(shù)真空區(qū)域劃分規(guī)范真空區(qū)域的劃分劃分真空區(qū)域的必要性真空度的范圍:105~10-14Pa(19個(gè)數(shù)量級(jí))相當(dāng)于:1光年~1mm劃分:低真空中真空高真空超高真空,極高真空真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域的劃分原那么-----真空的物理性質(zhì)低真空:力學(xué)性質(zhì),中真空:液體沸點(diǎn)降低,氣體放電高真空:絕熱,絕緣,無氧化超高真空:獲得清潔外表,極高真空:宇航,物理研討真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域的劃分原那么-----真空獲得技術(shù)低真空:旋片泵,水環(huán)泵,滑閥泵中真空:羅茨泵,油增壓泵高真空:分散泵,分子泵超高真空:離子泵,升華泵，低溫泵真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域的劃分原那么-----真空丈量技術(shù)低真空:液位式真空計(jì),指針式真空表中真空:熱偶計(jì),電阻計(jì),薄膜規(guī)高真空:熱陰極電離計(jì),冷陰極電離計(jì)超高真空:B-A規(guī),極高真空:調(diào)制規(guī),彎注規(guī)真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域的劃分原那么-----真空運(yùn)用技術(shù)真空運(yùn)用設(shè)備中(用戶本人定義,不規(guī)范)前級(jí)泵:低真空次級(jí)泵:高真空如:感應(yīng)爐:油增壓泵(高)+滑閥泵(低)真空區(qū)域的劃分真空區(qū)域劃分規(guī)范〔GB/T3163-2007〕低真空(LV):105~102Pa中真空(MV):102~10-1Pa高真空(HV):10-1~10-5Pa超高真空(UHV):10-5~10-9Pa極高真空(VHV):10-9~10-14Pa真空的性質(zhì)與運(yùn)用力學(xué)性質(zhì)沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)絕熱、絕緣與隔音作用清潔環(huán)境與外表

