2022-真空技術(shù)基礎(chǔ)2精選ppt

2稀薄氣體的分子運(yùn)動理論1一氣體的物態(tài)參量及其單位（宏觀量）1

氣體壓強(qiáng)：作用于容器壁上單位面積的正壓力（力學(xué)描述）.

單位：2

體積:氣體所能達(dá)到的最大空間（幾何描述）.

單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：緯度海平面處,時的大氣壓.

3

溫度:氣體冷熱程度的量度（熱學(xué)描述）.

單位：溫標(biāo)（開爾文）.2二理想氣體物態(tài)方程

物態(tài)方程：理想氣體平衡態(tài)宏觀參量間的函數(shù)關(guān)系.摩爾氣體常量對一定質(zhì)量的同種氣體理想氣體物態(tài)方程理想氣體宏觀定義：遵守三個實(shí)驗(yàn)定律的氣體.2-13一定質(zhì)量的氣體，由一個狀態(tài)（參量值為P1、V1、T1）經(jīng)過任意一個熱力學(xué)過程（不必是恒值過程）變成另一狀態(tài)（參量值為P2、V2、T2），根據(jù)狀態(tài)方程，可得

P1V1/T1=P2V2/T22-22-3對（2-1）變換，還可計算單位體積空間內(nèi)的氣體分子數(shù)目和氣體質(zhì)量，即氣體分子密度n(m-3)和氣體密度ρ（kg/m3）

系數(shù)k=R/NA=1.38×10-23J/K稱為波爾茲曼常數(shù)。43.1氣體定律氣體的壓力p(Pa)、體積V（m3）、溫度T（K）質(zhì)量m（kg）等狀態(tài)參量間的關(guān)系，服從下述氣體實(shí)驗(yàn)定律：1）波義耳—馬略特定律一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)溫度維持不變時，氣體的壓力和體積的乘積為常數(shù)。即：

pV=常數(shù)（1）5具體應(yīng)用方式常為針對由一個恒值過程連結(jié)的兩個氣體狀態(tài)，已知3個參數(shù)而求第4個參數(shù)。例如：初始壓力和體積為P1、V1的氣體，經(jīng)等溫膨脹后體積變?yōu)閂2，則由波義耳—馬略特定律，即可求出膨脹后的氣體壓力為P2=P1V1/V2。這正是各種容積式真空泵最基本的抽氣原理。7

3.2道爾頓定律：相互不起化學(xué)作用的混合氣體的總壓力等于各種氣體分壓力之和，即：

P=P1+P2+……Pn這里所說的混合氣體中某一組分氣體的分壓力，是指這種氣體單獨(dú)存在時所能產(chǎn)生的壓力。道爾頓定律表明了各組分氣體壓力的相互獨(dú)立和可線性疊加的性質(zhì)。

83.3

分子的數(shù)密度和線度

阿伏伽德羅常數(shù)：1mol

物質(zhì)所含的分子（或原子）的數(shù)目均相同.例常溫常壓下例標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧分子直徑分子間距分子線度分子數(shù)密度（

