真空氣體理論

真空中的氣體在壓力進入分子流範圍后其性質與理想氣體相同。

一、理想氣體定理

1.氣體符合理想氣體假定的條件

1）氣體分子運動為各方向任意運動；

2）氣體分子之間無相互作用力；

3）氣體分子相遇時為彈性碰撞，碰撞作用遵循動能守恆與動量守恆定律；

4）氣體分子的總體積較容器體積小到可以忽略不計；

5）氣體分子運動遵循分子動力學。

2.理想氣體定理

p= nkT，其中p為壓力，n為氣體分子密度，T為絕對溫度（K），k為玻爾茲曼常數= 1.381*10-23J/K。

pV=Nm RT，其中R為氣體常數=8.32焦耳/摩爾，V為體積，Nm 為N個氣體分子的摩爾數。

二、 波意耳定理

波意耳定理為在一定溫度下氣體的壓力與體積間的關係，簡言之當溫度固定時氣體的壓力與體積的乘積為一常數，即pV=常數。

1.波意耳定理公式：

p0 V0= pf Vf，其中p0、V0，pf、Vf分別代表最初與最終的壓力與體積。

2.波意耳定理的限制

波意耳定理除假定溫度為常數外此定理並不適用於蒸氣，因蒸氣加壓後會有凝結成液體或固體的現象，故蒸氣的體積在壓力未達到飽和蒸氣壓前遵循波意耳定理，但在壓力已達到飽和蒸氣壓時蒸氣的體積突然減小，這與上述公式相差較大，故在實際運用時應注意系統中有無蒸氣存在。

三、真空技術的基本量

真空技術基本量包括壓力、抽氣速率、氣流通量、氣導與阻抗、抽真空時間、漏氣率、放氣率及單分子附著時間。

1.抽氣速率

真空系統習慣上用抽氣速率來表示在系統中某一斷面或真空泵單位時間抽氣的量。

（1）泵的抽氣速率：在真空泵的進氣口每單位時間抽入泵的氣體的體積；

（2）真空系統的抽氣速率：在真空系統中某一斷面每單位時間通過氣體的體積；

（3）真空泵的抽氣速率：真空泵的抽氣速率多隨壓力變化，泵的構造原理不同抽氣速率對壓力的變化呈現不同的曲線，一般真空泵標準抽氣速率為平均抽氣速率即：S=V/t。

2.氣流通量

氣流通量定義：單位時間內流通真空系統中某一斷面的氣體分子數稱為氣流通量。

公式：Q=p(dV/dt)=pS，其中Q為氣流通量，p為壓力，V為體積，S為抽氣速率，t為時間。單位：毫巴·公升/秒，國際單位為帕·立方米/秒。

在一穩定的真空系統中，假定並無漏氣或器壁不釋放氣體，則氣流通量為一常數，即在真空系統中A點的氣流通量QA與B點的氣流通量QB相等，此種性質又稱為氣流通量的連續性。

3.氣導與阻抗

（1）真空導管的氣導

在真空系統的導管中，通過該管路某一段1與2之間的氣流通量與該管路兩端壓力之比為該管路的氣導。

氣導公式：C=Q/(p1-p2)，其中C為氣導，Q為氣流通量，p1與p2為管路兩端的壓力。單位：公升/秒或立方厘米/秒。

（2）真空管路的氣流阻抗

在真空系統的管路中，氣流通過該管路某一段1與2之間的阻礙的程度以阻抗來表示。阻抗即為氣導的倒數，即R=1/C，其中C為氣導，R為阻抗，其單位為：秒/公升或秒/立方厘米。

4.抽真空時間

真空系統的抽真空時間為決定操作真空系統的主要參數，通常為評估真空系統從啟動到實際運作所需的時間。

抽真空時間定義：真空系統從初壓力p0抽真空到最終壓力pf所經過時間被定義為抽真空時間。

5.漏氣率

漏氣率為單位時間內由真空系統外部漏入系統中氣體的量，其單位為毫巴·公升/秒或Pa· m3 /s 。

6.放氣率

放氣率為單位時間內由真空系統內部的表面上釋放出氣體的量，其單位為毫巴·公升/秒或托爾·公升/秒。

7.單分子附著時間

在潔凈固體表面上附著一分子厚度的氣體分子所需的時間稱為單分子附著時間。

四、真空系統的特性

1、高度潔凈

2、節省能源

真空為最佳的熱絕緣體與電絕緣體，故可減少或隔斷能量的傳遞。真空中壓力很低，所以物質很容易蒸發，利用真空蒸發或純化物質可減低或不用加熱過程或有些為直接作用過程可不用化學程序，故可以節省能源。

3、材料在真空中性質與在大氣中不同

材料在真空中會蒸發，分解甚至聚合，尤其有外加的因素如有帶能量的電子、離子或光子的存在常會使材料變質。此情形通常在大氣中並未或不易發生，故材料在真空中的性質與在大氣中不同。

五、真空應用

應用真空的基本原理可分為以下四個部分：

1.利用壓力差

包含起重，輸送，固定，傳遞，成型及改變狀態等。

2.減少活性氣體

包括有降低氧化，防腐，防菌，純化及保鮮等。

3.減少氣體碰撞

科學研究及工業製造等有自由電子，離子，原子束，分子束等過程均需要利用真空減少氣體碰撞。各類粒子加速器，電子顯微鏡，質譜儀等均要求高真空即減少氣體對此自由飛行粒子的碰撞。

4.增長單分子附著時間

利用超高真空可增長單分子氣體附著時間數分鐘或幾小時，故可清晰研究固體真正的表面，及在製作中可消除氣體雜質保持高度潔凈。