大气真空与平均自由程Word下载.docx
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大气不但有一定的重量,而且它又是由各种不同气体组成的,在地面上,标准大气的成份和它的分压强如下表所示。
成份
分子量
容积百分比
重量百分比
分压强(托)
N2(氮)
28.0134
78.084
75.520
593.44
O2(氧)
30.9988
20.948
23.142
159.20
Ar(氩)
39.945
0.934
1.288
7.10
CO2(二氧化碳)
44.00995
3.14×
4.8×
2.4×
10-1*
Ne(氖)
20.183
1.82×
1.3×
He(氦)
4.0026
5.24×
6.9×
4.0×
Kr(氪)
83.80
1.14×
3.3×
8.7×
Xe(氙)
131.30
6.6×
H2(氢)
2.01594
5×
3.5×
4×
CH4(甲烷)
16.04303
2×
1×
N2O(氧化二氮)
44.0123
8×
O3(臭氧)
47.9982
夏:
0~7×
冬:
0~2×
0~1×
0~0.3×
0~5×
10-5*
0~1.5×
SO2(二氧化硫)
64.0628
0~8×
10-4*
NO2(二氧化氮)
46.0055
0~3×
NH3(氨)
17.03061
0~痕迹量
CO(一氧化碳)
28.01055
I2(碘)
253.8088
0~9×
10-6*
在离地面较远的高空,稀薄的气体很容易电离。
雷电自然现象的研究使人类对气体放电的认识产生一个飞跃,英国物理学家Appleton(阿普莱顿)用实验证实了太空电离层的存在。
他因此而获得了诺贝尔奖金。
研究表明,电离层是由电子、正负离子和中性粒子为主要成份所组成的等离子体。
地球是一个大磁体,因此电离层中的等离子体的性质会受到地球磁场的巨大影响,由于地球的磁力线向两极会聚,使两极附近的带电粒子密度增加,使这里的稀薄气体发光电离。
这便是产生极光的原因之一。
现代科学理论认为,极光同太阳活动、地球磁场及高空空气密度有关。
我们知道,太阳不断地进行核反应,有大量的带电粒子进入宇宙空间,这些粒子以数百公里/秒的速度向地球飞来。
在地球磁力的作用下,这些粒子聚集在南北极附近,使稀薄的大气层电离,辐射出明亮的辉光。
这就是极光。
(二):
真空的涵义
真空一词来源于古希腊文中。
它的意思是“虚无”。
但物质的存在、物质的运动是绝对的,而物质量的多少,运动的形式和激烈的程度则是相对的,因此,真空也必然是相对存在的。
真空是相对于大气而存在的,在真空科学里,真空的定义是:
真空是指在给定空间内气压低于一个标准大气压力的气体状态。
在该空间内气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度。
分子之间或分子与其他粒子(如电子,离子)之间的碰撞就不那么频繁,分子在一定时间内碰撞于表面(比如器壁)上的次数亦相对减少。
19世纪初,真空技水取得重大进展,可以将容器内的压强抽到0.1托左右。
科学家得以在实验室内进行气体放电实验。
自然界中,存在着自然真空和人造真空两种真空状态。
天然真空是自然界本来就存在的一种自然现象,如人们深呼吸时可以使体内压强降到300mmHg,各种动物呼吸也是利用体内压强降低(真空)来实现的。
自然真空在辽阔的宇宙空间中比比皆是。
从海平面(760Torr)开始,高度每升高15公理,大气压强降低约一个数量级,直到高度为90公理处的压强为1.3×
Pa,在高度为400公理处的压强为1.3×
Pa,在高度为1000公理处的压强为1.3×
Pa,在高度为10000公理处的压强为1.3×
Pa。
珠穆朗玛峰顶的压强为221mmHg,目前世界上人造地球卫星最低高度为80公理;
真空度约为
mmHg,最高高度(约36000公里)的同步轨道卫星所处环境的真空度约为
mmHg,这种高度随压强的变化关系可用下式表示:
p高度为h处的压强;
P0海平面压强;
高度为h处的空间绝对温度(K);
k波尔兹曼常数(J/K);
空间粒子平均质量(Kg);
g中力加速度(kg/s2)。
在高度为200~1000公理处的气体主要成份为原子态的氮和氧,在高度为1500公理以上的气体主要成份为原子态的氢、质子和电子。
浩瀚无垠的太空就是一个无菌、高真空、高洁净、微重力的天然真空环境,在这种特殊的环境中,可以完成地面上无法做到的事情,如生产出高纯度的生物药品。
特殊的合金材料、高质量的巨型单晶、高透明度的磁性光学玻璃、高纯通信光纤及理想圆度的滚珠、高温涡轮叶片等。
人造真空环境是利用各种各样的抽气手段在不同的容器、器件中人为形成的,
它们已广泛应用于科学研究、工业化生产等领域,如:
保温瓶胆;
电灯炮;
激光管;
真空镀膜机;
电子显微镜中的真空都是用真空泵抽气而获得的,属于人造真空。
真空度的高低用气体的压强来描述,压强愈低,气态空间分子数越少,表示真空度愈高。
在真空技术中常用的压强单位有帕,托和毫米汞柱等,它们之间的换算关系如下表所示:
帕
(Pa)
托
(Torr)
微巴
(μba)
物理大气压
(ATM)
工程气压
(Kg/cm2)
1帕
=1牛顿/米2
7.5006×
9.869×
1.0197×
1托=1/760
国际标准大气压
1.3332
×
102
1.3332×
103
1.3158×
1.3595×
1微巴
=1达因/厘米2
10-1
9.8692×
1物理大气压
=1013250
达因/厘米2
1.0133
105
1.0133×
106
1.0332
1工程大气压=
1公斤/厘米2
9.8067
104
735.56
9.8067×
9.6784×
过去,真空科学领域中最常用的单位是“毫米水银柱”,为了方便起见,人们常常用“托”字来表示,以纪念托利拆里这位著名的科学家。
在数值上1托的压力值大致与1毫米水银柱的高度所产生的压力值相等。
因为纯水银在0℃时的比重为13.5951克/厘米3,所以在一平方厘米的表面上,1毫米水银柱所施加的力,就等于13.5951克力。
这里应当说明的是,测量稀薄气体状态的量从本质上来看,最好是采用气体分子密度,但是这个物理量在实际应用上是很不方便的。
B、真空区域的划分
有了度量真空度的单位,就可以定量的表示真空度的高低了。
但是,在习惯上当人们只需要定性地指出真空状态的大致情况时,采用划分真空区域的方法是比较方便的。
目前,划分真空区域的方法较多,主要考虑的因素是真空在技术上的应用特点、真空获得设备和真空检测仪表的有效适用范围,以及真空的物理特性等几个方面。
但是,我们认为,在真空状态中,真空度越高,气体状态越稀薄,气体分子的物理特性就逐渐发生变化,因此把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变的过程,作为划分真空区域的依据,是比较合适的。
根据我国所制订的国标GB3163的规定,真空区域大致划分如下:
低真空区域105~102Pa(760~1托)
中真空区域102~10-1Pa(1~10-3托)
高真空区域10-1~10-5Pa(10-3~10-7托)
超高真空区域〈10-5Pa(〈10-7托)
在(760~1托)的低(包括粗真空区域)区间,平均自由程λ<
<
容器线性尺寸d,分子间相互碰撞为主,气流状态主要是沾滞流;
平均吸附时间
气体分子飞行d距离的时间td,气体分子空间飞行为主,主要理论基础是气体分子运动论;
气体分子密度n很大,服从统计计规律。
处于低真空区域(包括粗真空区域)下的气体状态,与常压下气体状态相比,只有分子数目由多变少的量的变化。
在这个压强区域内,由于气体宏观量(如密度、温度等)在气体空间中分布的不够均匀,由于分子的热运动,分子将把这个量由较大的地方,迁移到较小的地方去,以便最终达到均匀的分布。
但是,在还没有达到均匀分布之前的气体状态虽然处于变化之中,但还没有引起质的变化。
同大气状态一样,这时气体的输运量仍与压力无关。
但是,尽管如此,分子数目减少这种量变过程对生产过程也起了极其重要的作用。
例如利用一面是大气,另一面是真空所造成的压力差或吸引力来做为巨大的能源;
把钢水置于真空之下进行浇注或处理,借以减少钢中有害气体的含量和杂质,从而提高钢的质量;
把食品或生物制品保存在真空容器里,借以减少有害气体对它侵蚀而延长保存时间;
如果在低真空里进行浓缩结晶,那就可以非常方便地制取盐、糖;
如果把低压环境下能使液体容易挥发的道理用于石油、化工,就可以通过“减压蒸馏”来分离某些不能在高温下操作的有机化合物。
所有这此,下面我们都要介绍。
气体状态与常压相比较,只有分子数目由多变少的变化,而无气体分子空间特性的变化,分子相互间碰撞频繁。
在(10~10-3托)低真空区间,λ≈d,这是一个过度区域。
气体分子间,分子与器壁间的相互碰撞不相上下,气体分子密度较小。
在(10-3~10-7托)高真空区间,λ>
d,气体分子与器壁碰撞为主,气流状态主要是分子流;
主要的理论基础是余弦定律:
沿着与面积元dS法线成θ角方向,在θ与θ+dθ之间所包括的立体角内dω=2πSinθdθ内飞来并碰在dS上的分子数与角θ的余弦成正比,即dN(θ)=
CosθdωdS。
分子间相互碰撞极少,分子与器壁间碰撞频繁。
气体分子密度小