）：單位體積內(nèi)的分子數(shù)目.9

設(shè)邊長分別為x、y

及z的長方體中有

N

個全同的質(zhì)量為m

的氣體分子，計算壁面所受壓強(qiáng).四理想氣體壓強(qiáng)公式10為粘度（粘性系數(shù)）碰撞于固體表面的氣體分子，它們飛離壁面的方向與初始入射方向無關(guān)，并按表面法線方向所成角度θ的余弦而分布。相互不起化學(xué)作用的混合氣體的總壓力等于各種氣體分壓力之和，即：單位：溫標(biāo)（開爾文）.氣體的壓力p(Pa)、這是真空技術(shù)中，容器表面散熱、對氣體分子加熱、高速運(yùn)動表面拖動氣體分子以及固體表面對氣體分子吸附等的物理基礎(chǔ)。關(guān)于外摩擦現(xiàn)象將在后面討論。當(dāng)氣體內(nèi)各部分的溫度不同時，熱量將從高溫處向低溫處傳遞，這種現(xiàn)象稱為氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。解決這一問題的一個傳統(tǒng)方法是加氣鎮(zhèn)，即向壓縮腔內(nèi)充入永久氣體成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在達(dá)到飽和前便被排出。相互不起化學(xué)作用的混合氣體的總壓力等于各種氣體分壓力之和，即：在許多實(shí)際問題中，氣體常處于非平衡狀態(tài)，氣體內(nèi)各部分的溫度或壓強(qiáng)不相等，或各氣體層之間有相對運(yùn)動等，氣體的宏觀量在空間的分布不均勻時．即處于非平衡態(tài)時，氣體內(nèi)將有能量、質(zhì)量或動量從一部分向另一部分定向遷移，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。這些輸運(yùn)現(xiàn)象的規(guī)律和真空度關(guān)系大．真空度不同，輸運(yùn)機(jī)理有著質(zhì)的差別．這也可分為三種情況:1．理想氣體定律有哪些？內(nèi)容各是什么?熱動平衡的統(tǒng)計規(guī)律（平衡態(tài)）蔬菜真空保鮮工藝中，讓蔬菜的一部分水分在真空中蒸發(fā)后抽除，這些水蒸發(fā)時要從蔬菜體內(nèi)吸取汽化熱，從而使蔬菜在脫水同時降溫，正是利用了水蒸吸熱的原理；2）分子各方向運(yùn)動概率均等分子運(yùn)動速度熱動平衡的統(tǒng)計規(guī)律（平衡態(tài)）1）分子按位置的分布是均勻的

大量分子對器壁碰撞的總效果：恒定的、持續(xù)的力的作用.單個分子對器壁碰撞特性:偶然性、不連續(xù)性.11各方向運(yùn)動概率均等

方向速度平方的平均值各方向運(yùn)動概率均等2）分子各方向運(yùn)動概率均等分子運(yùn)動速度1213分子施于器壁的沖量單個分子單位時間施于器壁的沖量x方向動量變化兩次碰撞間隔時間單位時間碰撞次數(shù)

單個分子遵循力學(xué)規(guī)律14

單位時間N

個粒子對器壁總沖量

大量分子總效應(yīng)

單個分子單位時間施于器壁的沖量器壁所受平均沖力15氣體壓強(qiáng)統(tǒng)計規(guī)律分子平均平動動能器壁所受平均沖力16

統(tǒng)計關(guān)系式壓強(qiáng)的物理意義宏觀可測量量微觀量的統(tǒng)計平均值

壓強(qiáng)是大量分子對時間、對面積的統(tǒng)計平均結(jié)果.問為何在推導(dǎo)氣體壓強(qiáng)公式時不考慮分子間的碰撞？分子平均平動動能17玻爾茲曼常數(shù)宏觀可測量量理想氣體壓強(qiáng)公式理想氣體狀態(tài)方程微觀量的統(tǒng)計平均值分子平均平動動能18分布函數(shù)

表示速率在區(qū)間的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比.

歸一化條件

表示在溫度為的平衡狀態(tài)下，速率在

附近單位速率區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比.物理意義五麥克斯韋氣體速率分布定律19這正是各種容積式真空泵最基本的抽氣原理。單個分子遵循力學(xué)規(guī)律這些輸運(yùn)現(xiàn)象的規(guī)律和真空度關(guān)系大．真空度不同，輸運(yùn)機(jī)理有著質(zhì)的差別．這也可分為三種情況:1氣體壓強(qiáng)：作用于容器壁上單位面積的正壓力（力學(xué)描述）.由于溫度不同而引起氣體流動，平衡時產(chǎn)生壓力梯度的現(xiàn)象，稱為熱流逸現(xiàn)象。大量分子總效應(yīng)分子有效直徑為（分子間距平均值），氣體粘滯現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子定向運(yùn)動動量的遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的.11．充氣白熾燈在汽態(tài)下(27℃)氣體壓強(qiáng)為600毫米汞柱，如果燈絲把氣體加熱到177℃，問此時燈泡內(nèi)氣體壓力為多少?氣體分子的某一次自由程取值完全是隨機(jī)的，但大量自由程的長度分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。方向速度平方的平均值器壁所受平均沖力此時，氣體的速率與上、下板運(yùn)動速度不同，即板間的氣體流動速率與動板的運(yùn)動速率之間出現(xiàn)速度躍變，由(18)式，解出i，則λi≥0.氣體粘滯現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子定向運(yùn)動動量的遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的.一定質(zhì)量的氣體，由一個狀態(tài)（參量值為P1、V1、T1）經(jīng)過任意一個熱力學(xué)過程（不必是恒值過程）變成另一狀態(tài)（參量值為P2、V2、T2），根據(jù)狀態(tài)方程，可得速率位于內(nèi)分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)速率位于區(qū)間的分子數(shù)占總數(shù)的百分比20麥?zhǔn)戏植己瘮?shù)麥克斯韋氣體速率分布定律

