培訓(xùn)系列之2真空工程理論基礎(chǔ)課件

1、真空工程理論基礎(chǔ)東北大學(xué)第八期真空技術(shù)培訓(xùn)班講義之二 2011,5.132011.5.23主講人：東北大學(xué) 張世偉之一：真空技術(shù)的歷史、現(xiàn)在與將來 之二：真空工程理論基礎(chǔ)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)輔助軟件的使用之七：真空測量之八：真空裝置與系統(tǒng)的檢漏之九：大型真空裝置的監(jiān)測與故障診斷之十：專家座談之十一：真空獲得技術(shù)之十二：現(xiàn)代表面與薄膜技術(shù)之十三：真空材料與真空衛(wèi)生之十四：真空技術(shù)應(yīng)用及計(jì)算實(shí)例真空工程理論基礎(chǔ) 講授提綱真空的基本概念真空區(qū)域的劃分真空的性質(zhì)與應(yīng)用真空中的氣體流動蒸汽在真空中的性質(zhì)真空中的電現(xiàn)象氣體的宏觀性質(zhì)氣體

2、的微觀性質(zhì)結(jié)束真空的基本概念真空的定義自然真空與人為真空真空技術(shù)的歷史回顧真空技術(shù)的應(yīng)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)域的劃分原則 真空物理性質(zhì) 真空獲得技術(shù) 真空測量技術(shù) 真空應(yīng)用技術(shù)真空區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn) 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 10-14 Pa (19個(gè)數(shù)量級) 相當(dāng)于: 1 光年 1 mm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)域的劃分原則-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: 獲得清潔表面, 極高真空: 宇航, 物理研究 真空區(qū)

3、域的劃分真空區(qū)域的劃分原則-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: 擴(kuò)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)域的劃分原則-真空測量技術(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)域的劃分原則-真空應(yīng)用技術(shù)真空應(yīng)用設(shè)備中 (用戶自己定義,不規(guī)范) 前級泵: 低真空 次級泵: 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)域劃分標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3163

4、-2007）低真空(LV): 105 102 Pa中真空(MV): 102 10-1 Pa高真空(HV): 10-1 10-5 Pa超高真空(UHV): 10-5 10-9 Pa極高真空(VHV): 10-9 10-14 Pa真空的性質(zhì)與應(yīng)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)境與表面 真空的性質(zhì)與應(yīng)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，可以作為良好的動力來源。 真空的性質(zhì)與應(yīng)用真空力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用（1）真空的吸著、夾持、搬運(yùn)、提升方式：使用吸頭、吸盤。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、夾持可靠。歷史回顧：1651年

5、，馬德堡半球?qū)嶒?yàn)使用實(shí)例：膠印機(jī)吸紙；平板玻璃浮法生產(chǎn)線及手工搬運(yùn)；軋鋼廠鋼板的翻板機(jī)；電視機(jī)顯象管生產(chǎn)線；電子元件、炮彈的搬運(yùn)等等。真空的性質(zhì)與應(yīng)用真空力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用（2）氣流攜帶方式的動力輸送原理：利用二相流。特點(diǎn)：被輸送物不與動力機(jī)構(gòu)接觸，不受破壞；適合于將各個(gè)分散物向集中地輸送（氣壓輸送恰好相反）。使用實(shí)例：吸塵器；倫敦的郵政信件傳遞；糧食、冶金配料等顆粒物料的輸運(yùn)；等等。真空的性質(zhì)與應(yīng)用真空力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用（3）氣壓推進(jìn)方式的動力輸送用于液體傳送。特點(diǎn)：被輸送液體不污染動力機(jī)構(gòu)，適用于腐蝕、粘稠液體的輸送。使用實(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

6、工溶液輸送；真空過濾等真空的性質(zhì)與應(yīng)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擴(kuò)散。如：青藏高原大氣壓力為380Toor，水的沸點(diǎn)為80 。鋁在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)要2400時(shí)才能蒸發(fā)，在 10-3 Pa 只要847就大量蒸發(fā)。真空的性質(zhì)與應(yīng)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的應(yīng)用（1）脫水與干燥在真空環(huán)境下，使干燥過程加快。主要用途：干燥糧食；紡織業(yè)的纖維干燥；印染的真空去堿；造紙工業(yè)中的紙張脫水；水泥預(yù)制件的快速干燥；化工行業(yè)的真空蒸餾、分餾、濃縮等。真空的性質(zhì)與應(yīng)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的應(yīng)用（2）真空冷凍干燥原

