工程管道燃气阀门资料--真空技术基础（二）（ 17页）

1、真空技术基础（二） Fundamentals of Vacuum Techniques （II） 1 Gas Transport under Normal Pressure Basic Concepts 平 衡 态：宏观物理量随时间不变，随空间分布均匀； 非平衡态：宏观物理量随时间变化，随空间分布不均匀； 典型的宏观物理量：温度（temperature）、流速（current velocity）、密度(mass density)等，这些量分别与能量、动量、 质量等相关，也是我们关注最多的量。 Transport(迁移现象): 在没有外界作用的情况下，物理量的空间分布不均匀性会 由于热运动的结果

2、而最终趋于均匀，也就是达到平衡态； 如果有外界的作用，那么容易实现稳态的物理量的随空间 的不均匀分布。实际的例子如散热器、真空泵等。 在非平衡态下，气体各部分之间物理量不等，其中发生的 相互传送、交换等过程就叫做迁移现象或者输运过程。 不仅在真空技术的研究中，而且在材料科学很多领域的研 究中本质的问题都是在探讨某种粒子的迁移现象的规律和机制。 Type and characteristics of Transports: 1.粘滞性（viscosity） 气体，确切说是流体的各部分的运度速度不相等而造成的一种摩擦效应， 输运的物理量是动量； 2.热传导（heat conduction） 气体各

3、部分的温度不同，有温度梯度，从而造成的热量的传递，输运的物 理量是能量； 3.扩散（diffusion） 气体各部分的密度不相等，存在质量梯度，从而造成的质量的传递，输运 的物理量是质量； 4.热扩散或者热流逸（thermal transpiration） 气体各部分温度不等，从而导致的分子从一个地方传输到另一个地方，输 运的物理量是质量。 Vacuum and Transport: 在真空技术中，对于气体的输运性质的研究是非常重要的。一方面，真空 度不同，气体输运的特征不同；另一方面，为了获得预计的真空，需要仔 细分析气体输运的特点。 基本的特点是： 高压： 气体稠密，气体分子间碰撞频繁，与

4、器壁碰撞可以忽略； 中压： 气体稀薄，分子间碰撞少，与器壁碰撞重要； 低压： 气体非常稀薄，分子间碰撞可以忽略，与器壁碰撞是主要的。 d d d Transport Equation： 若一个物理量g 在空间的分布不均匀，由于分子的热运动， 该物理量会由高浓度地方向低浓度地方迁移，在单位时间内经 过面积ds迁移量是： 考虑Maxwell Distribution Law，有 0 1( ) 3 z z g z dvnds z 0 ( ) 0.499z z g z dvnds z Gas Internal fraction（气体内摩 擦） 现象的描述：气体或者流体各部分的 速度不同，使得运动快的速

5、度降低， 而运动慢的速度提高，各层之间有摩 擦力存在。又叫作粘滞现象。显然各 层之间输运的物理量是动量。 Viscous Equation: 0 ()1 3 1 = 3 1 3 mv dLvnds z vv vdsds zz v 关于粘滞方程： 1、粘滞系数与气体的摩尔质量的平方根成正比； 2、粘滞系数随温度增加而增加； 3、常压下，粘滞系数与气体密度无关； 4、中压和低压下，气体分子间碰撞不是主要的矛盾，导致粘 滞系数与压力相关； Gas Thermal Conduction: 热传导中传递的物理量是能量E，满足： Thermal Conduction Equation： v A c Tco

6、nst E N 0 0 1 () 3 () 1 3 v z z A z z v A cT dQnvds Nz T Kds z c Knv N Special Case： 平行板的热传导公式： 同心圆筒的热传导公式： 21 : Area of board; d: distance of board; T: Temperature of board TT QKS d S 12 2 1 2 ln : Length of cylinder; r: radius of cylinder TT QKL r r L 关于气体热传导方程： 1、气体热导率与温度相关； 2、常压下气体热导率与压力无关； 3、中压

7、和低压下，由于气体分子间碰撞不是很重要，气体与 器壁的碰撞成为主要考虑的因素，所以K与压力有关； Gas Diffusion 气体的扩散是由于气体各部分密度不同 而产生的，由于气体的热运动，使得气 体沿着浓度梯度方向移动，发生了质量 的迁移； 扩散分为两种：自扩散（self-diffusion） 和互扩散（inter-diffusion）。 扩散的根源是密度的不均匀，它不是气 体所特有的性质，一切物质只要存在浓 度梯度就可以扩散。 Self-diffusion Equation: Inter-diffusion Equation: 0 () 1 D= 3 zz n dNDds z v 12 2

8、21 1 1 22 1 12 1 11 12 22 2 ii 11 ; 33 n , and v are the number density of molecules, mean free path and average speed of i compentent, especially. i nDn D DD nn DvDv 2 Gas Transport under Middle and Low Pressure 中压下的滑动现象 中压意味着气体分子平均自由程与器壁的尺度差不多，此时分 子间碰撞的机会少，与器壁的碰撞是主要的。气体分子间碰撞 交换的动量有限。气体在容器内部的速度分布是线性的。更为 重要的是靠近器壁的气体分子速度与器壁速度不同，出现了速 度突变，这个现象叫做滑动现象。 滑动现象的有关结论： dv v dz outerouteroute