在真空條件下,氣體的稀薄程度通常用其壓強值來表示,顯然壓強值越小,氣體越稀薄。
表達真空或氣壓的單位有很多,比如kPa、Torr、mbar等,這些單位之間如何換算?它們的定義又是什么?不同真空泵在不同場合常用的真空計算公式又有哪些?
常見真空單位換算
1.國際標準單位:帕斯卡
真空是指壓強(中文有時也稱壓強)低于大氣壓的氣體狀態。在國際單位制(SI)中,壓強的單位是帕斯卡,簡寫為Pa(符號或Pa),相當于一牛頓每平方米。
以法國學者(數學家、物理學家、化學家、音樂家、思想家……)帕斯卡 () 的名字命名,他利用改進的水銀氣壓計發現大氣壓隨海拔高度的降低而增大。
海平面附近的標準大氣壓約為Pa。由于帕斯卡是非常小的單位,不易計算,所以有時人們也使用由帕斯卡派生出的其他單位,如百帕斯卡(hPa),1hPa = 100 Pa;千帕斯卡(kPa),1kPa = 1000 Pa;兆帕斯卡(MPa),1 MPa = 1000,000 Pa。
2. 巴和毫巴
巴(符號Bar)是工程學中常用的單位,其定義為1Bar=Pa。常用的單位還有毫巴(符號mbar)。1mbar=0.=100Pa=1hPa。
常用毫巴來表示大氣壓,氣壓的單位可以是“百帕(hPa)”,也可以是“毫巴(mbar)”,兩者完全相等。
3. 托里拆利實驗和托里拆利
托里拆利實驗是人類認識真空和大氣壓強史上一個比較重要的實驗,1643年意大利科學家托里拆利首先進行了這一實驗,直觀地證明了真空的存在,并測得了相當于760mm水銀柱產生的壓強的氣壓值。
為了紀念托里拆利的貢獻,后來把1毫米汞柱的壓強表示為1托(符號Torr)。與毫巴類似,也常用毫托(符號mTorr)表示,=0.001托。由于1毫托代表1微米汞柱的壓強壓力公式s的單位,所以英美文獻有時也將1毫托稱為1。
有時人們也直接用汞柱或水柱的高度來表示壓力,如1毫米汞柱表示1毫米汞柱的壓力,1或1英寸水柱表示1英寸汞柱或水柱的壓力,1毫米水柱表示1毫米水柱的壓力。
4. 真空裝置全圖
下表總結了上述單位與1個標準大氣壓的對應關系,這些單位也可以通過1個標準大氣壓相互轉換。
5.流量和泄漏率
6. 泵送速率單位換算表
常見計算公式
1.波義爾定律
體積V,壓力P,P·V=常數
對于一定質量的氣體,當溫度不變時,該氣體的壓強和該氣體的體積成反比。
即P1/P2=V2/V1
2.蓋-呂薩克定律
當壓強P一定時壓力公式s的單位,一定質量氣體的體積V與絕對溫度T成正比:
V1/V2=T1/T2=常數
在壓強一定的情況下,對于一定質量的氣體,溫度每升高1℃(或降低1℃),其體積就比原值增大(或減少)1/273。
3. 查理定律
當氣體的體積V保持不變時,對于一定質量的氣體,壓強P與其絕對溫度T成正比,即:
P1/P2=T1/T2
對于一定體積、一定質量的氣體,溫度每升高(或降低)1℃,其壓強就會比原來的值增大(或減?。?/273。
4.平均自由程:
λ=(5×10-3)/P·cm
5.抽氣速度:
S = dv/dt(升/秒)或 S = Q/P
Q = 流速(托·升/秒) P = 壓力(托) V = 體積(升) t = 時間(秒)
6.溝通與指導:
C=Q/(P2-P1)(升/秒)
7、抽真空時間:
從大氣壓抽至1Torr的時間計算公式為:
t=8V/S(經驗公式)
V為體積,S為泵送速率,通常t在5至10分鐘內選取。
8.維護泵的選擇:
S 尺寸 = S 正面 / 10
9.擴散泵抽速的估算:
S = 3D2(D = 直徑 厘米)
10、羅茨泵前級抽速:
S=(0.1~0.2)S(升/秒)
11.泄漏率:
Q漏極 = V(P2-P1)/(t2-t1)
Qleak——系統泄漏率(mmHg·l/s)
V——系統容積(l)
P1——真空泵停止時系統內壓力(mmHg)
P2——時間t后真空室內達到的壓力(mmHg)
t——壓力從P1升到P2所需的時間(s)
12、低真空泵抽速的選擇:
S=Q1/Ppre(升/秒)
S=2.3V·lg(Pa/Ppre)/t
S——機械泵的有效抽速
Q1——真空系統泄漏率(torr·l/s)
P需達到的預真空度(Torr)
V——真空系統容積(升)
t-達到P預測所需的時間
Pa——大氣壓(托)
13.前級泵抽速選擇:
排氣口壓力低于一個大氣壓的傳動泵,如擴散泵、油增壓泵、羅茨泵、渦輪分子泵等,工作時需有前級泵維持前級壓力在臨界值以下。所選用的前級泵必須能排出主泵的最大氣量。根據管路各段流量恒定的原則:
PnSg≥PgS或
Sg≥Pgs/Pn
Sg——前級泵的有效抽速(l/s)
Pn——主泵臨界前級壓力(最大排氣壓力)(l/s)
Pg——真空室最大工作壓強(Torr)
S——主泵工作時Pg時的有效抽速。(l/s)
14.擴散泵抽速計算公式:
S = Q / P = (K·n) / (P·t)(升/秒)
式中:S——被測泵的抽氣速率(l/s)
n-滴管內油柱上升的格數(格)
t——油柱上升n格所需時間(秒)
P - 泵端口附近測量的壓力(Torr)
K-滴管系數 (torr·l/s)
K=V0·(L/n)·(Υ0/Υm)+Pa△Vt
其中 V0 是滴管和真空軟管的原始體積(升)
L——滴管刻度部分的長度(mm)
n - 滴管刻度中的網格數(網格)
Υ0——油的比重(g/cm3)
Υm—汞的比重(g/cm3)
Pa——當地大氣壓(Torr)
△Vt——滴管刻度一格對應的體積(升/格)
15、旋片真空泵幾何抽速計算公式為:
S=πZnLKv(D2-d2)/(24×104)(升/秒)
式中:Z為葉片數,n為轉速(rpm),L為泵腔長度,D為泵腔直徑,d為轉子直徑(cm),Kv為容??積利用系數(一般取95%)。
16.O型橡膠槽深度B=0.7D
D為橡膠直徑,溝槽寬度C=1.6B
17.方形橡膠槽深度B=0.8A
A為方形橡膠邊長,溝槽寬度C=1.67B