7、理：在低溫低壓環(huán)境下，將固體中含有的水分以固體的形式升華除去，從而可以保持固體原有的許多特性。應(yīng)用實(shí)例：醫(yī)學(xué)上的血漿存儲（組織工程）；食品、藥品、保健品工業(yè)中的保鮮干燥處理等。真空的性質(zhì)與應(yīng)用沸點(diǎn)降低與蒸發(fā)加強(qiáng)的應(yīng)用（3）真空浸漬電力行業(yè)中的真空浸漬：電動機(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)省材料，需要提高絕緣等級，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)的新應(yīng)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)與應(yīng)用絕熱、絕緣與隔音作用熱量的傳遞方式：輻射、對流和熱傳導(dǎo)；抽真空的作用：去掉對流和氣體熱傳導(dǎo)；加輻射屏的作用：降低

8、輻射；最終達(dá)到絕熱的目的。絕熱應(yīng)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)中需要低溫環(huán)境，離不開真空；電絕緣：真空環(huán)境下無導(dǎo)電載體，因而起到絕緣的效果。應(yīng)用實(shí)例：真空開關(guān)，無電弧。隔音：無氣體傳遞聲音。應(yīng)用實(shí)例：真空玻璃。真空中氣體的流動氣體流動的原因氣體流動的狀態(tài)、特征與判別 粘滯流 過渡流 分子流氣體流動的幾個(gè)概念真空技術(shù)基本方程 真空中氣體的流動氣體流動的原因當(dāng)真空管道兩端存在著壓力差時(shí)，氣體就會自動的從高壓處向低壓處擴(kuò)散，便形成了氣體流動。真空中的氣體流動是氣體自發(fā)擴(kuò)散的結(jié)果任何真空系統(tǒng)都是由氣源、系統(tǒng)構(gòu)件及抽氣裝置組成的，氣體從氣源經(jīng)過系統(tǒng)的構(gòu)件向抽氣口源源

9、不斷的流動，是動態(tài)真空系統(tǒng)的普遍特點(diǎn)。真空中氣體的流動氣體流動的狀態(tài)與原因湍 流 壓力驅(qū)動粘滯流 壓力驅(qū)動過渡流 混合原因分子流 自由擴(kuò)散真空中氣體的流動氣體流動的狀態(tài)與特征湍 流 粘滯流 過渡流 分子流 真空中氣體的流動氣體流動狀態(tài)的判別判據(jù)雷諾數(shù)湍 流粘滯流（層流）克努曾數(shù)真空中氣體的流動氣體流動狀態(tài)的判別粘滯流過渡流分子流真空中氣體的流動氣體流動的幾個(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 (Pa m3)。流量qG ：單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的氣體量(Pa m3 /s)。真空中氣體的流動氣體流動的幾個(gè)概念流

10、量連續(xù)方程：在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，通過管道各截面上的氣體流量相等。真空中氣體的流動氣體流動的幾個(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)能力。是一個(gè)反映管道允許流過氣體能力大小的參數(shù)，具有體積流率的量綱（m3/s）。公式：一段管道的流導(dǎo)等于通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氣體流動的幾個(gè)概念流導(dǎo)性質(zhì)：元件的流導(dǎo)與所流過氣體的流動狀態(tài)有關(guān)：粘滯流態(tài)時(shí)，流導(dǎo)值與元件的幾何結(jié)構(gòu)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)值僅與元件的幾何結(jié)構(gòu)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)指標(biāo)之一，直接反映元件對氣體流動

11、的阻礙程度。是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算中需要首先計(jì)算的重要參數(shù)。真空中氣體的流動氣體流動的幾個(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：真空中氣體的流動氣體流動的幾個(gè)概念真空技術(shù)基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，是相對永久性氣體而言的。對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，不能通過等溫壓縮發(fā)生液化，稱為永久氣體；而在臨界溫度以下的氣體，靠單純增加壓力即能使其液化，便是蒸汽。蒸汽在真空中的性質(zhì)飽和蒸汽壓封閉空間中，蒸汽與液體（固體）達(dá)到動態(tài)平衡

