Что такое вакуум. Основы вакуумной техники

Вакуумом (от латинского vacuum – пустота) называют состояние разряженного газа, когда его давление значительно ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление.

В технике низких давлений часто используются выражения, подобные следующим: «Давление минус четвертая, откачал до минус пятой». Имеется в виду давление в вакуумной системе, соответственно 10 –4 и 10 –5 мм рт. ст. Характер протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул остаточного газа со стенками сосуда и числом взаимных столкновений молекул. Это соотношение, вообще говоря, характеризует число молекул в рассматриваемом объеме (вакуумной камере). Численно это соотношение характеризуется отношением средней длины свободного пробега молекул X к характерному (определяющему) линейному размеру s рассматриваемого объема. Это отношение положено в основу разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий вакуум.

Низкий вакуум – λ << s – соответствующая область давлений от атмосферного до 100 Па (около 1 мм рт. ст.). Средний вакуум – λ ≈ s – соответствующая область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум – λ >> s – соответствующая область давлений от 0,1 до 10 –5 Па. Сверхвысокий вакуум характеризуется тем, что не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свобод­ной от адсорбированного газа, за время, существенное для рассматриваемого процесса. К сверхвысокому вакууму относят область давлений ниже 10 –5 Па.

Степень разрежения, достигаемая в откачиваемых объемах, определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием как минимум трех процессов: 1) откачки газа с помощью насосов (или какого-либо его поглощения); 2) натекания газа через зазоры в рассматриваемом объеме; 3) газовыделения от стенок сосуда (или газопроникновения через них).

Здесь необходимо отметить, что абсолютно герметичных сосу­дов не существует. Немаловажным является понятие «чистоты» вакуума. Дело в том, что при использовании различного рода механических или пароструйных насосов в откачиваемый объем могут попадать молекулы рабочей жидкости насоса, например, масла, и тем самым искажать состав остаточного газа. Кроме того, следует иметь в виду, что скорость откачки различных газов неодинакова, и, начиная откачивать объем, заполненный воздухом, где основные компоненты азот (~ 80 %) и кислород (~ 20 %), при давлении порядка 10 -5 мм рт. ст. в камере получают совершенно иное соотношение остаточных компонентов.

Приборы, предназначенные для измерения давления, значи­тельно ниже атмосферного, называют вакуумметрами. Вакуумметры состоят из преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). ПД – устройство, присоединяемое к вакуумной камере для непосредственного восприятия давления и преобразования его в другую физическую величину, подлежащую измерению. ИБ – устройство, обеспечивающее требуемый режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.

Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления. По методу измерения различают вакуумметры, основанные на абсолютных или косвенных измерениях.

К первой группе относят вакуумметры, непосредственно измеряющие давление как силу, действующую на поверхность чувствительного элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, характеризующиеся независимостью показаний от рода остаточного газа. Наименьшее давление, которое можно измерить приборами этой группы, составляет 10 –4 – 10 –5 Па.

Ко второй группе относят вакуумметры, принцип действия которых основан на использовании зависимости параметров некоторых физических процессов от давления. Это ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры.

Показания вакуумметра косвенного метода измерения зависят от рода остаточного газа. Градуировку таких приборов обычно проводят по воздуху или азоту, а для измерения давления других газов используют поправочные коэффициенты. Приборы этой группы позволяют измерять давления до 10 –12 Па. Принцип действия жидкостных вакуумметров (рис. 6.19) основан на уравновешивании измеряемого давления (или разности давлений) давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости.

ПростейшийU -образный вакуумметр представляет собой изогнутую в виде буквы U стеклянную трубку постоянного сечения, заполненную жидкостью. Внутренний диаметр трубки во избежание погрешностей, вызванных действием капиллярных сил, должен быть не менее 7 мм. Один конец трубки соединяют с вакуумной системой (Р Х ), а другой может быть открытым или закрытым. Давление в закрытом колене должно быть значительно меньше измеряемого. Измеряемое давление рассчитывают по формулам:

с

Рис. 6.19. Принцип действия

жидкостного вакуумметра

; (6.6)

с закрытым коленом –

, (6.7)

где Р А – атмосферное давление;
– плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; Δ h – разность уровней жидкости.

