Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В этом случае изображение экрана, поставленного на пути молекулярного пучка, получается отчетливым. Из условия изменения режима течения газа принимают Кп рг1,5. Тогда условие существования среднего вакуума можно записать в виде 5 10-з(К 1,5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В вакуумной установке при 1=293 К создан высокий вакуум, соответствующий давлению 10-э Па. Сколько молекул останется при этом в 1 м'? 2. Как изменится давление газа, если при неизменном объеме и темпера.
туре половину молекул заменить молекулами в два раза более тяжелого газа? 3. Чему равна максимально возможная быстрота откачки вакуумного насо. са, откачивающего вакуумную камеру при Т=293 К, если площадь его входного отверстия равна 0,1 мз? 4. Определить давление атмосферного воздуха на высоте 30 км, если на уровне моря оно равно 1О' Па? 5. Чем вызвано разделение вакуума по степеням: низкий, средний, высоний? 6. Каково соотношение между наиболее вероятной, среднеквадратичной н среднеарифметической скоростями гззовых молекул? 7. Определить, чему равен критернй Кнудсена, если вакуумная камера сфе.
рической формы и диаметром 0,5 м заполнена воздухом при Т=293 К и давлении 1О-' Па. 3. Найти среднюю длину свободного пути молекул воздуха при давлении 10-' Па и Т= 293 К. 9. Как изменится длина свободного пути молекул азота при изменении температуры от 300 до 600 К? 1О. Каковы давления воздуха в сферической вакуумной установке диамет.
ром 0,5 и н при Т=293 К, соответствующие переходу от низкого к среднему и от среднего к высокому вакууму? ГЛАВА 2 СОРБЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ $2,1. Энергия взаимодействия По мере снижения рабочего давления роль поверхностных яв- лений при получении и измерении вакуума непрерывно возраста- ет, Развитие откачных устройств и повышение точности пзмере- 23 2рвас 2 рс 3 ас! г 4 г ф — — + — — ~- гз 3 йТгз 4 га (2.1) где г — расстояние между молекулами; рз — дипольный момент молекулы; ар — поляризуемость; 7 — потенциал ионизации.
Порядок слагаемых в (2.1) соответствует последовательно энергии притяжения индукционного, ориентационного и дисперсионного эффектов взаимодействия. Величины этих эффектов для дву одинаковых молекул представлены в табл. 2.1. Для полярных молекул НйО и )я)Нз существенную часть всей энергии взаимодействия составляет ориентационный эффект.
Не- полярные молекулы взаимодействуют только за счет дисперсионного эффекта, возрастающего с увеличением атомного числа. Индукционный эффект мал для всех рассматриваемых молекул. Энергия притяжения при физическом взаимодействии обратно 24 ний давления в области сверхвысокого вакуума невозможны без изучения сорбционных процессов на границе газ — твердое тело. Процесс поглощения газов или паров твердыми телами независимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газов на поверхности твердых тел — адсорбцией.
Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Энергия взаимодействия молекул газа с поверхностью при физической адсорбции значительно меньше, чем при хемосорбции. Абсорбция — это поглощение газов в объеме твердых тел. В процессе абсорбции происходит растворение газа в объеме твердого тела, Вещество, поглошающее газ, называется сор бентом (адсорбентом, абсорбентом), а поглощаемое вещество — сорб атом (адсорбатом, абсорбатом). Выделение газов из твердого тела называется десорбцией. Сорбция — процесс экзотермический. При поглощении молекул газа выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физическую и химическую природу.
Физическая составляющая энергии взаимодействия определяется несколькими эффектами, обеспечивающими притяжение и отталкивание молекул. Индукз4ионном2 эффект притяжения при взаимодействии постоянного и индуцированного диполей имеет место, когда хотя бы одна из взаимодействующих молекул обладает постоянным дипольным моментом. Ориентаз4ионный эффект притяжения наблюдается для двух вращающихся молекул с постоянными диполь- ными моментами. Дислерсионнозй эффект притяжения объясняется взаимодействием флуктуируюших диполей, которые создаются электронами, вращающимися вокруг ядра. Энергию притяжения при физическом взаимодействии можно рассчитать по формуле Таблица 2.1 Индукционныс, орнснткционныа и дисксрсионныв знергии взаимодействия двух одинаковых молекул — ааl !С'а з 4 2 ",с„ з аг Зная зом общая энергия язаи- мааайатаия ю", дж Газы дж м' дж м' Дж м' 10 5710 з 1О 1,68 19,0 99,9 49,6 99,5 100 100 100 100 100 100 247 67,6 187 384 57,2 39,8 1 1,4 1,49 7,97 69,5 47,0 65,7 93,0 382 57,2 39,8 11,4 1,49 7,97 69,5 190 34 10 ' 84 3510 з 77 5 1О-з 45 910 з 4 8 5,10-з 5,35 0,44 НаО СО !ЧНз Н3 !чя Оа На Нс 14с Аг 25 пропорциональна шестой степени расстояния между взаимодействующими молекулами.
