KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG VÀ ỨNG DỤNG

Please purchase a
personal license.
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MÔN HỌC
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MÔN HỌC
KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG
KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG
Mã số: 605066
Mã số: 605066
Tác giả:
Tác giả:
ThS. Hoàng Minh Nam
ThS. Hoàng Minh Nam
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG TRÌNH GIÁO TRÌNH
THÁNG 12/2006
2
M C L CU U
 
 
 
  !"#$%&'(
  )*%+,-,.)/01
  1'2%3
  4.2%3
 1+%+'2%3
5 677,-%$2%3
5 677)-%+8$ 1

3
Taứi lieọu tham khaỷo
9
:; $1<)=>?@%A@%>B5CD
E
:F02%3%G.=>H*B*I>B5C;1
J
:1<)K $@@<@=> $$

4
CH NGƯƠ I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Đònh nghóa chân không

1.2. Khái niệm về khí trong chân không

1.3. Đònh luật Avogadro

1.4. Chân không tuyệt đối

1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chân không tuyệt đối

1.6. Khí trong thể tích và trên bề mặt bình chứa
5
1.1. Đònh nghóa chân không

Chân không là trạng thái khí ở trong một thể tích nhất đònh có áp
suất nhỏ hơn áp suất khí quyển.

Kỹ thuật chân không: là các kiến thức liên quan:


• Tạo chân không

• Ổn đònh chân không

• Sử dụng chân không trong kỹ thuật

• Đo và kiểm soát chân không
Phạm vi ứng dụng chân không:

• Giảm nhiệt độ các quá trình công nghệ

• Tăng cường khả năng bay hơi

• Tạo các kết cấu ổn đònh và bền vững
6
1.2. Khái niệm về khí trong chân
không

Khí là tập hợp các phần tử trong nguyên tử

• Có dạng hình cầu (d
0
,m
0
)

• Chuyển động tự do theo quỹ đạo thẳng trong không
gian


• Không tác động lẫn nhau khi ở trạng thái tónh

• Va đập vào nhau khi chuyển động

Hơi quá nhiệt có thể coi là khí

Khí ở trạng thái bảo hòa sẽ không có tính chất của khí lý tưởng

Khí có thể là khí:

1 nguyên tử (Ar, Ne, He)

2 nguyên tử (H
2
, O
2
, N
2
…)

3 nguyên tử hoặc lớn hơn (CO
2
, SO
2
,SO
3
,CH
4
)
7

1.3. Đònh luật Avogadro

Những thể tích khí giống nhau ở cùng một điều kiện thì có số lượng
phân tử khí giống nhau

Hệ quả: 1 mol khí bất kỳ ở cùng điều kiện (t
0
, p) thì có cùng một
thể tích

Ở t
0
= 0
0
C (273
0
K), p = 1 atm (760 Tor) (Điều kiện tiêu chuẩn) Vm =
V1mol = 22,4 lít

Thể tích mol: 22,4 lít/mol

Số Avogadro: Số phân tử trong 1 gram phân tử hay số nguyên tử
trong 1 gram nguyên tử.NA = 6,023.1023
8
1.4. Chân không tuyệt đối

PCK = Pa - PTĐ

Chân không tuyệt đối khi:


PTĐ = 0

Không có bất kỳ phân tử (nguyên tử) khí (hơi) trong thể tích hay
bình chứa.
Pa
p suất chân không
p suất tuyệt đối
P
P
O
9
1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ
chân không tuyệt đối

Khi t0 = 0
0
K:

• Không có dao động nguyên tử

• Khí đứng yên không chuyển động

• Khi do P
TĐ
= 0,nhưng độ chân không ≠ 0

Khi t0 ≠ 0
0
K: khí sẽ chuyển động nên PTĐ ≠ 0
10

1.6. Khí trong thể tích và trên bề mặt
bình chứa

Khí tự do: khí trong thể tích bình chứa (sẽ va đập khi chuyển động)

Khí liên kết: khí nằm trên bề mặt bình chứa hay trong bề dày bình
chứa (Hấp phụ). Khí này nằm yên không va đập.