反映理想氣體在熱動平衡條件下，各速率區(qū)間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比的規(guī)律.21三三種統(tǒng)計速率1）最概然速率根據(jù)分布函數(shù)求得

氣體在一定溫度下分布在最概然速率附近單位速率間隔內(nèi)的相對分子數(shù)最多.物理意義222）平均速率233）方均根速率24

自由程：

分子兩次相鄰碰撞之間自由通過的路程.25

分子平均碰撞次數(shù)：單位時間內(nèi)一個分子和其它分子碰撞的平均次數(shù).

分子平均自由程：每兩次連續(xù)碰撞之間，一個分子自由運(yùn)動的平均路程.簡化模型1.分子為剛性小球,2.分子有效直徑為（分子間距平均值），

3.其它分子皆靜止,某一分子以平均速率相對其他分子運(yùn)動.26單位時間內(nèi)平均碰撞次數(shù)考慮其他分子的運(yùn)動

分子平均碰撞次數(shù)27

分子平均碰撞次數(shù)

平均自由程

一定時

一定時2829如果混合氣體僅有兩種成分組成，則30還可定義電子和離子在氣體中運(yùn)動的平均自由程和（m）。

需要強(qiáng)調(diào)說明的是，這里所說電子或離子的自由程，是指電子或離子在氣體中運(yùn)動時與氣體分子連續(xù)二次碰撞間所走過的路程，而沒有考慮電子或離子本身之間的碰撞，所以電子和離子平均自由程計算式中出現(xiàn)的都是氣體分子的參數(shù)，而與電子或離子的空間密度無關(guān)。31氣體分子的某一次自由程取值完全是隨機(jī)的，但大量自由程的長度分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。氣體分子自由程大于一給定長度χ的幾率為

(16)類似地可得出，電子或離子在氣體中運(yùn)動的自由程大于一給定長度χ的幾率為(17)(18)

32利用這種分布規(guī)律，結(jié)合平均自由程計算公式(12)～(15)，可以計算出做定向運(yùn)動的粒子束流穿過空間氣體時的散失率，或根據(jù)所限定的散失率確定空間氣體所必須達(dá)到的真空度。33例如：一臺離子束真空設(shè)備中，高能離子流由離子源射向25cm處的靶，若要求離子流與真空室內(nèi)殘余氣體分子碰撞的散失率小于5％，那么溫度為27oC的殘余氣體壓力應(yīng)為多少？34根據(jù)題意，可知當(dāng)時，要求Pi(λi＞χ)≥1％～5％，由(18)式，解出i，則λi≥0.25/(-ln0.95)，即λi。再將此結(jié)果代入(15)式得kT/πσ2p；取空氣的分子有效直徑σ=3.72×10-10m，則要求殘余氣體壓力p≤1.38×10-232×10-20×4.87)，即p≤1.95×10-3Pa35363738

克努曾(M.Knudsen)在研究低壓氣體流動和分子束反射中，得到了氣體分子與壁面碰撞后反射的規(guī)律——余弦定律：碰撞于固體表面的氣體分子，它們飛離壁面的方向與初始入射方向無關(guān)，并按表面法線方向所成角度θ的余弦而分布。從表面反射的一個氣體分子，離開表面時位子立體角dω(與表面法線成θ角)中的幾率為：2．1．4．2氣體分子從壁面的漫反射——余弦定律3940關(guān)于氣體分子對所接觸固體表面（如容器壁）的碰撞問題，可以從入射方向和入射數(shù)量二方面加以討論。若一立體角dω與面積元ds的法線間的夾角為θ，則單位時間內(nèi)由dω方向飛來碰撞到ds上的氣體分子數(shù)目dNθ與cosθ成正比，這就是通常所說的余弦定律：