真空的性質(zhì)與運(yùn)用真空的力學(xué)性質(zhì)真空與大氣之間存在壓力差約為：1kgf/cm2真空力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)：無處不在，而且均勻恒定，可以作為良好的動(dòng)力來源。真空的性質(zhì)與運(yùn)用真空力學(xué)性質(zhì)的運(yùn)用〔1〕——真空的吸著、夾持、搬運(yùn)、提升方式：運(yùn)用吸頭、吸盤。特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)用方便、夾持可靠。歷史回想：1651年，馬德堡半球?qū)嶒?yàn)運(yùn)用實(shí)例：膠印機(jī)吸紙；平板玻璃浮法消費(fèi)線及手工搬運(yùn)；軋鋼廠鋼板的翻板機(jī)；電視機(jī)顯象管消費(fèi)線；電子元件、炮彈的搬運(yùn)等等。真空的性質(zhì)與運(yùn)用真空力學(xué)性質(zhì)的運(yùn)用〔2〕——?dú)饬鲾y帶方式的動(dòng)力保送原理：利用二相流。特點(diǎn)：被保送物不與動(dòng)力機(jī)構(gòu)接觸，不受破壞；適宜于將各個(gè)分散物向集中地保送〔氣壓保送恰好相反〕。運(yùn)用實(shí)例：吸塵器；倫敦的郵政信件傳送；糧食、冶金配料等顆粒物料的輸運(yùn)；等等。真空的性質(zhì)與運(yùn)用真空力學(xué)性質(zhì)的運(yùn)用〔3〕——?dú)鈮和七M(jìn)方式的動(dòng)力保送用于液體傳送。特點(diǎn)：被保送液體不污染動(dòng)力機(jī)構(gòu)，適用于腐蝕、粘稠液體的保送。運(yùn)用實(shí)例：真空排污車；醫(yī)療中用的真空吸痰器、手術(shù)刀吸血；真空鑄造、成型、吸塑；化工溶液保送；真空過濾等真空的性質(zhì)與運(yùn)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)在真空中，物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化：液體沸點(diǎn)降低，蒸發(fā)升華加強(qiáng)。液面上方大氣壓等于飽和蒸汽壓時(shí)液體沸騰，同時(shí)飛出液面的分子易于分散。如：青藏高原大氣壓力為380Toor，水的沸點(diǎn)為80℃。鋁在一個(gè)規(guī)范大氣壓時(shí)要2400℃時(shí)才干蒸發(fā)，在10-3Pa只需847℃就大量蒸發(fā)。真空的性質(zhì)與運(yùn)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的運(yùn)用〔1〕——脫水與枯燥在真空環(huán)境下，使枯燥過程加快。主要用途：枯燥糧食；紡織業(yè)的纖維枯燥；印染的真空去堿；造紙工業(yè)中的紙張脫水；水泥預(yù)制件的快速枯燥；化工行業(yè)的真空蒸餾、分餾、濃縮等。真空的性質(zhì)與運(yùn)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的運(yùn)用〔2〕——真空冷凍枯燥原理：在低溫低壓環(huán)境下，將固體中含有的水分以固體的方式升華除去，從而可以堅(jiān)持固體原有的許多特性。運(yùn)用實(shí)例：醫(yī)學(xué)上的血漿存儲(chǔ)〔組織工程〕；食品、藥品、保健品工業(yè)中的保鮮枯燥處置等。真空的性質(zhì)與運(yùn)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的運(yùn)用〔3〕——真空浸漬電力行業(yè)中的真空浸漬：電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器，同等功率時(shí)電壓越高，電流越小。為了節(jié)省資料，需求提高絕緣等級(jí)，即：脫水、脫氣，充填滿絕緣油等。工藝：先抽空，脫水、脫氣，再高壓充油、漆。浸漬技術(shù)的新運(yùn)用：人造大理石的變色；木材改造；耐火磚浸瀝青。真空的性質(zhì)與運(yùn)用絕熱、絕緣與隔音作用熱量的傳送方式：輻射、對(duì)流和熱傳導(dǎo)；抽真空的作用：去掉對(duì)流和氣體熱傳導(dǎo)；加輻射屏的作用：降低輻射；最終到達(dá)絕熱的目的。絕熱運(yùn)用實(shí)例：暖水瓶；不銹鋼保溫壺；低溫容器〔杜瓦瓶〕；液氧槽車；超導(dǎo)技術(shù)中需求低溫環(huán)境，離不開真空；電絕緣：真空環(huán)境下無導(dǎo)電載體，因此起到絕緣的效果。運(yùn)用實(shí)例：真空開關(guān)，無電弧。隔音：無氣體傳送聲音。運(yùn)用實(shí)例：真空玻璃。真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的緣由氣體流動(dòng)的形狀、特征與判別粘滯流過渡流分子流氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念真空技術(shù)根本方程真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的緣由當(dāng)真空管道兩端存在著壓力差時(shí)，氣體就會(huì)自動(dòng)的從高壓處向低壓處分散，便構(gòu)成了氣體流動(dòng)。真空中的氣體流動(dòng)是氣體自發(fā)分散的結(jié)果任何真空系統(tǒng)都是由氣源、系統(tǒng)構(gòu)件及抽氣安裝組成的，氣體從氣源經(jīng)過系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源不斷的流動(dòng)，是動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)。真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的形狀與緣由湍流——壓力驅(qū)動(dòng)粘滯流——壓力驅(qū)動(dòng)過渡流——混合緣由分子流——自在分散真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的形狀與特征湍流—粘滯流—過渡流—分子流—真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)形狀的判別——判據(jù)雷諾數(shù)湍流粘滯流〔層流〕克努曾數(shù)真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)形狀的判別粘滯流過渡流分子流真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念體積流率qv：〔抽氣速率、抽速〕單位時(shí)間內(nèi)流過管道指定截面的氣體體積(m3/s)。氣體量G：氣體壓力與體積的乘積(Pam3)。流量qG：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過管道某一截面的氣體量(Pam3/s)。真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念流量延續(xù)方程：在穩(wěn)定流動(dòng)形狀下，經(jīng)過管道各截面上的氣體流量相等。真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念—流導(dǎo)定義：在單位壓差下，流經(jīng)一段管道的氣流量大小，稱為該管道的流導(dǎo)，又叫通導(dǎo)才干。是一個(gè)反映管道允許流過氣體才干大小的參數(shù)，具有體積流率的量綱〔m3/s〕。公式：一段管道的流導(dǎo)等于經(jīng)過管道的氣體流量與管道兩端的壓力差之比真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念—流導(dǎo)性質(zhì)：元件的流導(dǎo)與所流過氣體的流動(dòng)形狀有關(guān)：粘滯流態(tài)時(shí)，流導(dǎo)值與元件的幾何構(gòu)造尺寸及流過氣體的平均壓力有關(guān)；分子流態(tài)時(shí)，流導(dǎo)值僅與元件的幾何構(gòu)造尺寸有關(guān)。用途：流導(dǎo)是各種真空系統(tǒng)元件〔管道、閥門、冷阱等〕的主要技術(shù)目的之一，直接反映元件對(duì)氣體流動(dòng)的妨礙程度。是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算中需求首先計(jì)算的重要參數(shù)。真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念—流導(dǎo)并聯(lián)元件的總流導(dǎo)等于各分支流導(dǎo)的和串聯(lián)元件的總流導(dǎo)的倒數(shù)等于各元件流導(dǎo)的倒數(shù)之和：真空中氣體的流動(dòng)氣體流動(dòng)的幾個(gè)概念真空技術(shù)根本方程蒸汽在真空中的性質(zhì)蒸汽的概念飽和蒸汽壓蒸汽對(duì)真空的影響水蒸氣蒸汽的汽化潛熱蒸汽在真空中的性質(zhì)蒸汽的概念又稱可凝性氣體，是相對(duì)永久性氣體而言的。對(duì)于任何一種氣體都有一個(gè)臨界溫度，處在臨界溫度以上的氣體，不能經(jīng)過等溫緊縮發(fā)生液化，稱為永久氣體；而在臨界溫度以下的氣體，靠單純添加壓力即能使其液化，便是蒸汽。蒸汽在真空中的性質(zhì)飽和蒸汽壓封鎖空間中，蒸汽與液體〔固體〕到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)所堅(jiān)持的形狀稱為飽和形狀，此時(shí)的蒸汽壓力稱為對(duì)該當(dāng)時(shí)溫度下的飽和蒸汽壓，當(dāng)時(shí)的溫度那么稱為飽和溫度，即對(duì)該當(dāng)時(shí)壓力的沸點(diǎn)。飽和蒸汽壓與飽和溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由物質(zhì)性質(zhì)所決議。蒸汽在真空中的性質(zhì)蒸汽對(duì)真空的影響揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)相當(dāng)于放氣源，經(jīng)常會(huì)限制系統(tǒng)極限真空度的提高，極限壓力不會(huì)低于最高的飽和蒸汽壓。系統(tǒng)各部分溫度不同時(shí)，系統(tǒng)中蒸汽的分壓力與最低溫度的飽和蒸汽壓相等，多余的蒸汽物質(zhì)將凝聚在最低溫度外表上?！驳蜏乇谩⒗溱逄岣哒婵斩鹊脑?凍干〕蒸汽在真空中的性質(zhì)水蒸氣抽除水蒸汽是真空技術(shù)中的一個(gè)難題飽和蒸汽壓受緊縮時(shí)發(fā)生液化這一性質(zhì)常給容積式真空泵的抽氣帶來困難，最突出的就是水蒸氣的抽除問題?！矚怄?zhèn)原理，熱泵〕水蒸氣的存在也會(huì)影響到緊縮式真空計(jì)〔麥?zhǔn)嫌?jì)〕的準(zhǔn)確運(yùn)用。水蒸氣在外表的吸附不易脫附，為盡快排出水蒸氣，可以采用烘烤、枯燥氣體清洗等措施。蒸汽在真空中的性質(zhì)蒸汽的汽化潛熱液體在真空中蒸發(fā)變成蒸汽時(shí)需求吸收的熱量，稱為汽化熱。要使液體汽化〔固體升華〕，需求提供足夠的熱量?！舱婵绽鋬隹菰镆惨訜帷骋后w蒸發(fā)吸收熱量，有降溫作用。如蔬菜水果保鮮，脫水降溫，蒸發(fā)制冷。積水蒸發(fā)結(jié)冰景象。真空中的電景象電子發(fā)射氣體放電荷能粒子與外表間的作用真空中的電景象電子發(fā)射——真空中電子的兩種來源從中學(xué)學(xué)習(xí)物理時(shí)開場(chǎng)，我們就曾經(jīng)習(xí)慣于這樣的描畫：“一個(gè)帶電粒子無碰撞地在空間運(yùn)動(dòng)……。〞他可曾想過？這個(gè)允許粒子自在運(yùn)動(dòng)的空間必需是高真空環(huán)境，而那個(gè)帶電粒子那么是由金屬電極向空間發(fā)射出的電子，或者是在氣體放電過程中因碰撞產(chǎn)生的電子或離子。實(shí)踐上，有許多電景象是與真空親密相關(guān)的。真空中的電景象電子發(fā)射——定義與分類定義：固體內(nèi)的自在電子，在某種外界要素的作用下逸出固體外表進(jìn)入周圍真空空間的過程，稱為固體的電子發(fā)射。分類：熱電子發(fā)射場(chǎng)致發(fā)射光電子發(fā)射二次電子發(fā)射真空中的電景象氣體放電——定義與安裝定義：所謂氣體放電，就是空間氣體中有宏觀電流流過的氣體導(dǎo)電景象。直流放電安裝真空中的電景象氣體放電——伏安特性曲線與分類分類：直流放電湯生放電輝光放電弧光放電

