На главную v-garant.ru
Основы термодинамики Молекулярная физика Второе начало термодинамики Структура твердых тел Лабораторная работа Изучение термодинамики поверхностного натяжения

Молекулярная физика и основы термодинамики Лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №116.

Получение и измерение вакуума

Цель работы: ознакомиться с методами получения и измерения вакуума. Определить скорость откачки форвакуумного насоса.

Приборы и принадлежности: вакуумная установка, состоящая из форвакуумного пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ, баллона предварительного разряжения и вакууметра ВТ-2, секундомер.

Теория метода

 Вакуум - состояние газа, при котором его давление значительно ниже атмосферного.

При разрежении газа средняя длина свободного пробега молекул возрастает, поэтому степень вакуума принято оценивать путем сопоставления средней длины свободного пробега  с характерными размерами L откачиваемого сосуда, например, для сферы диаметром D: L = (2/3) D.

Различают три области вакуума:

1. Низкий вакуум – это состояние газа, при котором взаимные столкновения между молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумного сосуда, при этом <<L.

2. Средний вакуум – это состояние газа, когда частоты соударений молекул друг с другом и со стенками сосуда приблизительно одинаковы, при этом ~L.

3. Высокий вакуум – это состояние газа, при котором столкновения молекул газа со стенками сосуда преобладают над взаимными столкновениями молекул газа, при этом >>L.

При не слишком малых размерах сосуда (не поры и не капилляры) степень вакуумирования можно характеризовать величиной давления газа. Связь между давлением и средней длиной свободного пробега ясна из табл. 1.

Таблица №1

Р, Па

Р, мм. рт.ст.

λ, м

Области вакуума

(ГОСТ 5197-50)

1,013·105

760

6,25·10-7

атм.

1,333·102

1

4,72·10-5

низкий вакуум

1,333

10-2

4,72·10-3

средний вакуум

1,333·10-2

10-4

4,72·10-1

1,333·10-2

10-4

4,72·10-1

высокий вакуум

1,333·10-5

10-7

4,72·102

 

Вакуум широко используется в современной науке, технике и технологии. Например, явление уменьшения теплопроводности газов в области высокого вакуума применяется при теплоизоляции. Общеизвестно использование вакуума в электронной технике, в ускорителях элементарных частиц, в процессах сушки, испарения, дистилляции и т.п. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве сверхчистых веществ, полупроводников и микросхем.

Способы получения вакуума.

Состояние разряжения газов достигается с помощью вакуумных насосов.

В процессе откачки используются два свойства газов:

способность занимать весь предоставленный объем,

проникновение молекул одного газа между молекулами другого (взаимная диффузия).

Первое свойство используется в механических насосах, второе – в диффузионных.

Принципиальная схема одного из распространенных типов механических насосов представлена на рис.1.

Насос состоит из цилиндрической камеры 1 с входным патрубком 2 и выходным клапаном 3. Внутри камеры вращается цилиндрический ротор 4, эксцентрично расположенный относительно оси симметрии камеры. В прорези ротора вставлены две пластины 5, плотно прижимаемые к внутренней поверхности камеры пружиной 6. Для уплотнения рабочих зазоров роторного механизма, выхлопного клапана 3 и смазки трущихся поверхностей корпус насоса помещается в кожух 7, заполненный вакуумным  маслом. Вакуумные масла (ВМ-1, ВМ-5) отличаются низким давлением (рн ~ 10-5 Па) насыщенного пара при комнатной температуре.

Пластины 5 образуют во внутреннем объеме между ротором и корпусом камеру А всасывания и камеру Б сжатия. Объем этих камер при вращении ротора непрерывно изменяется. Причем в то время, когда объем камеры всасывания увеличивается и откачиваемый газ заполняет ее через впускной патрубок 2, объем камеры сжатия Б уменьшается и газ из нее выбрасывается через выхлопной патрубок 10 в атмосферу. Процесс через каждые полоборота ротора повторяется.