Диапазон измеряемых значений давления зависит от жидкости, геометрических размеров прибора и способа измерения разности уровней, для чего используют различные методы – от обычной линейки с миллиметровыми делениями до интерференционных методов. В последнем случае точность отсчета уровней составляет ~10 –5 мм, а предел измерения давления –10 –3 Па.

В качестве рабочих жидкостей выбирают жидкости с малым давлением насыщенного пара и малой способностью к растворению газов. Для измерения давления, близкого к атмосферному, необходимо выбирать жидкость с большой плотностью (обычно ртуть), а для измерения малых давлений – жидкости с минимальной плотностью (часто используют вакуумное масло).

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента, происходящей под действием разности давлений. Такие вакуумметры различают по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации.

По типу чувствительного элемента – трубчатые, сильфонные, мембранные. В трубчатых и сильфонных вакуумметрах подвижную часть чувствительного элемента через систему зубчатых передач соединяют со стрелкой, по отклонению которой судят о давлении.

В мембранных вакуумметрах для определения прогиба мембраны используют оптические, но чаще электрические методы. В последнем случае прогиб измеряют с помощью тензопреобразователей либо применяют емкостной метод, при котором мембрана совместно с неподвижным электродом образует конденсатор, емкость которого меняется при изменении давления. При незначительных прогибах относительное изменение емкости прямо пропорционально изменению давления. Мембранные преобразователи позволяют измерять давление от атмосферного до 10 –4 Па (о чем уже упоминалось при описании емкостных датчиков).

Согласно определению в физике, концепция "вакуума" предполагает отсутствие какого-либо вещества и элементов материи в определенном пространстве, в этом случае говорят об абсолютном вакууме. Частичный же вакуум наблюдается тогда, когда плотность находящегося вещества в данном месте пространства является низкой. Рассмотрим подробнее этот вопрос в статье.

Вакуум и давление

В определении концепции "абсолютный вакуум" речь идет о плотности вещества. Из физики же известно, что если рассматривается газообразная материя, то плотность вещества является прямо пропорциональной величиной давлению. В свою очередь, когда говорят о частичном вакууме, то подразумевают, что плотность частиц материи в данном пространстве меньше, чем таковая для воздуха при нормальном атмосферном давлении. Именно поэтому вопрос вакуума - это вопрос давления в рассматриваемой системе.

В физике абсолютное давление - это величина, равная отношению силы (измеряется в ньютонах (Н)), которая перпендикулярно приложена к некоторой поверхности, к площади этой поверхности (измеряется в квадратных метрах), то есть P = F/S, где P - давление, F - сила, S - площадь поверхности. Единицей измерения давления является паскаль (Па), получается, что 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м 2 ].

Частичный вакуум

Экспериментально установлено, что при температуре 20 °C на поверхности Земли на уровне моря атмосферное давление составляет 101 325 Па. Это давление получило название 1-й атмосферы (атм.). Приблизительно можно сказать, что давление в 1 атм. равняется 0,1 МПа. Отвечая на вопрос о том, сколько составляем соответствующую пропорцию и получаем, что 1 Па = 10 -5 атм. Частичный вакуум соответствует любому давлению в рассматриваемом пространстве, которое меньше 1 атм.

Если переводить указанные цифры с языка давлений на язык количества частиц, тогда следует сказать, что при 1 атм. в 1 м 3 воздуха содержится приблизительно 10 25 молекул. Любое уменьшение названной приводит к образованию частичного вакуума.

Измерение вакуума

Самым распространенным прибором для измерения небольшого вакуума является обычный барометр, который можно использовать только для случаев, когда давление газа составляет несколько десятков процентов от атмосферного.