真空中的電景象氣體放電——其它方式放電射頻放電〔R.F.13.56MH〕絕緣資料電極的放電磁控放電以磁場(chǎng)約束電子，實(shí)現(xiàn)低電壓、低氣壓、低溫度下的氣體放電潘寧放電，空心陰極放電真空中的電景象氣體放電——粒子間的作用電離過程激發(fā)過程附著過程復(fù)合過程真空中的電景象氣體放電——破裂電壓與巴邢定律由黑暗放電轉(zhuǎn)為光亮放電的突變過程稱之為破裂〔或著火，點(diǎn)燃、擊穿、起輝〕真空中的電景象荷能粒子與外表間的作用荷能粒子：誘導(dǎo)脫附：電子轟擊去氣加熱：電子束熔煉濺射：鍍膜氣體的宏觀性質(zhì)表示氣體宏觀性質(zhì)的物理量氣體三定律理想氣體形狀方程道爾頓定律氣體的宏觀性質(zhì)表示氣體宏觀性質(zhì)的物理量壓力p/Pa溫度T/K〔關(guān)于真空中的溫度〕體積V/m3質(zhì)量m/kg密度ρ/kg·m-3〔分子數(shù)密度n〕氣體的宏觀性質(zhì)氣體宏觀性質(zhì)間的關(guān)系

