2真空物理基础

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1、第2讲真空物理基础张世伟张振厚为了阐述真空技术屮经常遇到的一些物理知识,特别是那些在真空行业中会经常遇到的—些基本物理定律和相关的理论问题，如理想气体定律、气体与蒸气的性质，气体内部各种动力过程的规律以及气体少固体间相互作用的规律等一系列问题，对真空物理中的一些问题进行一些介绍是十分必要的。2.1理想气体定律及具状态方程木节所介绍的定律及相关公式是针对平衡状态下，符合理想气体的有关假设条件的前提下而得出的。由于在真空技术中研究的气体大多数处于常温和低压状态下，因此在工程计算中应用这些定律基本上是符合实际的。现就有关问题分述如下

2、：2.1.1气体定律气体的压力p(Pa)、体积V(n?)、温度T(K)和质量m(kg)等状态参量间的关系，服从下述气体实验定律：2.1.1.1波义耳一马略特定律：一定质量的气体，当温度维持不变时，气体的压力和体积的乘积为常数。即：pV-常数2-12.1.1.2盖•吕萨克定律：一定质量的气体，当压力维持不变时，气体的体积与其绝对温度成正比，EIJ：工=常数厶2T2.1.1.3查理定律：一定质量的气体，当体积维持不变时，气体的压力与其绝对温度成正比,即：P2-3£■常数T上述三个公式习惯上称为气体三定律。具体应用方式常为针对由一个

3、恒值过程连结的两个气体状态，已知3个参数而求第4个参数。例如：初始压力和体积为比、W的气体，经等温膨胀后体积变为V?,则由波义耳一马略特定律，即可求出膨胀后的气体压力为P2=P1V1A^2o这正是各种容积式真空泵最基本的抽气原理。2.1.1.4道尔顿定律：相互不起化学作用的混合气体的总压力等于各种气体分压力之和，即：P二P1+P2+Pn2-4这里所说的混合气体屮某一组分气体的分压力，是指这种气体单独存在时所能产生的压力。道尔顿定律表明了各组分气体压力的相互独立和可线性叠加的性质。2.1.1.5阿佛加徳罗定律：等体积的任何种类气

4、体，在同温度同压力下均有相同的分子数，或者说，在同温度同压力下，相同分子数目的不同种类气体占据相同的体积，人们把lmol任何气体的分子数目Na叫做阿佛加德罗数,NA=6.022X1023mor,o在标准状态下(Po=l.O1325XlO5Pa,To=O°C),lmol任何气体的体积V。称为摩尔体积。V0=2.24X10'2m3/molo根据上述气体定律，可得到反映四个气体状态参量P、V、T、mZ间定量关系的理想气体状态方程：pV=—RT2-5M式中的M为气体的摩尔质量(kg/mol),R为普适气体常数,R=8.31J/(mol

5、.K)o在已知p、V、T、m四参量中的任意三个量时，可由此式求出另外一个量的值。例如气体的质虽m=Pvm/RTo一定质量的气体，山一个状态(参量值为Pi、X、T

6、)经过任意一个热力学过程(不必是恒值过程)变成另一状态(参量值为P2、V2、T2),根据状态方程，可得P1V1/T1=P2V2/T22-6对(2-5)变换，还可计算单位体积空I'可内的气体分子数目和气体质量，即气体分子密度n(m3)和气体密度P(kg/m3)mgMVPgRT°FpM~RT2-8系数k=R/NA=1.38X10-25J/K称为波尔兹曼常数。2.2气体分了

7、运动论基础221处于平衡状态的理想气体分子，其热运动速度的分布服从麦克斯违速度分布定律。气体分子热运动速率介于u-u+du之间的儿率为-=F(u)du=4^(m°)3•exp(-m°P)•v2dv2-9N2;ikT2kT式中F(u)中速率u(m/s)的连续函数，称为速率分布函数。M尸M/Na,称为一个气体分了的质量(kg)o利用速率分布函数，可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。最可儿速率-是在气体分了所具有的各种不同热运动速率中出现几率最人的速度，即与F(v)最人值相对应的u值;所有气体分子热运动速度的算术平均值叫做算

8、术平均速度把-所有气体分子的速度的平方加起來，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度“°它们的计算式分别为：2RT一SRT2.2.2理想气体的压力基本公式，压力定量联系起來：1212p=-nm()us=~P^s223气体中一个分了与其它分了每连续二次碰撞Z间所走过的路程称为自由程，自电程有长有短，差异很大，但大量白由程的统计平均值却是一定的，称为平均白由程(m)。I单一种类气体分子的平均自由程为在1_灯427r

9、气体，则6+Jn.i/2-13式屮&是气体分子的有效直径(m),下标1、j分别代表第1、j种气体成份的参数。还可定义电子和离子在气体中运动的平均自由程屁和右(m)o需要强调说明的是，这里所说电子或离子的口由程，是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，