Для измерения более высоких значений вакуума используют электрическую схему с мостом Уитстона. Идея использования заключается в измерении сопротивления чувствительного элемента, которое зависит от окружающей его концентрации молекул в газе. Чем больше эта концентрация, тем больше молекул ударяются о чувствительный элемент, и тем больше тепла он им передает, это приводит к уменьшению температуры элемента, которая влияет на его электрическое сопротивление. Этим прибором удается измерять вакуум с давлениями в 0,001 атм.

Историческая справка

Интересно отметить, что понятие "абсолютный вакуум" полностью отвергалось известными древнегреческими философами, например Аристотелем. Кроме того, о существовании атмосферного давления не было известно до начала XVII века. Только с приходом Нового времени начали проводиться эксперименты с трубками, наполненными водой и ртутью, которые показали, что земная атмосфера оказывает давление на все окружающие тела. В частности, в 1648 году Блез Паскаль смог измерить с помощью ртутного барометра давление на высоте 1000 метров над уровнем моря. Измеренное значение оказалось намного меньшим, чем на уровне моря, тем самым ученый доказал существование атмосферного давления.

Впервые эксперимент, который явно продемонстрировал силу атмосферного давления, а также подчеркнул концепцию вакуума, был проведен в Германии в 1654 году, в настоящее время он известен под названием "эксперимент с магдебургскими сферами". В 1654 году немецкий физик Отто фон Герике смог плотно соединить две металлические полусферы диаметром всего 30 см, а затем выкачал из полученной конструкции воздух, создав тем самым частичный вакуум. История повествует, что две упряжки по 8 лошадей в каждой, которые тянули в противоположные стороны, не смогли разъединить эти сферы.

Абсолютный вакуум: существует ли он?

Иными словами, существует ли место в пространстве, которое бы не содержало никакой материи. Современные технологии позволяют создать вакуум 10 -10 Па и даже меньше, однако это абсолютное давление не означает, что в рассматриваемой системе не остается частиц материи.

Обратимся теперь к самому пустому пространству во Вселенной - к открытому космосу. Какое давление в вакууме космоса? Давление в космическом пространстве вокруг Земли составляет 10 -8 Па, при этом давлении существует около 2 млн молекул в объеме 1 см 3 . Если говорить о межгалактическом пространстве, то по оценкам ученых даже в нем существует как минимум 1 атом в объеме 1 см 3 . Более того, наша Вселенная пронизана электромагнитным излучением, носителями которого являются фотоны. Электромагнитное излучение - это энергия, которую можно перевести в соответствующую массу по знаменитой формуле Эйнштейна (E = m*c 2), то есть энергия, наряду с веществом, является состояние материи. Отсюда следует вывод, что абсолютного вакуума в известной нам Вселенной не существует.

И технике под ним подразумевают среду, в которой газ содержится под давлением меньше атмосферного. Что такое разреженные газы, когда о них узнали впервые?

Страницы истории

Идея пустоты на протяжении многих веков была предметом спора. Разреженные газы пытались анализировать древнегреческие и древнеримские философы. Демокрит, Лукреций, их ученики считали: если бы между атомами не было свободного пространства, их движение было бы невозможно.

Аристотель и его последователи опровергали эту концепцию, по их мнению, в природе не должно быть «пустоты». В средние века в Европе идея «боязни пустоты» стала приоритетной, ее использовали в религиозных целях.

Механики Древней Греции при создании технических устройств основывались на К примеру, водяные насосы, которые функционировали при создании над поршнем разрежения, появились во времена Аристотеля.

Разреженное состояние газа, воздуха, стало основой для изготовления поршневых вакуумных насосов, которые широко применяются в настоящее время в технике.

Их прототипом был знаменитый поршневой шприц Герона Александрийского, созданный им для вытягивания гноя.

В середине семнадцатого века была разработана первая вакуумная камера, а спустя шесть лет немецкому ученому Отто фон Герику удалось изобрести первый вакуумный насос.