Khí tự do sẽ quyết đònh áp suất trong bình chứa: Nồng độ khí tự do -
số lượng phân tử trong một đơn vò thể tích:n= N/V(1/cm
3
hay 1/m
3
)


Khối lượng riêng của khí tự do: ρk=m/v (g/cm
3
hay kg/m
3
)

Nồng độ bề mặt:N1=N/A (1/cm
2
, 1/m
2
)
11
CH NG II: KHÍ TỰ DOƯƠ


2.1. Khí tự do ở trạng thái tónh:

2.2. p suất khí

2.3. Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí

2.4. Chiều dài chuyển động trung bình của phân tử khí
12
2.1. Khí tự do ở trạng thái tónh:

Năng lượng: đặc trưng bởi vận tốc các phân tử khí
khi chuyển động hỗn loạn
T C. vM
2
1
w
2
0
==

W: Động năng của phân tử khí;

M
0
: Khối lượng phân tử;

v: Vận tốc phân tử khí;

C: Hệ số phụ thuộc vào phương pháp xác đònh vận tốc;


T: Nhiệt độ trung bình của thể tích khí.
0
CT 2

µ
=v
)4v v 10 v(
22
OHgH
==
0
A
M
T
. N 2c. v =

Khí càng nhẹ vận tốc càng lớn
13
Các phương pháp xác đònh vận tốc khí

Vận tốc trung bình gần đúng:

Chọn c = k = 1,38.10-16 - hằng số Bosman

Vận tốc trung bình bình phương:

Chọn c = 3/2k

Vận tốc trung bình số học:


Chọn c = 4/π . K

Năng lượng của phân tử khí tính theo vận tốc trung bình:

W= 1/2 µovbp
2
= 3/2 kT
0
Agđ
M
T
.N.c2v =
0
gđ
M
T
29,1v ≈
0
4
gđBP
M
T
10.58,1v.
2
3
v ==
0
4
gđsh
M

T
10.46,1v.
4
v =
π
=
14
Vận tốc chuyển động của phân tử (nguyên tử) của một
vài loại khí ở các nhiệt độ khác nhau (m/s)
Khí M
o
Nhiệt độ,
0
K
273 4,2 77 293 373 773 2773
v
gđ
v
BP
v
SH
v
SH
H
2
2 1510 1710 1850 280 905 1770 2000 2870 5430
He 4 1070 1200 1310 150 640 1250 1410 2030 3840
CH
4
16 530 600 650 75 320 625 705 1080 1920

H
2
O 18 500 565 615 70 300 590 660 950 1810
Ne 20 475 540 580 67 2 85 555 630 900 1700
Co 28 400 455 495 56 245 470 530 770 1450
N
2
28 400 455 495 56 245 470 530 770 1450
KK 29 395 445 485 54 235 460 525 750 1400
O
2
32 375 425 460 53 225 440 495 720 1360
Ar 40 335 380 410 47 200 395 445 640 1210
CO
2
44 320 365 395 45 195 375 425 610 1160
Kr 89 230 265 285 33 140 270 310 445 840
Xe 130 185 210 230 2 6 110 220 245 355 67 0
Hg 201 150 170 185 2 1 90 175 200 285 540
15
2.2. p suất khí

p suất trên bề mặt bình chứa tạo bởi sự va đập của các
phần tử khí có khối lượng M0 chuyển động với vận tốc v.

p suất khí lên tường phẳng:

p suất khí lên tường cong:

N - Số phân tử khí; r - bán kính cong


Đònh luật Dalton:

p suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng
phần của các khí thành phần
2
BPk
v.
3
1
P ρ=
2
2
0
4 r
Nv
P
BP
π
µ
=
∑
=
=
n
1i
i
PP
16
2.2. p suất khí


Đơn vò đo áp suất (sử dụng trong chân không)

1 Bar = 10
5
N/m
2

1 mBar = 10
-3
Bar

1 Tor = 133,3 N/m
2
= 1/760at= 1 mmHg

Phân loại chân không

760 Tor - p suất thường

10 - 100Tor - p suất thấp

1 - 10
-3
Tor - Chân không

10
-4
- 10
-7

Tor - Chân không thấp

10
-8
- 10
-11
Tor - Chân không rất thấp

10
-12
- 10
-15
Tor - Siêu chân không
17
2.3. Quan hệ giữa nồng độ và áp suất khí

P = n.k.T

n - Nồng độ khí

k - Hằng số Bosman

T - Nhiệt độ khí
Quan hệ giữa nồng độ khí tự do và áp suất ở 273
0
C
P (Tor) 760 1 10
-3
10
-6

