Поняття про вакуум

Тиск газу Р у системі визначається кількістю частинок n в одиничному об’ємі та їх середньою швидкістю U:

. (1.1)

Зменшення концентрації молекул веде до зниження тиску в системі. Стан газу в обмеженому об’ємі при сталому тиску, який є нижчим за атмосферний, має назву вакуум.

Відповідно ГОСТу 5297-70 визначають чотири стани розрідженого газу:

- низький вакуум − область тиску, вища за 100 Н/м² (вища за 1 Тор, при якому середня довжина вільного пробігу значно менша за лінійні розміри, які важливі для даного процесу, наприклад лінійні розміри відкачаного об’єму: λ<<d);

- середній вакуум – область тиску від 100 до 10^-1 Н/м² (при якому середня довжина вільного пробігу сумісна з лінійними розмірами важливими для даного процесу: λ ~d);

- високий вакуум – область тиску від 10^-1 до 10^-5 Н/м² (середня довжина вільного пробігу значно вища за лінійні розміри, які важливі для даного процесу);

- надвисокий вакуум – область тиску нижча за 10^-5 Н\м² (при якому не відбувається помітного змінювання властивості поверхні, що початково була вільною від адсорбованого газу, за значний для діючого процесу час).

Визначаючи стан розрідженого газу за допомогою довжини вільного пробігу молекул треба мати на увазі, що вона визначається концентрацією молекул та їх ефективним перерізом σ:

, (1.2)

і тоді з урахуванням (1.1) можна записати:

. (1.3)

Цей вираз встановлює прямий зв’язок між тиском газу та довжиною вільного пробігу його молекул. Для прикладу в таблиці 1.1 є значення середньої довжини вільного пробігу молекул повітря при різних значеннях тиску при 20⁰С.

Таблиця 1.1- Середня довжина вільного пробігу молекул при різних значеннях тиску

2.ВИМІРЮВАННЯ ВАКУУМУ

Для виміру вакууму залежно від ступеня розрідження можна користуватися манометрами наступних видів:

-U-подібний;

-компресійний;

-тепловий;

-іонізаційний;

2.1. U-подібний манометр

Ці манометри являють собою скляні трубки, зігнуті у вигляді літери U та заповнені рідиною (частіше - ртуттю). Один кінець трубки є запаяним.Перед початком вимірювань запаяне коліно заповнюється ртуттю, а відкрите - з'єднується з посудом, у якому треба виміряти тиск. У процесі відкачування по мірі змінювання тиску ртуть у відкритому коліні піднімається. Установлена різниця рівнів h дорівнює різниці тиску в обох колінах, яка має бути виміряна у відповідних одиницях довжини ртутного стовпа (наприклад, у мм. рт. ст. або Тор):

h=P₁-P₂ , (2.1)

де P-тиск пари ртуті.

Подібними манометрами можна вимірювати тиск до 10^-1Тор. При цьому відкрите коліно у тій своїй частині, яка відповідає тиску близько десятих долей Тор, виконується з малим нахилом до горизонту. Якщо P₁<<P₂, можна приблизно рахувати:

P=h. (2.2)

2.2. Компресійний манометр (манометр Мак-Леода)

Загальний вид манометра наведений на рис.2.1.

Він складається з чашки, наповненої ртуттю, скляного балона (3), що закінчується трубкою (2), яка переходить в капіляр (4) та розгалужених трубок (5) і (6). Верхній кінець капіляра запаяний. Капіляр (5) має такий діаметр, як і (4). За допомогою трубки (6) манометр з'єднується з посудом, який евакуюється.

Принцип дії: якщо піднімати чашку (1), яка під'єднана до гумової трубки (7), то рівень ртуті у лівому коліні буде підніматися. Ртуть буде поступово заповнювати балон (2) та розгалужені трубки (5) і (6). У той момент, коли ртуть досягне розгалуження трубок, газ у балоні відсікається від газу в об'ємі,що відкачується. В цей момент тиск у балоні дорівнює тиску,що вимірюється. Нехай V-об'єм відсіченої частини, яка складається з об'єму балона (3), трубки (2), капіляра (4), V₁-об'єм незаповненої частини балона з трубкою, а P₁-тиск у цій частині.

Відповідно закону Бойля-Маріотта:

, тоді (2.3)

Звідси

(2.4)

Звичайно рівень ртуті доводять до міток на балоні, які вказують величину V₁.Отже,якщо є відомим V, то вимірюване значення зводиться до визначення h. Цей метод придатний тоді, коли вимірюваний тиск ще великий і піднімаючи чашку (1), ртуть не можна довести до капіляра.

При більш низькому тиску вимірювання зручно проводити в слідуючому порядку: чашку (1) піднімаємо так, щоб ртуть у капілярі (5) встановлювалася на рівні верхнього кінця капіляра (4).

1– балон; 2– вимірюючий балон; 3- з¢єднаний трубопровід; 4– азотний вловлювач; Т – трубка; к1; к2 – капіляри; h – різниця рівнів в зачиненому та порівняльному капілярах

Рисунок 2.1 – Компресійний манометр

Об'єм незаповненої частини капіляра V₁ значно менший за об'єм V, отже вираз (6.4) можна переписати у вигляді:

(2.5)

У цьому випадку об'єм V₁ можна обчислити,якщо відомий

внутрішній діаметр d капіляра (4).

,

(2.6)

величина постійна для данного манометра.

Тоді:

(2.7)

Із формули (6.7) витікає, що Р пропорційний h². За допомогою компресійних манометрів можна вимірювати тиск від 10 до 10^{- 6} Тор.