Этот поршневой цилиндр легко откачивал воздух из герметичной емкости, создавал там вакуум. Это позволило изучить основные характеристики нового состояния, проанализировать его эксплуатационные свойства.

Технический вакуум

На практике разреженное состояние газа, воздуха именуют техническим вакуумом. В больших объемах невозможно получать такое идеальное состояние, так как при определенной температуре материалы имеют ненулевую плотность насыщенных паров.

Причиной невозможности получения идеального вакуума также является пропускание стеклянными, металлическими стенками сосудов газообразных веществ.

В небольших количествах вполне можно получать разреженные газы. В качестве меры разряжения используют длину беспрепятственного пробега молекул газа, которые хаотично сталкиваются, а также линейный размер используемого сосуда.

Между высоковакуумным насосом и атмосферным воздухом ставится форвакуумный нанос, который создает предварительное разрежение. В случае последующего понижения в камере давления наблюдается увеличение длины пробега частиц газообразного вещества.

При показателях давления от 10 -9 Па создается сверхвысокий вакуум. Именно такие разреженные газы используют для проведения экспериментов с применением сканирующего туннельного микроскопа.

Получить такое состояние в порах некоторых кристаллов удается даже при атмосферном давлении, так как диаметр пор намного меньше длины пробега свободной частицы.

Приборы на основе вакуума

Разреженное состояние газа активно применяется в приборах, которые называются вакуумными насосами. Для всасывания газов и получения определенной степени вакуума применяют геттеры. Вакуумная техника также подразумевает многочисленные приборы, которые необходимы для контроля и измерения данного состояния, а также для управления предметами, проведения различных технологических процессов. Самыми сложными техническими устройствами, в которых применяются разреженные газы, являются высоковакуумные насосы. Например, диффузионные приборы функционируют на основе движения молекул остаточных газов под действием потока рабочего газа. Даже в случае идеального вакуума при достижении конечной температуры существует незначительное тепловое излучение. Это объясняет основные свойства разреженных газов, например, наступление теплового равновесия через определенный временной промежуток между телом и стенками вакуумной камеры.

Разреженный одноатомный газ является отличным термоизолятором. В нем перенос тепловой энергии осуществляется только с помощью излучения, теплопроводность и конвекция не наблюдаются. Данное свойство применяется в (термосах), состоящих из двух емкостей, между которыми располагается вакуум.

Вакуум нашел широкое применение и в радиолампах, например, магнетронах кинескопов, микроволновых печей.

Физический вакуум

В квантовой физике под таким состоянием подразумевают основное (низшее) энергетическое состояние квантового поля, которое характеризуется нулевыми значениями

В таком состоянии одноатомный газ не является абсолютно пустым. Согласно квантовой теории, в физическом вакууме систематически появляются и исчезают виртуальные частицы, что вызывает нулевые колебания полей.

Теоретически одновременно могут существовать несколько разнообразных вакуумов, которые отличаются между собой плотностью энергии, а также иными физическими характеристиками. Эта идея стала основой в инфляционной теории огромного взрыва.

Ложный вакуум

Под ним подразумевается состояние поля в квантовой теории, не являющееся состоянием с минимальной энергией. Оно стабильно на протяжении определенного временного промежутка. Есть вероятность «туннелирования» ложного состояния в истинный вакуум при достижении необходимых значений основных физических величин.

Космическое пространство

Рассуждая над тем, что значит разреженный газ, необходимо остановиться и на понятии «космического вакуума». Его можно считать близким к физическому вакууму, но существующему в межзвездном пространстве. У планет, их естественных спутников, многих звезд существуют определенные силы притяжения, которые удерживают на определенном расстоянии атмосферы. По мере удаления от поверхности звездного объекта, меняется плотность разреженного газа.

Например, существует линия Кармана, которая считается общим определением с космическим пространством границы планеты. За ней резко снижается величина изотропного давления газа в сравнении с солнечным излучением и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому трудно интерпретировать давление разреженного газа.