10
-9
10
-12
10
-15
n(1/cm
3
) 27. 10
18
37. 10
15
37. 10
12
37. 10
9
37. 10
6
37. 10
3
37
18
2.4. Chiều dài chuyển động trung bình
của phân tử khí
do - khoảng cách giữa 2 phân tử khí (cm)
)cm(
n.d 2
1
2
0

o
π
=λ
Quan hệ giữa λo = f(P, T)
P.d
T
10.3,2
2
0
20
o
−
=λ

Với: T = 293
0
K; do = 3,7.10
-8
cm (Ar, O
2
, N
2
); λo= 5.10
-3
.(cm)

Với không khí: T = 293
0
K thì λ
o

= 4,7.10
-3
(P tính bằng Pa)
19
CH NG III. KHÍ TỰ DO Ở TRẠNG ƯƠ
THÁI CHUYỂN ĐỘNG

3.1. Nguyên nhân chuyển động

3.2. Các đònh luật cơ bản của chất khí:

3.3. Giá trò R0 phụ thuộc vào thứ nguyên

3.4. Trạng thái chuyển động của chất khí
20
3.1. Nguyên nhân chuyển động

Dòng khuếch tán:

do chênh lệch nồng độ (∆n)

Dòng đối lưu:

do chênh lệch nhiệt độ (∆T)
21
3.2. Các đònh luật cơ bản của chất khí:

Đònh luật Bôi - Mariot: PV = KTm/M0

Ở T = const, m = const thì PV = const


Đònh luật Gay - Lussac:

Khi P = const thì V ≈ T

Đònh luật Saclơ:

Khi V = const thì P ≈ T

Phương trình chuyển đổi nhiệt độ
0
K và
0
C

T = 273 + t

Phương trình Klaperon:

Lượng khí trong thể tích (phương trình trạng thái khí lý tưởng

q = P.V - P
a
.m
3
(Tor.cm
3
) q = R
0
Tm/M

0

m - khối lượng khí

M
0
- khối lượng phân tử khí

T - nhiệt độ

R
0
- hằng số khí tổng hợp
22
3.3. Giá trò R0 phụ thuộc vào thứ nguyên
P.V R
0
P
V
Tor
Lít 62,36 - Tor.l/mol.
0
K
Pa
m
3
8,315 - Pa.m
3
/mol.
0

K
at
m
3
0,0821 - at.m
3
/mol.
0
K
J 8,315 - J/mol.
0
K
Cal 1,987 - cal/mol.
0
K
23
3.4. Trạng thái chuyển động của chất khí

Kí hiệu:

- λ
0
- Chiều dài chuyển động trung bình của phân tử khí

- X - Kích thước bình chứa

Các quá trình cơ bản

Khi λ
0

<< X - các phân tử khí cơ bản là va đập lẫn nhau và
trao đổi năng lượng với nhau. Đây là quá trình chảy nhớt.

Khi λ
0
>> X - các phân tử cơ bản là va đập và trao đổi năng
lượng với thành bình chứa. Đây là quá trình chảy phân tử.

Khi λ
0
≈ X - quá trình chuyển tiếp

Số Knudsen: Kn =X/ λ0

- Khi K
n
>> 1 - Điều kiện chảy nhớt

- Khi K
n
<< 1 - Điều kiện chảy phân tử

- Khi K
n
= 1 - Điều kiện chảy chuyển tiếp
24
3.4. Trạng thái chuyển động của chất khí

Trong ống dẫn hình trụ tròn kích thước d:


- Chảy nhớt

- Chảy phân tử

- Chảy chuyển tiếp

Chế độ chảy khi chảy nhớt:

Ở nhiệt độ t
0
= 20
0
C

Q - Lưu lượng dòng chảy - Tor.l/s

d - Đường kính ống dẫn - cm

Khi Re > 2200 - chế độ chảy nhớt rối

Khi Re < 1200 - chế độ chảy nhớt - dòng
01,0
d
0
≤
λ
33,0
d
0
≥

λ
01,0
d
33,0
0
>
λ
≥
d.889,0
Q
Re =
25
CH NG IV. Dòng chảy của khí trong ƯƠ
các thể tích, ống dẫn

4.1. Các khái niệm cơ bản:

4.2. Tính độ dẫn khí trong ống dẫn:

4.3. Xác đònh độ dẫn khí trong ống dẫn: