Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Криогенные вакуумные насосы начали применять в научных исследованиях, а затем и в промышленности, Разработка откачных средств, не загрязняющих откачиваемый объект, открыла новые перспективы для применения вакуумной техники. э й В.2. Применение вакуума в науке н технике Экспериментальные исследования испарения и конденсации, поверхностных явлений, некоторых тепловых процессов, низких температур, ядерных и термоядерных реакций осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент современной ядерной физики †ускорите заряженных частиц в немыслим без вакуума. Вакуумные системы применяются в химии для изучения свойств чистых веществ, изучения состава и разделения компонентов смесей, скоростей химических реакций. Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, ио с конца прошлого века н до сих пор наиболее важным его применением остается электронная техника.
В электровакуумных приборах вакуум является конструктивным элементом н обязательным условием их функционирования в течение всего срока службы. Низкий и средний вакуум используется в осветительных приборах и газоразрядных устройствах. Высокий вакуум — в приемно-усилительных и генераторых лампах. Наиболее высокие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов.
Для работы полупроводникового прибора вакуум не требуется, но в процессе его изготовления широко используется вакуумная технология. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров, В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы.
В производстве высококачественных сталей широко применяется вакуумирование. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, является одним из основнйх технологических процессов порошковой металлургии. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках. Сплавы с любым соотношением компонентов могут быть получены методами вакуумной молекулярной эпитаксии.
Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира получают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать не- разъемные герметичные соединения материалов с сильно различающимися температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т. д. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме.
7 В машиностроении вакуум применяется при исследованиях процессов схватывания материалов и сухого трения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и износостойких покрытий на детали машин, захвата и транспортирования деталей в автоматах и автоматических линиях. Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные аппараты при выпуске синтетических волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей.
Вакуум- фильтры используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются кристаллизационные вакуумные аппараты. В электротехнической промышленности вакуумная пропитка как самый экономичный метод широко распространена в производстве трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов и кабелей. Повышаются срок службы и надежность при работе в вакууме переключающих электрических аппаратов. Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на вакуумное алюминирование.
Просветленная оптика, защитные слои и интерференционные фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме. В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием. Расфасовка скоропортящихся продуктов, осуществляемая в вакууме, удлиняет сроки хранения фруктов и овощей. Вакуумное выпаривание применяется при производстве сахара, опреснении морской воды, солеварении.
В сельском хозяйстве широко распространены вакуумные доильные аппараты. В быту пылесос стал нашим незаменимым помощником. На транспорте вакуум используется для подачи топлива в карбюраторах, в вакуумных усилителях тормозных систем автомобилей, Имитация космического пространства в условиях земной атмосферы необходима для испытания искусственных спутников и ракет. В медицине вакуум применяется для сохранения гормонов, лечебных сывороток, витаминов, при получении антибиотиков, анатомических и бактериологических препаратов. ГЛАВА 1 ФИЗИКА ВАКУУМА 9 1.1. Понятие о вакууме и давлении Свойства газов при низких давлениях изучаются в физике вакуума, являющейся разделом молекулярно-кинетической теории газоз, 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, т. е. пространство газовых молекул изотропно; 4) температура газа — величина, пропооциональная средней кинетической энергии его молекул; 5) при взаимодействии с поверхностью твердого тела молекула газа адсорбируется. Состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного, называется вакуумом.
При давлениях, близких к атмосферному, пользуются количественным определением вакуума как разности атмосферного и абсолютного давлений. При абсолютном давлении, отличающемся от атмосферного более чем на два порядка, эта разность остается практически постоянной и не может служить количественной характеристикой разреженного газа.
В этих условиях вакуум количественно определяют абсолютным давлением газа. При очень малых давлениях, которые непосредственно уже не могут быть измерены существующими приборами, состояние газа можно характеризовать количеством молекул в единице объема, т. е.
молекулярной концентрацией газа. При взаимодействии молекул газа с поверхностью твердого тела нормальная составляющая изменения количества движения молекулы равна тасовал; где 6 — угол между нормалью к поверхности и вектором скорости; и и о — масса и скорость молекулы. Рассмотрим случай, когда между поверхностью н газовой средой существует энергетическое и адсорбционное равновесие.
Каждой адсорбированной молекуле прн этом соответствует одна десорбированная молекула с противоположным направлением вектора скорости. Таким образом, суммарное изменение количества движения адсорбированной и десорбированной молекул АК= = 2гпо соз 6. 9 Согласно второму закону Ньютона, давление молекулы на поверхность твердого тела йК р= — = йАй1 йАйг 2лрь сое П где ЬА — площадь поверхности; М вЂ” время взаимодействия молекулы с поверхностью.
Число молекул в элементарном объеме б)Р, движущихся в направлении ЬА, с учетом постулата об Рас. 1.1, ресчетиел схема дла отсутствии преимущественных направлений пропорционально телесному углу 4!э, под которым из центра ЙР видна площадка ЛА1 (1.2) б!У=п — б)Р. 4п Телесный угол !1в= сов ВДА7г2 (!.3) где г — расстояние между поверхностью и выделенным объемом (рнс. 1.1). Для объема б)Р в полярной системе координат справедливо вы- ражение бьр= з!и 22буб22 б .
(1.4) Давление газа на поверхность твердого тела найдем интегрированием по объему полусферы, из которой молекулы достигают поверхности за время М, с радиусом К!=пай С учетом выражения (1.1) 2мл сое В йАй1 (1.5) Подставляя (1.2), (1.3), (1.4) в (1.5), получим 2е е12 р= —,""" ~ер( ее~еее1!.
— """'. 1!л! 3 лекл о с Согласно принятым постулатам, существует распре еле д ние моу. п скоростям, поэтому в (1.6) вместо постоянной введем л среднеквадратичную скорость молекул о„,= — э' о1. Тогда урави Й4 А ! !о пение для расчета давления газа примет вид р=пто„(Ъ. (1.7) Учитывая, что плотность газа р=пт, выражение (1.7) можно переписать как р=роеее/3. Условия равновесия, использованные при выводе уравнения (1.7), могут не выполняться. Примером является конденснрующая поверхность, с которой из-за очень большого времени адсорбцин не происходит десорбции молекул газа. Тело, вылетевшее в космическое пространство из земной атмосферы, десорбирует с поверхности молекулы газа.
Количеством же молекул, ударяющихся о поверхность этого тела, можно пренебречь. Для точного расчета давления газа на поверхности твердого тела нужно знать соотношение потоков падающих и вылетающих молекул газа. к 1,2. Газовые законы Если в объеме находится смесь из К химически не взаимодействующих газов, то для определения давления смеси р, необходимо подсчитать сумму: к р „— ~~~~ — т1п1о..1.
(1.8) 1 1 Сравнивая (1.7) и (!.8), можно записать к рем ~А~~~ р! (1.9) 1-! Последнее выражение известно под названием закона Даль- тона и формулируется следующим образом: общее давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме пар14иальнь!х давлений компонентов смеси. Воспользовавшись определением температуры как величины, пропорциональной средней кинетической энергии молекул газа, можно записать то2„,72=сТ, где с в постоянная. Тогда уравнение (1.7) для расчета давления газа можно представить в виде 2 р= — псТ.
Если обозначить й=2с/3, то 3 (1.10) р=пйТ, а средняя кинетическая энергия молекул 2 леере 3 — = — йТ. 2 2 Уравнение (1.10) известно под названием уравнения газового состояния. Оно связывает между собой три основ- 11 ных параметра состояния газа: давление, молекулярную концентрацию и температуру. Постоянная й называется постоянной Больцмана, и ее экспериментальное значение равно 1,38 10-" Дж/К. Уравнение (1.!0) можно представить также в другой записи: р= — "Кт, (1.12) где М вЂ” молекулярная масса газа; )/ — объем газа; Я вЂ” универсальная газовая постоянная, /!1=яй/д=8,31 1О' Дж/(К.моль), /з/д — число Авогадро, А/д=М/т=6,02 102а кмоль '. Следствием (1.10) или (1.12) является то, что при постоянной массе и неизменном давлении объем газа пропорционален его абсолютной температуре (закон Гей-Люсака).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