В космическом пространстве много фотонов, реликтовых нейтрино, которые сложно обнаружить.

Особенности измерения

Степень вакуума принято определять тем количеством вещества, которое осталось в системе. Основной характеристикой измерения этого состояния является абсолютное давление, кроме того, учитывается химический состав газа, его температура.

Важным параметром для вакуума является среднее значение длины пробега газов, оставшихся в системе. Существует подразделение вакуума на определенные диапазоны в соответствии с технологией, которая необходима для проведения измерений: ложный, технический, физический.

Вакуумная формовка

Это изготовление изделий из современных термопластичных материалов в горячем виде с помощью воздействия низкого давления воздуха или действия вакуума.

Вакуумную формовку считают способом вытяжки, в результате которой происходит нагревание листового пластика, находящегося над матрицей, до некоторого температурного значения. Далее происходит повторение листом формы матрицы, это объясняется созданием между ней и пластиком вакуума.

Электровакуумные приборы

Ими являются устройства, которые предназначены для создания, усиления, а также преобразования электромагнитной энергии. В таком приборе из рабочего пространства удален воздух, а для защиты от окружающей среды используется непроницаемая оболочка. Примерами подобных устройств являются электронные вакуумные приборы, где электроны подходят в вакууме. Лампы накаливания также можно считать электровакуумными приборами.

Газы при низких давлениях

Газ называют разреженным, если величина его плотности незначительна, и длина пробега молекул сравнима с размерами того сосуда, в котором находится газ. В подобном состоянии наблюдается уменьшение количества электронов пропорционально плотности газа.

В случае сильно разреженного газа практически отсутствует внутреннее трение. Вместо этого появляется внешнее трение перемещающегося газа о стенки, которое объясняется изменением величины импульса молекулами при сталкивании с сосудом. В подобной ситуации существует прямая пропорциональность между скоростью движения частиц и плотностью газа.

В случае низкого вакуума наблюдаются частые столкновения между частицами газа в полном объеме, которые сопровождаются стабильным обменом тепловой энергией. Это объясняет явление переноса (диффузию, теплопроводность), активно используется в современной технике.

Получение разреженных газов

Научное изучение и развитие вакуумных приборов началось в середине семнадцатого века. В 1643 году итальянцу Торричелли удалось определить величину атмосферного давления, а после изобретения О. Герике механического поршневого насоса со специальным водяным уплотнителем, появилась реальная возможность для проведения многочисленных исследований характеристик разряженного газа. Одновременно исследовались возможности воздействия вакуума на живые существа. Опыты, проводимые в условиях вакуума с электрическим разрядом, способствовали открытию отрицательного электрона, рентгеновского излучения.

Благодаря теплоизолирующей способности вакуума появилась возможность объяснить способы передачи тепла, использовать теоретические сведения для развития современной криогенной техники.

Применение вакуума

В 1873 году был изобретен первый электровакуумный прибор. Им стала лампа накаливания, созданная русским физиком Лодыгиным. Именно с этого времени расширилось практическое использование вакуумной техники, появились новые методы получения, а также изучения данного состояния.

За незначительный временной промежуток были созданы различные виды вакуумных насосов:

• вращательный;
• криосорбционный;
• молекулярный;
• диффузионный.

В начале двадцатого века академику Лебедеву удалось усовершенствовать научные основы вакуумной промышленности. До середины прошлого века ученые не допускали возможности получения давления меньше 10-6 Па.

В настоящее время создают цельнометаллическими, чтобы избежать утечки. Вакуумные криогенные насосы применяют не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в различных сферах промышленности.

Например, после разработки специальных откачных средств, которые не загрязняют используемый объект, появились новые перспективы использования вакуумной техники. В химии такие системы активно используются для качественного и количественного анализа свойств разделения смеси на компоненты, анализа скорости протекания различных процессов.

Числовое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис.2.2).