2-19

41單位時間內(nèi)碰撞在固體表面單位面積上的氣體分子數(shù)目稱為氣體分子對表面的入射率（m-2s-1）,其計算式為

2-20根據(jù)平衡狀態(tài)的假設(shè)，氣體分子飛離固體表面時的方向分布及數(shù)量應(yīng)與入射相一致，因此仍可按式2-19、2-20計算?？伺嘞曳瓷涠蛇€說明，不論氣體分子的入射方向怎樣，其反射都服從2-19式的余弦規(guī)律。

42

余弦定律又稱為“克努曾定律”，是基于“吸附層”假設(shè)：凡碰撞于容器表面的分子都將被表面所暫時吸附，在表面滯留一段時間后再重新“蒸發(fā)”出來。該假設(shè)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。43固體表面對碰撞分子的漫反射，使得反射出來氣體分子的運(yùn)動方向與人射時的運(yùn)動方向無關(guān)，這與氣體分子間的碰撞情況相似。固體表面對碰撞分子的漫反射，使得氣體分子與固體間可以進(jìn)行充分的動量和能量交換，這是真空技術(shù)中，容器表面散熱、對氣體分子加熱、高速運(yùn)動表面拖動氣體分子以及固體表面對氣體分子吸附等的物理基礎(chǔ)。44這個定律的重要意義是：

1．它揭示了固體表面對氣體分子作用的一個重要側(cè)面，它將分子原有的方向性徹底“消滅”——分子“忘掉”了原有運(yùn)動方向，均按余弦定律漫射。固體表面對碰撞分子的漫射作用，亦同其它氣體分子對該分子的碰撞作用一樣，導(dǎo)致了分子的“混濁性”’并保證了麥克斯韋分布律的成立(在麥克斯韋分布律的證明中，用到了“混濁性”的條件)452．分子在固體表面要停留一定時間，這點(diǎn)有重大的實(shí)際意義。這是氣體分子能夠與固體進(jìn)行能量交換、動量交換的先決條件。例如氣體對表面的散熱作用或由高溫表面加熱氣體、用高速運(yùn)動的表面來拖動分子、氣體被固體表面吸附等等現(xiàn)象，如果沒有這個停留時間，上述物理過程皆不能發(fā)生。46由于分子每碰碰于表面都要停留一定時間(用t表示吸附時間)，這就造成高真空下(這時分子僅與器壁碰撞)氣體或蒸汽通過管道需要較長的時間。例如某種真空油蒸汽分子，設(shè)其吸附時間為t＝103秒，則它通過一根半徑1厘米長100厘米的管道大致需要106秒即10天的時間。這一點(diǎn)對如何用油擴(kuò)散泵的真空系統(tǒng)來獲得清潔真空有重要指導(dǎo)意義。47

余弦定律的成立，是基于分于碰撞表面都要吸附一些時間這個事實(shí)，導(dǎo)致飛出分子與原飛來方向無關(guān)。那末，是否可能存在某些表面，它們的吸附作用極微，以致于分于碰撞上來立即反射回去呢？實(shí)驗(yàn)證明，在分子尺度上是光滑的表面可以出現(xiàn)一些鏡面反射現(xiàn)象，這時反射角等于入射角——即飛出方向完全取決于飛來方向。這時余弦定律顯然就不成立了。只有晶體的解理面等才稱得上是分子光滑的表面一般常見材料，即使被精密研磨過，離分于光滑的程度仍然很遠(yuǎn)。故在通常情況，余弦定律可以認(rèn)為都成立。48

前面討論了氣體處于平衡狀態(tài)，即宏觀量如壓力、密度、溫度等處處一致時，氣體的物理特性及規(guī)律。

在許多實(shí)際問題中，氣體常處于非平衡狀態(tài)，氣體內(nèi)各部分的溫度或壓強(qiáng)不相等，或各氣體層之間有相對運(yùn)動等，氣體的宏觀量在空間的分布不均勻時．即處于非平衡態(tài)時，氣體內(nèi)將有能量、質(zhì)量或動量從一部分向另一部分定向遷移，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)為止。

這就是非平衡態(tài)下氣體的遷移現(xiàn)象.