当气体处于高真空区域时,空间的气体分子数已经减少到使气体分子之间的碰撞少于气体分子与盛装它的容器器壁的碰撞次数了。
这就引起了真空物理的质的变化。
这种质变首先表现在气体的内摩擦出现了滑动现象,气体的热传导也出现了温度剧增的现象。
与此同时,与大气和中真空状态下相反,压强已经与气体的输运现象有关了。
此外,在高真空区域如果气体各部分温度不同,还会出现热流逸、热辐射等在大气和中真空时所没有的新的物理性质。
在气体的流动性质上也有新的区别。
高真空的气体流动状态是分子流,低真空则为粘滞流。
由于这些特点,这一区域里的真空在生产和科学研究部门的应用,就更为广泛了。
诸如电真空器件工业、高真空镀膜工业;
电子显微镜、基本粒子加速器;
真空冶金工业中对稀有金属、难熔金属的冶炼、制取和提纯;
真空热处理、真空焊接等等,都要用到高真空技术。
在(〈10-7托〉超高真空区间,分子数目极为稀少,平均吸附时间
≥气体分子飞行d距离的时间td,气体分子在器壁上吸附停留为主(清洁表面形成一个单分子层的时间已大于1分钟,统计涨落现象已较严重(>5%),经典的建立于统计规律之上的理论在这里都产生了偏离),主要理论基础是表面物理和表面化学。
在中真空和高真空区域里,空间的物理过程起主要作用,但在超高真空区域中,取代这个作用的是与真空接触的物理表面上所发生的物理过程。
这种变化的结果,使“真空”又一次从气体分子数目的量变而产生了又一个新的质变。
这种变化表现在气体分子在与真空接触的物理表面间的吸附和脱附过程之中。
研究这一过程的科学目前正在飞速地发展着,这就是表现物理和表现化学以及超细微粒的制备和应用等方面。
(三):
平均自由程
分子平均自由程比较大是“真空”的主要特点:
单一种类气体分子的平均自由程为(每个分子相邻两次碰撞的距离统计平均值称为平均自由程):
含有K种粒子的混合气体的平均自由程为:
式中
为i类粒子在含有K种粒子混合气体中的平均自由程,
是气体分子的有效直径,m为粒子的分子量,n为粒子的分子密度。
下标i、j分别代表第i、j种气体成份的参数。
常温下,大气分子平均自由路程、大气分子密度、每秒钟碰撞到每平方厘米表面积上的分子数与大气压力的关系如下表所示:
大气压力(托)
平均自由路程
[厘米]
102
10–4
10-11
108
1013
电子或离子的平均自由程(指电子或离子在气体中运动时与气体分子连续二次碰撞间所走过的路程统计平均值,而没有考虑电子或离子本身之间的碰撞,所以电子和离子平均自由程计算式中出现的都是气体分子的参数,而与电子或离子的空间密度无关。
)不能用上式计算,因电子的速度一般比气体分子热运动速度大得多,并不服从麦克斯韦分布,其计算公式如下:
气体分子的某一次自由程取值完全是随机的,但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律。
气体分子自由程大于一给定长度x的几率为:
类似地可得出,电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度x的几率为:
利用这种分布规律,结合平均自由程计算公式,可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率,或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度。
例如:
一台离子束真空设备中,高能离子流由离子源射向25cm处的靶,若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5%,那么温度为27℃的残余气体压力应为多少?
根据题意,可知当x=0.25cm,要求Pi(λI>
x)≥1%-5%,由式,解出
则λi≥0.25/(-In0.95),即≥4.87m。
再此结果代入式得
≥4.87m;
取空气的分子有效直径б=3.72×
10-10m,则要求残余气体压力P≤1.38×
10-23×
300/
(π×
3.722×
10-20×
4.87),即P≤1.95×
10-3Pa。
常温下低压空间中大气的分子密度
大气分子密度(个/厘米3)
2.5×
1019
109
240
9.7×
1018
1018
1.8×
108
1017
107
1016
106
1015
1014
104
1012
1011
101
1010
常温下气体分子在每秒钟内碰撞到一平方厘米表面积上的个数
每秒钟碰撞到每平方厘米
表面积上的分子数
[个/厘米2.秒]
3×
1023
3.54×
1021
1022
1020
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