Рис. 2.2. Шкалы давления. Связь между давлением

абсолютным, избыточным и вакуумом

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля (рис. 2.2). В этой системе атмосферное давление. Следовательно, абсолютное давление равно

Абсолютное давление всегда является величиной положительной.

Избыточное давление отсчитывается от атмосферного давления, т.е. от условного нуля. Чтобы перейти от абсолютного к избыточному давлению необходимо вычесть из абсолютного давления атмосферное, которое в приближенных расчетах можно принять равным 1ат :

Иногда избыточное давление называют манометрическим.

Вакуумметрическим давлением или вакуумом называется недостаток давления до атмосферного

Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным, либо недостаток до атмосферного. Ясно, что вакуум может быть представлен как отрицательное избыточное давление

Как видно, эти три шкалы давления различаются между собой либо началом, либо направлением отсчета, хотя сам отсчет может вестись при этом в одной и той же системе единиц. Если давление определяется в технических атмосферах, то к обозначению единицы давления (ат ) приписывается ещё одна буква, в зависимости от того, какое давление принято за «нулевое» и в каком направлении ведется положительный отсчет.

Например:

Абсолютное давление равно 1,5 кг/см 2 ;

Избыточное давление равно 0,5 кг/см 2 ;

Вакуум составляет 0,1 кг/см 2 .

Чаще всего инженера интересует не абсолютное давление, а его отличие от атмосферного, поскольку стенки конструкций (бака, трубопровода и т.п.) обычно испытывают действие разности этих давлений. Поэтому в большинстве случаев приборы для измерения давления (манометры, вакуумметры) показывают непосредственно избыточное (манометрическое) давление или вакуум.

Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль - давление, вызываемое силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью, т.е.. Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы - техническую атмосферу и бар:

Не следует также смешивать техническую атмосферу с физической, которая все ещё имеет некоторое распространение в качестве единицы давления:

2.1.3. Свойства гидростатического давления

Гидростатическое давление обладает двумя основными свойствами.

1-ое свойство. Силы гидростатического давления в покоящейся жидкости всегда направлены внутрь по нормали к площадке действия, т.е. являются сжимающими.

Это свойство доказывается от противного. Если предположить, что силы направлены по нормали наружу, то это равносильно появлению в жидкости растягивающих напряжений, которых она воспринимать не может (это вытекает из свойств жидкости).

2-ое свойство . Величина гидростатического давления в любой точке жидкости по всем на­правлениям одинаково, т.е. не зависит от ориентации в пространстве площадки, на которую оно действует

где - гидростатические давления по направлению координатных осей;

То же по произвольному направлению .

Для доказательства этого свойства выделим в неподвижной жидкости элементарный объем в форме тетраэдра с ребрами, параллельными координатным осям и соответственно равными , и (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема для доказательства свойства

о независимости гидростатического давления от направления

Введем обозначения: - гидростатическое давление, действующее на грань, нормальную к оси ;

Давление на грань, нормальную к оси ;

Давление на грань, нормальную к оси ;

Давление, действующее на наклонную грань;

Площадь этой грани;

Плотность жидкости.

Запишем условия равновесия для тетраэдра (как для твердого тела) в виде трех уравнений проекций сил и трех уравнений моментов:

При уменьшении в пределе объема тетраэдра до нуля система действующих сил преобразуется в систему сил проходящих через одну точку, и, таким образом, уравнения моментов теряют смысл.

Таким образом, внутри выделенного объема на жидкость действует единичная массовая сила, проекции ускорений которой равны , , и . В гидравлике принято массовые силы относить к единице массы, а так как , то проекция единичной массовой силы численно будет равна ускорению.

где ,,- проекции единичной массовой силы на оси координат;

Масса жидкости;

Ускорение.

Составим уравнение равновесия выделенного объема жидкости в направлении оси , учитывая при этом, что все силы направлены по нормалям к соответствующим площадкам внутрь объема жидкости:

где - проекция силы от гидростатического давления;

Проекция силы от давления ;