2．2氣體的遷移過程49這些輸運(yùn)現(xiàn)象的規(guī)律和真空度關(guān)系大．真空度不同，輸運(yùn)機(jī)理有著質(zhì)的差別．這也可分為三種情況:(1)當(dāng)壓強(qiáng)較高時，分子平均自由程遠(yuǎn)小于氣體容器的線性尺寸d(即<<d)，這時氣體分子間的碰撞遠(yuǎn)高于氣體分子與器壁之間的碰撞作用，所以這時物理量的輸運(yùn)主要靠氣體分子之間的碰撞進(jìn)行．這種情況一般出現(xiàn)在粗真空范圍．(2)當(dāng)壓強(qiáng)較低時，氣體分子平均自由程大于氣體容器的線性尺寸d(即>>d)．50這時氣體分子間的碰撞可以忽略，主要是氣體分子與器壁之間的碰撞．輸運(yùn)現(xiàn)象以考慮器壁為主，這種情況一般出現(xiàn)在高真空范圍．這也是真空技術(shù)主要關(guān)心的方面．(3)當(dāng)壓強(qiáng)介于上兩種情況之間時，接近于容器線性尺寸(即≈d)，因此研究時就需要綜合考慮，這種情況一般出現(xiàn)在低真空范圍．2．2．1氣體中的遷移現(xiàn)象

氣體中各層間有相對運(yùn)動時,各層氣體流動速度不同,氣體層間存在粘滯力的相互作用.51氣體層間的粘滯力

氣體粘滯現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子定向運(yùn)動動量的遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的.AB

為粘度（粘性系數(shù)）2．2．1．1氣體的動量遷移一一內(nèi)摩擦現(xiàn)象525455(1)當(dāng)<<d時，即氣體分子平均自由程比容器尺寸小得多的時候，此時氣體壓力較高，由(2—29)式可知，與p無關(guān)。這是因?yàn)殡S氣體分子密度n的增大，雖然分子碰撞的頻率增加，參與動量遷移的分子數(shù)目增多，但減少，每個分于每次碰撞傳遞的動量亦減少，以上兩因素共同作用的結(jié)果，使內(nèi)摩擦系數(shù)保持不變。56(2)當(dāng)>>d時，即在真空度較高的時候，氣體分子之間的碰撞可忽略，分子在兩動板間飛行，并與板碰撞，動量直接從一板傳遞到另一板上。此時，動量傳遞量與分子數(shù)目有關(guān)，即正比子分子密度n或壓力p，氣體分子在兩板間的動量傳遞現(xiàn)象稱為外摩擦。關(guān)于外摩擦現(xiàn)象將在后面討論。57當(dāng)氣體內(nèi)各部分的溫度不同時，熱量將從高溫處向低溫處傳遞，這種現(xiàn)象稱為氣體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。通過熱傳導(dǎo)，最終氣體各處溫度趨于一致。單位時間、單位面積傳遞的熱量可由傅里葉定律描述：熱傳導(dǎo)傳遞的熱量與溫度梯度成正比，傳遞的方向與溫度梯度方向相反，即：2．2．1．2氣體的能量遷移——熱傳導(dǎo)現(xiàn)象58（2-31a）59AB**

氣體熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是分子熱運(yùn)動能量的定向遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的.60熱傳導(dǎo)系數(shù)與氣體的溫度有關(guān)，與氣體的種類有關(guān)，61(1)當(dāng)<<d時，即氣體壓力較高時，從(2-31b)式中可見，氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)與氣體分子數(shù)密度或氣體壓力無關(guān)。其原因是，雖然氣體分子數(shù)密度增加，參與能量遷移的分子數(shù)目增多，但氣體分子自由程縮短，每個分子遷移的能量減少，兩者作用相互抵消。(2)當(dāng)>>d時，此時真空度較高，氣體分子之間的碰撞可忽略，能量的傳遞是由氣體分子與壁面間的碰撞來完成的。因此，K正比于氣體分于數(shù)密度n或氣體壓力p，此時氣體的熱傳導(dǎo)稱為自由分子熱傳導(dǎo)。關(guān)于低壓下氣體的熱傳導(dǎo)將在后面討論。