——?dú)怏w三定律波義耳—馬略特定律蓋·呂薩克定律查理定律氣體的宏觀性質(zhì)氣體三定律的運(yùn)用用法：針對(duì)由一個(gè)恒值過程結(jié)合的兩個(gè)氣體形狀，知3個(gè)參數(shù)，求第4個(gè)參數(shù)。例題：初始?jí)毫腕w積分別為p1，V1的氣體，經(jīng)等溫膨脹后體積變?yōu)閂2，膨脹后的氣體壓力為〔有害空間計(jì)算〕例題：計(jì)算鋼瓶中的氣體可以運(yùn)用多長(zhǎng)時(shí)間氣體的宏觀性質(zhì)氣體三定律的擴(kuò)展將三個(gè)定律結(jié)合起來，可得到：運(yùn)用方法與前面一樣，但不限于恒值過程氣體的宏觀性質(zhì)理想氣體形狀方程反映p、V、T、m各參量簡(jiǎn)單關(guān)系：普適氣體常數(shù)氣體摩爾質(zhì)量μ/kg·mol-1波爾茲曼常數(shù)氣體的宏觀性質(zhì)理想氣體形狀方程的擴(kuò)展質(zhì)量：密度：分子數(shù)密度：氣體的宏觀性質(zhì)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。分壓力：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。氣體的微觀性質(zhì)氣體微觀性質(zhì)的定性與定量描畫麥克斯韋速度分布與三種速度理想氣體壓力根本公式分子間碰撞次數(shù)粒子的平均自在程與自在程分布率分子與器壁的碰撞與反射氣體平衡條件氣體的微觀性質(zhì)東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體微觀性質(zhì)的定性描畫氣體是由無數(shù)個(gè)彼此獨(dú)立、微小的氣體分子共同組成的。分子在空間的密度很大；每個(gè)氣體分子的直徑或所占空間的體積很?。缓头肿又睆较啾?，各個(gè)氣體分子間相距較遠(yuǎn)，且彼此獨(dú)立；每個(gè)分子都以不同的速度在空間飛行，且頻繁地與其它分子或周圍物質(zhì)外表發(fā)生碰撞。氣體的微觀性質(zhì)東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體微觀性質(zhì)的定量描畫空氣氣體分子直徑：3.7×10-10m一個(gè)分子的質(zhì)量：4.8×10-26kg20℃，1個(gè)大氣壓時(shí)氣體密度：ρ=1.18kg/m3∝p分子數(shù)密度n=2.5×1019/cm3∝p平均速度c=463m/s∝T平均自在程λ=6.5×10-8m∝1/p平均碰撞次數(shù)Z=3×10-23/s∝p單位時(shí)間碰壁數(shù)γ=3×1023/cm2s∝p□氣體微觀性質(zhì)的定量描畫

——麥克斯韋速度分布處于平衡形狀的理想氣體分子，其熱運(yùn)動(dòng)速度的分布服從麥克斯韋速度分布定律氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率介于v～v+dv間的幾率為東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體的微觀性質(zhì)速度分布函數(shù)，速度分布曲線□氣體微觀性質(zhì)的定量描畫

—三種速度最可幾速率

算術(shù)平均速度均方根速度東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體的微觀性質(zhì)□氣體微觀性質(zhì)的定量描畫

—理想氣體壓力根本公式氣體宏觀性質(zhì)與微觀性質(zhì)之間的聯(lián)絡(luò)東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體的微觀性質(zhì)□氣體微觀性質(zhì)的定量描畫

——分子間碰撞次數(shù)一個(gè)理想氣體分子，單位時(shí)間內(nèi)與其它氣體分子間的平均碰撞次數(shù)東北大學(xué)<真空技術(shù)>培訓(xùn)班系列教程氣體的微觀性質(zhì)分子間碰撞的結(jié)果：氣體可以自在地向密度低的地方分散；使相連通的容器內(nèi)，各處壓力趨于一樣，溫度