1.4　真空環(huán)境特點及其應用

1650年葛利克發(fā)明了第一臺真空泵，做了著名的馬德堡半球?qū)嶒?，在球中獲得了低真空。隨著科學技術發(fā)展的需要，目前真空度適用范圍為<105～10-10Pa，已應用到各種領域。真空提供了特殊的環(huán)境條件服務于人類。真空環(huán)境的特點及應用領域分述如下。

1.4.1　真空環(huán)境產(chǎn)生壓力差

大氣壓力值可以近似取為105Pa，如果真空側(cè)為100Pa的粗真空，兩者之間差99900Pa，等于1m2面積上受到10187kg（f）的作用力，粗略地可以被認為每平方米面積上受到10t（f）的作用力。可以利用真空與大氣產(chǎn)生壓力差來做功原理制造各種產(chǎn)品，其應用領域見表1-5。

1.4.2　真空環(huán)境中氧和水含量顯著減小

在大氣環(huán)境中，氧含量近21%；而水的含量隨著地域不同而變化，有時空氣濕度高達90%。如果真空容器由大氣壓抽到10Pa，空間氧含量降低1000倍，而水的含量下降更多。真空環(huán)境隨著氣體分子密度降低，氧和水含量顯著減小。這對大氣環(huán)境下易氧化或者腐爛物質(zhì)的生產(chǎn)與保存非常有利?，F(xiàn)代許多工業(yè)必須在少氧環(huán)境下的真空中進行，如冶煉稀有金屬，電真空器件均需要真空環(huán)境。而水汽是細菌生存的必要條件。大氣下水汽含量高，細菌昜生存，食物易腐爛。在真空環(huán)境下，細菌難以生存，有利于防腐。表1-6給出了氧和水含量少的真空環(huán)境的應用。

1.4.3　真空環(huán)境下氣體分子運動的平均自由程增大

氣體分子處于無規(guī)則的熱運動狀態(tài)，大氣下分子密度大，分子熱運動行走0.06μm，將會與另一個氣體分子相碰撞一次。隨著壓力的降低，所走的距離越來越大。由式（1-3）可知，當壓力為1.0×10-4Pa時，分子的平均自由程約67m。在一個有限的容器中，可認為不與其他分子相碰撞，能量不會損失。

同理，在真空中運動的電子、帶電粒子、金屬原子的平均自由程，像氣體分子一樣同樣會增大。

在真空環(huán)境下，電子運動的平均自由程與氣體分子的平均自由程關系如下：

（1-6）

式中　λe——電子平均自由程，m；

        λ——氣體分子平均自由程，m。

在真空環(huán)境下，帶電粒子的平均自由程與氣體分子的平均自由程關系如下：

（1-7）

式中　λi——帶電粒子平均自由程，m；

        λ——氣體分子平均自由程，m。

由式（1-6）及式（1-7）可見，電子或帶電粒子在真空中的平均自由程，比氣體分子的平均自由程還要大。由于真空環(huán)境中粒子自由程增大，可減小或消除粒子之間的互相碰撞，其應用領域有電子器件、光電器件、各種加速器、電子儲存環(huán)、高能加速器、重離子加速器、質(zhì)譜計、同位素分離器、電子顯微鏡、電子束焊接、蒸發(fā)式鍍膜、濺射式鍍膜、分子蒸餾等。

1.4.4　真空環(huán)境使氣體分子在固體表面形成單分子層時間增長

如前所述，在1×10-4Pa下，在固體表面形成單分子層的時間約為2s，而1×10-7Pa下，形成單分子層時間增長約36min，真空度越高，形成單分子層時間越長，提供了清潔的表面時間越長，為表面研究提供了重要條件。應用此特點，研制出了各種表面儀器，如二次離子譜儀、離子散射儀、俄歇電子能譜儀、光電子譜儀、低能電子衍射儀、電子能損失光譜儀等。提供清潔表面可以進行材料摩擦磨損及冷焊研究、材料空間試驗研究，通常要求真空度范圍為10-7～10-8Pa。

表1-7給出了表面分析儀器的名稱、代號及原理。

表1-8給出了表面分析儀器的性能及特點。

1.4.5　真空環(huán)境減小能量傳遞

大氣環(huán)境下氣體熱量傳遞有三種形式：氣體對流換熱、熱傳導及輻射換熱。當真空環(huán)境壓力到5×10-2Pa時，氣體熱傳導能力僅為大氣壓下的1%，可以忽略，不會影響熱計算的結(jié)果。對流換熱早已消失，僅有輻射換熱。顯然，即使真空度達不到高真空范圍，而在低真空環(huán)境下，由于氣體分子密度降低，其熱傳導換熱量也降低了很多。利用這種原理，可以制造保溫瓶、低溫液體儲存設備以及隔熱等。應用范圍很廣，如制造杜瓦瓶、杜瓦管、液氮貯槽、液氫貯槽、液氧貯槽、低溫液體運輸槽車、真空絕熱板、真空玻璃、液化天然氣貯罐、液化石油氣貯罐等。

貯運各種低溫液體，必須有低溫容器，而低溫容器均需要采用真空隔熱。低溫液體的應用范圍很廣，見表1-9。

1.4.6　真空環(huán)境使物質(zhì)沸點降低而蒸發(fā)速率加快

液體的沸點，隨著壓力的降低而降低。大氣壓下，即105Pa時水的沸點為100℃。當壓力下降到5×104Pa時，沸點約為80℃。利用真空下沸點低這一特點，使物質(zhì)在低的溫度下脫水，避免了高溫脫水使物質(zhì)受損。

真空中氣體分子密度低，單位體積中分子數(shù)大為減少，對蒸發(fā)出來的分子碰撞概率減小，即蒸發(fā)出來后不易返回。另外，真空環(huán)境壓力較低，借助于壓差作用，也會使分子易擴散到空間中去，為此可以提高蒸發(fā)速率。

真空干燥、真空脫水、真空冷凍干燥、真空蒸餾等領域?qū)φ婵罩羞@一特點進行了廣泛的應用，見表1-10。

1.4.7　真空環(huán)境中材料迅速脫氣

各種固體物質(zhì)在大氣壓環(huán)境中，表面會吸附一些氣體，當處于真空中時，由于氣體分子密度降低，被吸附的氣體會釋放出來進入環(huán)境中。有些非致密性物質(zhì)本身就存在微孔，微孔中的空氣，在真空環(huán)境下也會釋放出來。為改善材料的性能，需浸漬各種液體，材料中氣體放出來，更有利于浸漬，得到性能更好的材料。液體中所含的氣體，在真空環(huán)境下也會釋放出來，利用這種現(xiàn)象可以進行鋼水脫氣、陶瓷泥漿脫氣、真空鑄造等。表1-11給出了真空脫氣的應用實例。