При химическом взаимодействии энергия притяжения Яя объясняется возникновением ковалентной или ионной связи. Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам, При нонной связи осуществляется взаимное электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов. Химическая связь в ряде случаев может носить смешанный характер. Отталкивание объясняется взаимодействием положительно заряженных ядер сближающихся молекл.
Энергия отталкивания обратно пропорциональна двенадцатой степени расстояния между молекулами: яс=В/гзй. С учетом всех эффектов энергию взаимодействия между двумя молекулами можно записать в виде ЛЯ=1сс — Яф — Я При Л1;~=0 наблюдается положение равновесия, при котором энергии отталкивания и притяжения одинаковы. Для нахождения энергии взаимодействия молекулы с поверхностью твердого тела необходимо просуммировать энергии взаимодействия молекулы с каждым атомом кристаллической решетки твердого тела.
Если расстояние между молекулой газа и поглощающей поверхностью велико по сравнению с расстоянием между атомами адсорбента, то можно применить интегрирование по объему, Энергия взаимодействия молекулы с твердым телом Ял, б)', (2.2) где л, и )г — концентрация и объем атомов адсорбента. т /а, нсмг/г 2а -гаа -ао а гаа тит пары масел нго Нг воадтх со гс'1О-а Дж/кмоль Е 10"а Дж/кмоль 90 ... 100 96 28 ... 33 25,3 9 0,8 12,6 6,3 12...20 5,7 92 45,3 Продолжение табл.
2.2 Аг СН, Теплоты На 6,5 9,2 0. 10- Дж/ Е 10-а Дж/амаль 11 ... 19. 5,6 13 ... 20 6,8 0,008 4,2 1,8 Теплота Вг О, 1О-' Дж/кмоль 238 276 240 344 292 350 259 441 415 После ннтегрнровання составляющая энергии, обеспечнвающая физическое притяжение, будет обратно пропорциональна третьей степенн, а отталкивание — девятой степени расстояния между молекулой н поверхностью. Прн физической адсорбцнн энергия взаимодействия обычно не превышает 100 10' Дж/кмоль. Теплота физической адсорбцнн некоторых газов на углероде представлена в табл.
2.2. Таблица 22 Теплоты фкзкческой адсорбцкк Я, н теплоты нспарекня Е некоторых газов на углероде Энергия взаимодействия для хемосорбцнн значнтельно больше, чем для физической адсорбцнн, н лежит в пределах (100... ...400) 10' Дж/кмоль. Теплота хемосорбцнн различных веществ на углероде представлена в табл. 2.3. Таблица 23 Теплоты хемосорбцнн некоторых веществ на углероде Уравнение (2.2) можно представнть в графической форме в анде потенциальных кривых, показанных на рнс.
2.1. С прнблнженнем к поверхности молекула вначале оказывается в первой потенцнальной яме. Прн этом наблюдается физическая адсорбцня. Молекула с энергией поступательного двнження й7"/2 будет колебаться внутри потенциальной ямы между ф1 н гфт. Если энергия молекулы более грф+гр„ю то югоатомная молекула днссоцннрует на атомы, которые могут хнмнческн взанмодей- 26 Ряс.
2.!. Потенциальная знергня взаимо- Ряс. 2.2. Изобзра поглощения действия многоатомных молекул с поверх- водорода на никелевом порошке постыл твердого тела: прн давлении 2,7 1О' Пв à — для хемосорбдии; à — для физической адсорб. дии ствовать с поверхностью, Прн этом атомы попадают во вторую потенцнальную яму н колеблются в ней между г,г н г,т. Следующим этапом процесса поглощения является абсорбция, которая характеризуется переходом хемосорбнрованных молекул газа в крнсталлнческую решетку твердого тела.
Десорбцня газа наблюдается в обратном порядке. Молекулы нз твердого тела переходят в хемосорбнрованное состоянне, откуда прн достаточно высокой энергии молекул йТ/2 грх+гракт онн могут покинуть поверхность. Для удаления молекул, находящнхся в первой потенциальной яме, должно соблюдаться условне нТ/2=.грф. Для реальных поверхностей с дефектами крнсталлнческой решетки теплота адсорбцнн не имеет постоянного значения н описывается функцией распределения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
