Свойства газов при малых давлениях. Получение разреженных газов

Свойства  газов при малых  давлениях.

  

             Состояние газа при давлении меньше атмосферного называется ва-

куумом (от латинского vacuum – пустота).

В зависимости  от величины соотношения λ/d различают  низкий (λ/d \ll 1),  
средний (λ/d~1) и высокий (λ/d \gg 1) вакуум.

              Газ называется разреженным, если его плотность столь мала, что

средняя длина  свободного пробега молекул ср может  быть сравнима с

линейными размерами  сосуда, в котором находится газ.

 В состоянии  вакуума уменьшается число носителей  импульса или

внутренней энергии  в явлениях вязкости и теплопроводности. Коэффи-

циенты переноса в этих явлениях прямо пропорциональны плотности

газа. В сильно разреженных газах внутреннее трение по существу от-

сутствует. Вместо него возникает внешнее трение движущегося газа о

стенки сосуда, связанное с тем, что молекулы изменяют свои импульсы

только при  взаимодействии со стенками сосуда. В  этих условиях напря-

жение трения в первом приближении пропорционально плотности газа

и скорости его  движения. Удельный тепловой поток  в сильно разрежен-

ных газах пропорционален плотности газа и разности температур.

   Стационарное  состояние разреженного газа, находящегося  в двух со-

судах, соединенных узкой трубкой, возможно при условии равенства

встречных потоков  частиц, перемещающихся из одного сосуда в другой:

                             n1 u1ср = n2 u2ср ,

где n1 и n2 – числа  молекул в 1 см3, u1ср и u2ср – средние  арифметические

скорости теплового  движения молекул в соответствующих  сосудах.

   Условие  стационарности можно переписать  в виде уравнения, выра-

жающего эффект Кнудсена

                                p1   T1

                                   =

                                p2   T2

где Т1 и Т2 – значения температуры газа в сосудах; p1 и р2 – значения

давлений разреженного газа в сосудах.

   К эффекту  Кнудсена примыкает радиометрический эффект, кото-

рый заключается в возникновении силы отталкивания между двумя близ-

ко расположенными в разреженном газе пластинами, находящимися при

разных температурах (Т1 > Т2). Холодная пластина со стороны, обра-

щенной к горячей, бомбардируется молекулами газа, имеющими в сред-

нем более высокую энергию, чем молекулы, бомбардирующие эту плас-

тину с противоположной  стороны. В результате между пластинами воз-

никает сила F отталкивания.

 При малых  значениях показателя экспоненты  сила F пропорциональ-

на давлению р. При повышении давления р быстрые молекулы, соуда-

ряясь с более медленными, теряют часть энергии. В результате при боль-

ших р сила F оказывается в обратной зависимости от давления р.

   Понятие  сверхвысокого вакуума связано  не с величиной отношения

λ/d, а со временем τ, необходимым для образования  мономолекулярного

слоя газа на поверхности твердого тела в вакууме, которое обратно про-

порционально давлению.

   Свойства  газа в низком вакууме определяются  частыми столкнове-

ниями между молекулами газа в объеме, сопровождающимися обменом

энергией. Поэтому  течение газа в низком вакууме  носит вязкостный ха-

рактер, а явления переноса (теплопроводность, внутреннее трение, диф-

фузия) характеризуются  плавным изменением (или постоянством) гра-

диента переносимой величины. Например, температура газа в простран-

стве между горячей и холодной стенками в низком вакууме изменяется

постепенно, и  температура газа у стенки близка к температуре стенки.

При прохождении  тока в низком вакууме определяющую роль играет

ионизация молекул  газа.

   В высоком  вакууме поведение газа определяется  столкновениями его

молекул со стенками или другими твердыми телами; столкновения мо-

лекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль.

Движение молекул  между твердыми поверхностями практически  про-

исходит по прямолинейным  траекториям (режим молекулярного  тече-

ния). Явления переноса характеризуются скачком переносимой величи-

ны на границе. Например, во всем пространстве между горячей и хо-

лодной стенками примерно половина молекул имеет скорость, соответ-

ствующую температуре холодной стенки, а остальные – скорость, соот-

ветствующую температуре горячей стенки. Следовательно, средняя тем-

пература газа во всем пространстве одинакова и отлична от температу-

ры как горячей, так и холодной стенок. Количество переносимой тепло-

ты прямо пропорционально  давлению р. Прохождение тока в высоком

вакууме возможно в результате электронной эмиссии с электродов. Иони-

зация молекул газа существенна только в тех случаях, когда длина про-

бега электронов становится значительно больше расстояния между элек-

тродами. Это достигается при движении заряженных частиц по слож-

ным траекториям, например, в магнитном поле, или при их колебатель-

ном движении около электрода. Свойства газа в среднем вакууме явля-

ются промежуточными.

          Для измерения давлений газов ниже атмосферного (в диапазоне от

105 до 10–11 Па) используются специальные приборы – вакуумметры

(от вакуум и греческого  metreo – измеряю). На примере вакуумметров

можно проиллюстрировать, как прямо или косвенно используются раз-

личные физические свойства газов,находящихся при низком давлении. 
 
 

Получение разреженных газов, и их практическое применение.

Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения многочисленных исследований свойств разреженного газа. Изучается влияние вакуума на живые организмы. Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения. Теплоизолирующие свойства вакуума помогли создать правильное представление о способах передачи теплоты и послужили толчком для развития криогенной техники.                                        Успешное изучение свойств разреженного газа обеспечило возможность его широкого технологического применения. Оно началось с изобретения в 1873 г. первого электровакуумного прибора — лампы накаливания с угольным электродом — русским ученым А. Н. Лодыгиным и открытием американским ученым и изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента вакуумная техника становится технологической основой электровакуумной промышленности.                                                                      Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения и измерения вакуума. За небольшой период времени в начале XX в. были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Д. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913). Аналогичные успехи были достигнуты и в развитии способов измерения вакуума. К U-образному манометру Торричелли добавились компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).                                                   Одновременно совершенствуются научные основы вакуумной техники. В России П. Н. Лебедев (1901) впервые использует в своих опытах идею удаления остаточных газов с помощью ртутного пара. В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса (М. Кнудсен, М. Смолуховский, И. Ленгмюр, С. Дешман).

До 50-х годов  существовало мнение, что давления ниже 10-6 Па получить невозможно. Однако работы американских ученых Ноттингема (1948) по измерению фоновых токов ионизационного манометра и Альперта (1952) по созданию ионизационного манометра с осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений вакуумной техники еще на три-четыре порядка в область сверхвысокого вакуума. Для получения сверхвысокого вакуума изобретают новые насосы: турбомолекулярный (Беккер, 1958), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 1959); совершенствуются паромасляные и криосорбционные насосы.

При измерении  низких давлений применяются анализаторы  парциальных давлений, с помощью  которых определяют состав и давление каждой компоненты остаточных газов. Сверхвысоковакуумные системы потребовали для обеспечения  их надежной сборки и эксплуатации разработки чувствительных методов  определения натеканий в вакуумных системах: масс-спектрометрического, галоидного и др. Для снижения газовыделения вакуумных конструкционных материалов начинает применяться высокотемпературный прогрев всей вакуумной установки. Вакуумные системы изготавливают цельнометаллическими, разрабатывают конструкции сверхвысоковакуумных уплотнений, вводов движения и электрических вводов в вакуум. Совершенствуются технологические методы получения неразъемных соединений металла со стеклом, электронно-лучевая и газовая сварка. В 60-х годах успешное развитие вакуумной техники привело к разработке стохастических методов расчета вакуумных систем.              Достижения криогенной техники в получении низких температур нашли применение в технологии получения вакуума. Криогенные вакуумные насосы начали применять в научных исследованиях, а затем и в промышленности. Разработка откачных средств, не загрязняющих откачиваемый объект, открыла новые перспективы для применения вакуумной техники.

Экспериментальные исследования испарения и конденсации, поверхностных явлений, некоторых  тепловых процессов, низких температур, ядерных и термоядерных реакций  осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент современной ядерной  физики — ускоритель заряженных частиц — немыслим без вакуума. Вакуумные  системы применяются в химии  для изучения свойств чистых веществ, изучения состава и разделения компонентов  смесей, скоростей химических реакций.                                      Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, но с конца прошлого века и до сих пор наиболее важным его применением остается электронная техника. В электровакуумных приборах вакуум является конструктивным элементом и обязательным условием их функционирования в течение всего срока службы. Низкий и средний вакуум используется в осветительных приборах и газоразрядных устройствах. Высокий вакуум — в приемно-усилительных и генераторных лампах. Наиболее высокие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов. Для работы полупроводникового прибора вакуум не требуется, но в процессе его изготовления широко используется вакуумная технология. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.

В металлургии  плавка и переплав металлов в вакууме  освобождает их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают  высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. В производстве высококачественных сталей широко применяется вакуумирование. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, является одним из основных технологических процессов порошковой металлургии. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках. Сплавы с любым соотношением компонентов могут быть получены методами вакуумной молекулярной эпитаксии. Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира получают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения материалов с сильно разли чающимися температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т. д. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме. В машиностроении вакуум применяется при исследованиях процессов схватывания материалов и сухого трения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и износостойких покрытий на детали машин, захвата и транспортирования деталей в автоматах и автоматических линиях.

Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные  аппараты при выпуске синтетических  волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей. Вакуум-фильтры  используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются  кристаллизационные вакуумные аппараты.

В электротехнической промышленности вакуумная пропитка как самый экономичный метод  широко распространена в производстве трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов и кабелей. Повышаются срок службы и надежность при работе в вакууме переключающих электрических  аппаратов.                                                                                          Оптическая промышленность при производстве оптических и бытовых зеркал перешла с химического серебрения на вакуумное алюминирование. Просветленная оптика, защитные слои и интерференционные фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме.                                                                     В пищевой промышленности для длительного хранения и консервирования пищевых продуктов используют вакуумную сушку вымораживанием. Расфасовка скоропортящихся продуктов, осуществляемая в вакууме, удлиняет сроки хранения фруктов и овощей. Вакуумное выпаривание применяется при производстве сахара, опреснении морской воды, солеварении. В сельском хозяйстве широко распространены вакуумные доильные аппараты.                                                                                                             На транспорте вакуум используется для подачи топлива в карбюраторах, в вакуумных усилителях тормозных систем автомобилей. Имитация космического пространства в условиях земной атмосферы необходима для испытания искусственных спутников и ракет.