Физика в вакуумных технологиях


Физика в вакуумных технологиях.

Физика в вакуумных технологиях – общеобразовательная статья от molchanovserg .

В этой статье представлена ​​некоторая основная информация о состояниях вещества и понимание того, как чрезвычайно маленькие молекулы газа и пара перемещаются внутри вакуумной системы. Это поможет вам визуализировать, как работают вакуумные системы, например вакуумный сушильный шкаф. И понять трудности, связанные с созданием достаточно низкого давления.

Состояния вещества – Физика в вакуумных технологиях.

Любое вещество состоит из атомов, и некоторые атомы соединяются с другими в химической реакции, образуя молекулы. Например, вода состоит из двух атомов водорода в сочетании с одним атомом кислорода (H 2 O). Некоторые газы, такие как аргон (Ar), гелий (He) и неон (Ne), вряд ли будут объединяться с аналогичным или несходным атомом, в то время как другие, такие как водород, азот и кислород, обычно объединяются с идентичным атомом, образуя молекулу ( H 2 , O 2 и N 2 ) и называются двухатомными.

Выделяют три агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное. Некоторые вещества могут существовать в каждом из трех состояний. Например, вода, которая может быть льдом (твердым), водой (жидкостью) и паром (паром), в зависимости от давления и температуры окружающей среды. Другой пример – двуокись углерода, которая также может существовать во всех трех состояниях.

Твердое состояние.

В твердом теле атомы тесно связаны друг с другом в фиксированных положениях друг относительно друга межатомными силами. Следовательно, твердое тело имеет фиксированный объем при определенном давлении и температуре. Изменения температуры изменяют энергию атомов и вызывают крошечные колебания вокруг их положения, но связи относительно сильны, и большинство твердых тел могут выдерживать разумные изменения температуры без разрушения, за исключением небольшого расширения или сжатия при изменении температуры. Несмотря на то, что твердое тело кажется «твердым», между отдельными молекулами очень маленькие промежутки. Металлические твердые частицы, которые являются наиболее распространенными в вакуумных печах и в индустрии термообработки, все имеют точку плавления, и если увеличить достаточно температуру, твердое вещество в конечном итоге превратится в жидкость. Эта жидкость, если увеличить еще больше температуру, в конечном итоге испарится и превратится в пар.

Вакуумные камеры должны быть изготовлены из отборных металлов, которые, конечно, могут выдерживать высокую температуру процесса. Они также должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать технологическое давление выше или ниже окружающего атмосферного давления. Еще одно требование к материалам вакуумной камеры состоит в том, чтобы материал имел низкое давление пара, то есть он не выделялся при температуре процесса. Давление паров большинства металлов очень низкое и не ограничивает их использование. Однако следует избегать сплавов, содержащих, например, кадмий и цинк, когда высокая температура является частью процесса. Кадмий используется для пластин некоторых стальных винтов, а латунь содержит цинк. Пары, выделяющиеся из горячих металлов, будут конденсироваться на любой прилегающей более холодной поверхности.

Жидкое состояние.

В жидкости атомы и молекулы не имеют фиксированного положения и находятся в постоянном беспорядочном движении в объеме жидкости. Атомы и молекулы все еще очень близки друг к другу и удерживаются межатомными силами. Если в жидкости увеличить температуру, атомы и молекулы получат дополнительную энергию и начнут двигаться более энергично. При наличии достаточной энергии некоторые атомы и молекулы преодолеют силы связи и высвободятся из жидкости. Это точка кипения.

В вакуумной камере обычно нет жидкости. Гораздо большее беспокойство вызывают газообразное состояние и молекулы пара.

Газообразное состояние.

В газе атомы и молекулы обычно гораздо дальше друг от друга, чем в твердых телах и жидкостях. В воздухе при атмосферном давлении и комнатной температуре реальное пространство, занятое атомами и молекулами, составляет около 0,01 процента или одну десятитысячную объема. Эквивалент твердой меди составляет около 74 процентов или около трех четвертей.

В воздухе молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении, обычно по прямой линии, и межатомные силы имеют незначительное влияние из-за пространства между молекулами. Движущиеся молекулы будут постоянно сталкиваться с другими молекулами, а затем удаляться в другом направлении. Эти столкновения происходят примерно 10 000 000 000 раз в секунду при атмосферном давлении.

В атмосфере на Земле, при ветре и изменениях температуры, молекулы воздуха будут находиться в областях, которые могут иметь разную плотность молекул. Затем синоптики (метеорологи) говорят об этих областях как об областях высокого давления (более плотные) или низкого давления (менее плотные). В районах с высоким давлением обычно бывает хорошая погода, а в районах с низким давлением – плохие новости, они приносят дождь или снег, а также сильный ветер. Молекулы будут стремиться перемещаться из областей с более высоким давлением в области с низким давлением, чтобы уравновесить давление.

Внутри вакуумной системы при атмосферном давлении до того, как насосы начнут откачку, плотность молекул газа будет одинаковой во всех частях системы. Плотность молекул газа изменяется по мере откачивания камеры от относительно высокой плотности в начале (атмосферного давления) до более низкой плотности в условиях вакуума.

На начальной стадии предварительной откачки, когда механические вакуумные насосы удаляют молекулы газа из вакуумного трубопровода, молекулы в основной вакуумной камере движутся в сторону более низкого давления (более низкой плотности) на входе вакуумного насоса. Более низкое давление создается механизмом вакуумного насоса, поскольку он втягивает молекулы газа, а затем выбрасывает их обратно в атмосферу через выхлопную линию. Со временем давление в основной камере снижается до необходимого для высокого вакуума. В этот момент плотность молекул настолько мала, а расстояние между молекулами настолько велико, что газ больше не «течет».

Пары и давление насыщенных паров.

Если оставить емкость с водой открытой для атмосферы, она будет медленно испаряться даже при комнатной температуре. У некоторых молекул будет достаточно энергии, чтобы высвободиться с поверхности воды и стать частью окружающего воздуха. Окружающий воздух обычно называют ненасыщенным. Он может принимать больше молекул пара.

Если та же самая миска с водой была помещена в закрытую емкость, например, под колпаком, некоторые молекулы все равно испаряются или покидают поверхность воды и становятся частью воздуха внутри колпака. В то же время из-за замкнутого объема некоторые молекулы воды из воздуха будут контактировать с поверхностью воды и снова конденсироваться в жидкость. В какой-то момент количество молекул воды, покидающих поверхность (испарение), будет равно количеству молекул воды, присоединяющихся к жидкости (конденсация), и объем воздуха считается насыщенным. Давление, которое воздух оказывает на жидкость, называется давлением насыщенного пара. Скорость испарения уменьшается с уменьшением температуры. Поскольку молекулы имеют меньше энергии, давление насыщенного пара также будет уменьшаться.

Температура, необходимая для кипячения воды, составляет 100 ° C при 760 мм рт.ст. (атмосферное давление на уровне моря), 75 ° C при 248 мм рт. ст. (вершина Эвереста) и 20 ° C (комнатная температура) при 18 мм рт. ст. (внутри вакуумной камеры).