62

2．2．1．3氣體的質(zhì)量遷移——擴(kuò)散現(xiàn)象當(dāng)容器中氣體各部分的密度不同時，氣體分子將從密度大處向密度小處遷移，最終使得各處密度相等，稱為擴(kuò)散現(xiàn)象，是氣體質(zhì)量的遷移過程。擴(kuò)散分為“自擴(kuò)散”和“互擴(kuò)散”兩種?！白詳U(kuò)散”發(fā)生在單一成分氣體由于存在密度梯度時；“互擴(kuò)散”發(fā)生在多成分氣體由于存在密度梯度時。A自擴(kuò)散當(dāng)單一成分氣體內(nèi)存在密度梯度時，密度大處的氣體分子將自發(fā)地向密度小處遷移，單位時間通過單位面積遷移的分子數(shù)目與分子數(shù)密度梯度成正比，可由費(fèi)克第一定律表示：63AB**

氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的微觀本質(zhì)是氣體分子數(shù)密度的定向遷移,而這種遷移是通過氣體分子無規(guī)熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的.64式中D—擴(kuò)散系數(shù)，m2／s；“-”號表示擴(kuò)散方向與分子數(shù)密度梯度方向相反。單位時間內(nèi)通過單位截面積的氣體分子質(zhì)量遷移量為：65666768697071722．2．2低壓下氣體的遷移

前節(jié)討論了壓力較高時，氣體的遷移現(xiàn)象。當(dāng)壓力較低時，氣體分子之間的碰撞可以忽略，氣體分子的遷移過程由分子與容器表面的相互作用決定。此時，分子自由程理論不再適用，而要應(yīng)用分子流狀態(tài)下的遷移理論。732．2．2．1氣體分子與器壁的動量交換——滑動現(xiàn)象當(dāng)時，對無限大平行平板間氣體的流動，由克努曾“吸附層”假設(shè)，平板對入射氣體分子的反射為漫反射。氣體分子反射出來時，具有與平板相同的定向運(yùn)動速率。設(shè)上、下板的運(yùn)動速率為和，則離開上板的分子的流速為，離開下板的分子的流速為。當(dāng)流動處于穩(wěn)定狀態(tài)時，離開上、下板的氣體分子數(shù)目相同，各占分子總數(shù)的一半。則氣體宏觀流動的速率為：74此時，氣體的速率與上、下板運(yùn)動速度不同，即板間的氣體流動速率與動板的運(yùn)動速率之間出現(xiàn)速度躍變，這種現(xiàn)象稱為“滑動現(xiàn)象”。75767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105由于溫度不同而引起氣體流動，平衡時產(chǎn)生壓力梯度的現(xiàn)象，稱為熱流逸現(xiàn)象。106107108109它會給真空測量帶來誤差。例如某真空電阻爐熱場區(qū)溫度為1800K，通過細(xì)管連接的真空規(guī)管工作在300K溫度下，若規(guī)管測得壓強(qiáng)為2×10-4Pa，則爐內(nèi)的真實(shí)氣體壓力為多少？110111112113114115116117118119120121122123124125126128(2-65c)式常用于蒸發(fā)鍍膜中金屬蒸發(fā)量的計算。129飽和蒸汽壓的存在，是蒸汽有別于理想氣體模型的根本之處，也是我們要將蒸汽的性質(zhì)單獨(dú)作為一節(jié)討論的原因。在真空工程中，在蒸汽沒有達(dá)到飽和之前，即飽和度<1時，我們可以使用前面介紹的理想氣體定律和公式來描述蒸汽的性質(zhì)；130而蒸汽一旦達(dá)到飽和，情況卻大不相同，如果我們對飽和蒸汽繼續(xù)作等溫壓縮，蒸汽壓力將不再升高而是維持飽和蒸汽壓的值不變，即不再服從波義耳—馬略特定律，為多余部分的蒸汽將凝聚為液態(tài)或固態(tài)；131反之，在飽和蒸汽與其凝聚相（液態(tài)或固態(tài)）平衡共存的情況下，對蒸汽作等溫膨脹，蒸汽的壓力也不會降低，而是其凝聚相不斷蒸發(fā)或升華來補(bǔ)充蒸汽，直至全部變成蒸汽為止。飽和蒸汽與其凝聚相間的這種等溫相變，尤其是水蒸汽的存在，在真空工程中有著不可忽視的影響。132從上面的分析可知：在相聯(lián)通的真空系統(tǒng)中，如果某一處存在有揮發(fā)性較強(qiáng)的固體或液體，那么此處就相當(dāng)于系統(tǒng)中的一個放氣源，使該物質(zhì)在系統(tǒng)中的壓力始終為對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，這常常會限制系統(tǒng)極限真空度的提高；133如果相聯(lián)通的真空系統(tǒng)各部分溫度不同，那么整個系統(tǒng)中蒸汽的分壓力都將與最低溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓相等，多余的蒸汽物質(zhì)最后都將凝聚在具有最低溫度的表面上，這正是低溫冷阱可以提高系統(tǒng)真空度的原理。134飽和蒸汽受壓縮時發(fā)生液化這一性質(zhì)常給變?nèi)菔秸婵毡玫某闅鈳砝щy，最突出的就是水蒸汽的抽除問題。以最常見的旋片泵為例：一個抽氣周期包括進(jìn)氣腔膨脹吸氣、隔離和排氣腔壓縮排氣三步驟。135如果吸入的氣體中水蒸汽的比例較大，在水蒸汽和永久氣體被壓縮達(dá)到排氣壓力之前，水蒸汽的分壓力已經(jīng)達(dá)到飽和蒸汽壓，那么繼續(xù)壓縮的過程中，就會有一部分水蒸汽發(fā)生液化而混入泵油中，無法排出泵外，并且回到膨脹腔后還會在低壓下重新汽化成蒸汽，增大吸氣側(cè)的水蒸汽比例和壓力，導(dǎo)致泵的抽氣能力和極限真空的下降。136若要保證水蒸汽能夠全部排出泵外而不發(fā)生液化，那么吸入的水蒸汽分壓力Pv、永久氣體分壓力PP、對應(yīng)泵溫下的水蒸汽飽和蒸汽壓PS和泵的排氣壓力Pe間應(yīng)滿足如下關(guān)系：137