12、時(shí)所保持的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)，此時(shí)的蒸汽壓力稱為對應(yīng)當(dāng)時(shí)溫度下的飽和蒸汽壓，當(dāng)時(shí)的溫度則稱為飽和溫度，即對應(yīng)當(dāng)時(shí)壓力的沸點(diǎn)。飽和蒸汽壓與飽和溫度的一一對應(yīng)關(guān)系，由物質(zhì)性質(zhì)所決定。 蒸汽在真空中的性質(zhì)蒸汽對真空的影響揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)相當(dāng)于放氣源，常常會限制系統(tǒng)極限真空度的提高，極限壓力不會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)將凝聚在最低溫度表面上。（低溫泵、冷阱提高真空度的原理,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)難題飽和蒸汽壓受壓縮時(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

13、。（氣鎮(zhèn)原理，熱泵）水蒸氣的存在也會影響到壓縮式真空計(jì)（麥?zhǔn)嫌?jì)）的精確使用。水蒸氣在表面的吸附不易脫附，為盡快排出水蒸氣，可以采用烘烤、干燥氣體清洗等措施。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)需要吸收的熱量，稱為汽化熱。要使液體汽化（固體升華），需要提供足夠的熱量。（真空冷凍干燥也要加熱）液體蒸發(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)冰現(xiàn)象。真空中的電現(xiàn)象電子發(fā)射氣體放電荷能粒子與表面間的作用真空中的電現(xiàn)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)開始，我們就已經(jīng)習(xí)慣于這樣的描述：“一個(gè)帶電粒子無碰撞地在空間運(yùn)動。”你可曾想過？這個(gè)允許粒子

14、自由運(yùn)動的空間必須是高真空環(huán)境，而那個(gè)帶電粒子則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)際上，有許多電現(xiàn)象是與真空密切相關(guān)的。 真空中的電現(xiàn)象電子發(fā)射定義與分類 定義：固體內(nèi)的自由電子，在某種外界因素的作用下逸出固體表面進(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 場致發(fā)射 光電子發(fā)射 二次電子發(fā)射 真空中的電現(xiàn)象氣體放電定義與裝置定義：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)電現(xiàn)象。 直流 放電 裝置真空中的電現(xiàn)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 真空中的電現(xiàn)象氣體放電其它形式放電射頻放電（R.

15、F. 13.56MH） 絕緣材料電極的放電磁控放電 以磁場約束電子，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現(xiàn)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 真空中的電現(xiàn)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）真空中的電現(xiàn)象荷能粒子與表面間的作用荷能粒子：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狀態(tài)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

16、/ m3 質(zhì)量 m / kg 密度 / kgm-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 氣體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)氣體三定律的應(yīng)用用法：針對由一個(gè)恒值過程聯(lián)結(jié)的兩個(gè)氣體狀態(tài)，已知3個(gè)參數(shù)，求第4個(gè)參數(shù)。例題：初始壓力和體積分別為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使用多長時(shí)間 氣體的宏觀性質(zhì)氣體三定律的擴(kuò)展將三個(gè)定律聯(lián)合起來，可得到：應(yīng)用方法與前面相同，但不限于恒值過程氣體的宏觀性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程反映p、V、T、m 各參量簡單關(guān)系：普適氣體常數(shù)氣體摩爾質(zhì)量 / kgmol

17、-1波爾茲曼常數(shù) 氣體的宏觀性質(zhì)理想氣體狀態(tài)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)的定性與定量描述麥克斯韋速度分布與三種速度理想氣體壓力基本公式分子間碰撞次數(shù)粒子的平均自由程與自由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)的定性描述氣體是由無數(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?，

18、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)表面發(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)的定量描述 空氣氣體分子直徑：3.710-10 m 一個(gè)分子的質(zhì)量：4.8 10-26 kg 20，1個(gè)大氣壓時(shí) 氣體密度： =1.18 kg / m3 p 分子數(shù)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 平均碰撞次數(shù) Z= 3 10-23 / s p 單位時(shí)間碰壁數(shù)= 3 1023 /cm2 s p氣體微觀性質(zhì)的定量描述麥克斯韋速度分布 處于平衡狀態(tài)的理想氣體分子，其熱運(yùn)動速度的分布服從麥克斯韋速度分布定律氣體分子熱運(yùn)動速率介于vv+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)的定量描述 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)的定量描述 理想氣體壓力基本公式 氣體宏觀性質(zhì)與微觀性質(zhì)之間的聯(lián)系東北大學(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)的定量描述 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