第2章　真空技術(shù)的物理基礎(chǔ)

2.1　氣體基本性質(zhì)

2.1.1　氣體與蒸氣

物質(zhì)存在著三種基本狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。存在的狀態(tài)取決于分子間的作用力及其平均動能的大小。以固態(tài)存在的物質(zhì)，其分子之間的作用力最大，液態(tài)次之，氣態(tài)最小，甚至可以忽略。然而，氣態(tài)物質(zhì)的分子動能最大，以至可以自由地充滿其所占有的空間。那么，什么是氣體呢？將溫度高于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)叫做氣體。

氣體是分子的集合體，分子有一定的質(zhì)量和形狀，通常把氣體分子近似地看做球形體。嚴(yán)格來說，單原子的氣體分子是球形體，而雙原子或多原子的氣體分子就不是球形體。例如：氫分子是由雙原子構(gòu)成的橢球體，其短軸為2.15?（1?=10-10m），而長軸為3.14?；氧分子是由兩個氧原子構(gòu)成，其形狀也是橢球體，短軸為2.9?，而長軸為3.9?。許多作者由于使用不同的實驗方法和測試手段，得到的分子直徑各不相同。表2-1給出了一些氣體分子直徑的近似值。

氣體分子直徑大小還受溫度的影響，隨著溫度的升高，分子直徑變小。表2-2給出了水蒸氣分子和汞原子直徑隨溫度的變化情況。

真空系統(tǒng)中除存在氣體外，還有各種物質(zhì)的蒸氣存在。蒸氣是溫度低于臨界溫度的氣態(tài)物質(zhì)。為了區(qū)別氣體或蒸氣，表2-3給出了真空技術(shù)中幾種常見物質(zhì)的臨界溫度。我們有興趣的是室溫下（15～25℃）哪些物質(zhì)屬于氣體或蒸氣。由表中可見，氦、氖、氮、空氣、氬、氧、氪等，其臨界溫度均低于室溫，顯然在室溫下都屬于氣體。而水、汞、二氧化碳等的臨界溫度均高于室溫。因而，在室溫下的真空系統(tǒng)中屬于蒸氣。

根據(jù)理想氣體涵義可見，真空狀態(tài)下所有的氣體和蒸氣均可以看做理想氣體。并且真空度越高越接近理想氣體。真空度高，意味著分子密度低，這樣使分子間的距離遠大于分子本身的大小，分子就可以視為幾何點了。既然分子間的距離很大，那么它們之間的作用力是極其微弱的，且可以視為零。這樣，就可以用理想氣體定律描述真空狀態(tài)下的氣體了。但蒸氣飽和之后就不是理想氣體了，因而，也就不能用理想氣體定律來描述了。

2.1.2　玻義耳-馬略特定律

一定質(zhì)量的氣體，在一定的溫度下，不斷改變其壓力，同時測量其相應(yīng)的體積。結(jié)果表明：在這樣的條件下，體積與壓力之間存在著一個簡單關(guān)系，就是：當(dāng)氣體溫度不變時，體積與壓力之積保持一定，這個原理是由玻義耳（1662年）和馬略特（1679年）用實驗來證實的，因而，稱為玻義耳-馬略特定律。可述之如下：

一定質(zhì)量的氣體，在一定溫度下，體積和壓力的乘積為一常數(shù)。即

（2-1a）

若氣體的最初體積為V1，壓力為p1。經(jīng)等溫壓縮后，體積為V2，壓力為p2，那么由式（2-1a）應(yīng)有：

（2-1b）

式（2-1b）在真空技術(shù)中有重要的應(yīng)用，麥克勞真空計和膨脹式真空校準(zhǔn)系統(tǒng)均是利用這一原理制成的。若已知式（2-1b）中三個參數(shù)，那么另一參數(shù)便可以求得。

2.1.3　查理定律

1802年查理和盧賽斯用實驗方法得到了這個定律。查理定律表明：一定質(zhì)量的氣體，如果保持體積不變，其壓力與溫度成正比。即

（2-2）

2.1.4　蓋呂薩克定律

一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)壓力保持不變時，其體積與溫度成正比，這就是蓋呂薩克定律，其數(shù)學(xué)表達式為

（2-3）

2.1.5　道爾頓分壓力定律

道爾頓定律指出：相互之間沒有化學(xué)作用的混合氣體的總壓力p等于各氣體分壓力pi之和。其數(shù)學(xué)表達式為

（2-4）

這個定律，在進行真空測量時經(jīng)常遇到。如果測量某一真空容器中的壓力，若用真空計測量，得到的是總壓力。若用質(zhì)譜計來測量，得到的是氣體各種組分的分壓力，各分壓力之和應(yīng)等于總壓力。表2-4給出了各種超高真空系統(tǒng)的分壓力和總壓力的實測值。從表中可以看出，除了個別因為試驗中的誤差外，一般都大體符合分壓力定律。

注：※：CO+N2；△：因釆用氬濺射裝置，故氬峰高。

2.1.6　阿伏伽德羅定律

體積相同的任何氣體，只需溫度和壓力相同，則所包含的分子數(shù)就相等。

把1摩爾（mol）質(zhì)量的氣體中包含的分子數(shù)稱為阿伏伽德羅常數(shù)。這個常數(shù)對于任何氣體來講都是相同的，即

式中，M為1mol的氣體質(zhì)量；m0為一個氣體分子的質(zhì)量。

大家知道，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力為1atm，溫度為0℃），1mol的任何氣體，均具有相等的體積，稱為摩爾體積。1mol氣體的體積為

將阿伏伽德羅常數(shù)N0除以摩爾體積V0，就得到了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位體積中的分子數(shù)。也叫做勞什密特數(shù)，以n0表示

2.1.7　理想氣體的狀態(tài)方程

描述氣體狀態(tài)需要四個參量，即氣體的質(zhì)量、壓力、體積和溫度。由實驗總結(jié)出來的理想氣體狀態(tài)方程，給出了這四個參量之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達式如下：

（2-5）

式中　p——氣體壓力，Pa；

        V——氣體體積，m3；

        m——氣體質(zhì)量，kg；

        M——氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；

        T——氣體的熱力學(xué)溫度，K；

        R——通用氣體常數(shù)，8.314J/（mol·K），如果p、V、T釆用不同的單位，R亦有不同的單位和值，見表2-5。

方程（2-5）也稱克拉佩龍綜合方程。由此方程可以導(dǎo)出壓力的常用表達式。

若一個氣體分子的質(zhì)量為m0，1mol的氣體中有N0（阿伏伽德羅常數(shù)）個分子，體積為V的氣體中有N個分子，這樣，式（2-5）中的m=Nm0，M=N0m0，那么，式（2-5）可以寫為

（2-5a）

令

則式（2-5a）為

（2-5b）

式中　p——氣體壓力，Pa；

        n——單位體積中的氣體分子數(shù)，也稱氣體分子密度，m-3；

        k——玻爾茲曼常數(shù)，k=1.381×10-23J/K；

        T——氣體的熱力學(xué)溫度，K。