Насосы подобной конструкции позволяют производить откачку лишь до давления Р ~ 10-3 мм рт.ст. Это объясняется прорывом газов в месте соприкосновения ротора с цилиндрической камерой вследствие большой разности давления. Поэтому подобные насосы применяются для создания низкого предварительного вакуума (форвакуума) и называются форвакуумными.

Для получения высокого вакуума применяются диффузионные насосы. Принцип действия такого насоса основан на том, что пары какой-либо жидкости, вырываясь с большой скоростью из сопла, уносят с собой продиффундировавшие в них молекулы откачиваемого газа.

Обратный поток газа в откачиваемый сосуд устраняется тем, что выброс смеси пара с газом происходит в область пониженного давления (в баллон предварительного разрежения), создаваемого форвакуумным насосом.

Диффузионные насосы позволяют производить разрежение газов до Р = 10-6 мм.рт.ст.

На рис. 2 изображена схема двухступенчатого разгоночного паромасляного диффузионного насоса ММ – 40А. Он состоит из корпуса 1, паропроводов 2 и 3 и электронагревателя 4. Корпус насоса представляет собой стальной цилиндр, нижняя часть которого вместе с днищем служит испарителем. Корпус снабжен рубашкой водного охлаждения 5 со штуцерами для ввода и вывода проточной воды. Для соединения с откачиваемым сосудом служит патрубок 7. Откачиваемый воздух из камеры Д удаляется через патрубок 11 в область форвакуума.

Все масло в испарителе распределяется по трем коаксиальным камерам: А – внутренняя камера в цилиндре 3, В – кольцевая камера между цилиндрами 2 и 3, Д – кольцевая камера между цилиндром 2 и стенкой корпуса 1. Вначале во всех камерах насоса масло имеет один и тот же состав. При разогревании легкие его фракции испаряются, конденсируются на стенках холодильника и стекают в камеру Д. Испарение в этой камере слабое, так как непрерывно поступает охлажденное масло, и, кроме того, пары, вышедшие из этой камеры, задерживаются манжетами 10. Далее легкие фракции через отверстия 0 поступают в камеру В. Здесь они испаряются и выходят через сопло первой ступени 8. Таким образом, в центральной круговой камере остаются наиболее тяжелые фракции масла, и в сопло второй ступени 9, ближайшее к откачиваемому объекту, попадают пары только этих тяжелых фракций, обладающие минимальным давлением насыщенных паров рн ~ 10-6 мм.рт.ст.

Поскольку при работе насоса происходит отделение легких фракций масла по принципу разгонки в жидкой фазе, насос называется разгоночным.

Для работы насоса ММ – 40 А необходимо наличие предварительного разрежения до р ~ 5·10-2 мм рт.ст. Производительность насоса 40 л/с при давлении р = 10-4 мм рт.ст. Предельный вакуум, достигаемый насосом, р = 5·10-6 мм рт.ст.

Сверхвысокий вакуум (р ~ 10-11 мм.рт.ст. получают с помощью молекулярных, электроразрядных или сорбционных насосов в соединении с форвакуумными насосами и охлаждаемыми до – 196оС жидким азотом ловушками. При этом требуется обязательное предварительное обезгаживание вакуумной системы путем длительного прогрева ее до ~ 450оС при непрерывной откачке.

Измерение вакуума. Под измерением вакуума понимают измерение давления разреженного газа. В зависимости от диапазонов измеряемых давлений применяют различные типы манометров. Основными из них являются жидкостные (ртутные), термоэлектрические, электроразрядные и магнитные.

Лабораторная работа 117 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ СР/СV МЕТОДОМ КЛЕМАНА – ДЕЗОРМА Идеальный газ – газ, при рассмотрении которого пренебрегают силами межмолекулярного взаимодействия и размерами молекул. Все реальные газы при достаточно высоких температурах и достаточно низких давлениях мало отличаются по своим свойствам от идеального газа, поэтому выводы, полученные для идеального газа, широко используются для решения практических задач.

Лабораторная работа 119 Определение коэффициента внутреннего трения жидкости Понятие о внутреннем трении Между движущимися слоями при движении жидкости (или газа) возникают силы трения. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует задерживающая сила


Характер теплового движения молекул в разных состояниях