例如：取泵的排氣壓力Pe=1.1×10-5Pa，泵溫70℃時水的飽和蒸汽壓PS=3.125×10-4Pa，則水蒸汽占吸入氣體的比例必須小于PS/Pe=28.3%。在抽氣后期，尤其是空氣濕度較大時，這一條件很難達(dá)到。因?yàn)榇藭r被抽容器內(nèi)的永久氣體成份已經(jīng)很少，但容器內(nèi)表面凝結(jié)的水蒸汽卻不斷放出，所占比例就變得很大。解決這一問題的一個傳統(tǒng)方法是加氣鎮(zhèn)，即向壓縮腔內(nèi)充入永久氣體成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在達(dá)到飽和前便被排出。138一種蒸汽的實(shí)際壓力pv與其對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓ps之比，稱為蒸汽當(dāng)時的飽和度。作為最常用的一項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，常把空氣中水蒸汽的飽和度定義為空氣的相對溫度，相對溫度(%)=pvH20/psH20×100％139例如：工程中定義標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件為溫度20oC，相對濕度65%，大氣壓力101325Pa。已知水蒸汽在20oC時的飽和蒸汽壓為2333Pa(17．5托)，則可計算出標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下大氣中水的分壓力為托)。

飽和蒸汽壓的存在，是蒸汽有別于理想氣體模型的根本之處。140

水蒸汽的存在也會影響到壓縮式真空計（麥?zhǔn)嫌嫞┑木_使用。測量讀數(shù)時，如果測量管內(nèi)經(jīng)過壓縮的氣體中，水蒸汽的分壓力尚低于當(dāng)時飽和蒸汽壓，那么讀數(shù)顯示的是水蒸汽和永久氣體的壓力；若水蒸汽已經(jīng)達(dá)到飽和發(fā)生液化，那么讀數(shù)會比永久氣體的分壓力高一些，但無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為消除水蒸汽對測量的干擾，常在麥?zhǔn)嫌嬊鞍惨坏蜏乩溱?，這樣測得的就只是永久氣體的分壓力。141液體（或固體）在真空中