LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU các THIẾT bị CHÂN KHÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN: VẬT LÝ
----------------

----------------

TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: Sư phạm VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Ths. Hoàng Xuân Dinh

Trầm Lộc
Lớp: Sư

phạm Vật lý

Mã số sinh viên: 1060137

Cần Thơ, 05/2010


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật lý, Khoa Sư phạm, Đại học Cần Thơ đã tạo
điều kiện tốt cho em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Xuân Dinh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý đã tận tình giảng dạy,
trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên em
trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép
nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự cảm
thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn.
Sinh viên thực hiện
Trầm Lộc

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 1

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 2

SVTH: TRẦM LỘC

Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 3

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 6
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................ 6
2. MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 6
2.2. Mục đích ......................................................................................................................... 6
2.3. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................... 6
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 7
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 7
5. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 7
NỘI DUNG ........................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 8
1. QUÃNG ĐƯỜNG TỰ DO TRUNG BÌNH ...................................................................... 8
2. CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN........................................................................................ 9
2.1. Hiện tượng khuếch tán ................................................................................................. 10
2.2. Hiện tượng dẫn nhiệt .................................................................................................... 13
2.3. Hiện tượng nội ma sát .................................................................................................. 15
2.4. Kết luận chung ............................................................................................................. 17

3. ÁP SUẤT THẤP ............................................................................................................. 18
3.1. Chân không .................................................................................................................. 18
3.2. Hiện tượng truyền trong chân không ........................................................................... 19
3.3. Kỹ thuật chân không .................................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG ................................................................. 24
1. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG ............................................................................ 24
1.1. Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay............................................................... 24
1.2. Bộ cô đặc hút chân không ............................................................................................ 25
1.3. Thiết bị cô đặc chân không hình cầu ............................................................................ 26
2. THIẾT BỊ SẤY CHÂN KHÔNG ................................................................................... 27
2.1. Bản chất của quá trình sấy ........................................................................................... 27
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 4

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

2.2. Sấy thăng hoa ............................................................................................................... 28
2.3. Một số thiết bị sấy chân không khác ............................................................................ 31
3. THIẾT BỊ CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG .................................................................... 34
3.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................... 34
3.2. Chưng cất chân không trong phòng thí nghiệm ........................................................... 36
3.3. Chưng cất chân không trong công nghiệp.................................................................... 36
4 . THIẾT BỊ LỌC CHÂN KHÔNG .................................................................................. 42
4.1 . Tổng quan quá trình lọc .............................................................................................. 42

4.2 . Thiết bị lọc chân không thùng quay ............................................................................ 44
4.3 . Thiết bị lọc đĩa chân không ......................................................................................... 46
4.4 . Thiết bị lọc băng tải chân không ................................................................................. 46
5 . CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG KHÁC ...................................................................... 48
5.1 . Bình thủy (phích nước) ............................................................................................... 48
5.2 . Đèn điện tử chân không .............................................................................................. 50
5.3 . Thiết bị nâng hút chân không ...................................................................................... 53
5.4 . Máy đóng gói thực phẩm chân không ......................................................................... 53
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 55
1. Ý nghĩa nghiên cứu đề tài ............................................................................................... 55
2. Tóm tắt nội dung ............................................................................................................. 55
3. Phương diện ứng dụng của đề tài .................................................................................... 55
4. Đánh giá .......................................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 56

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 5

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đối với sinh viên Bộ môn Vật lý – Khoa Sư phạm – Trường Đại học Cần Thơ, công
nghệ và thiết bị chân không là một đề tài tương đối mới. Mặc dù công nghệ chân không đã

được nhắc đến trong quá trình học, và hiện tại là một trong những vấn đề đang thu hút sự
quan tâm phát triển của các nhà khoa học (không chỉ trên những nghiên cứu lý thuyết mà
còn là những ứng dụng thực tiễn của công nghệ chân không vào trong thực tiễn cuộc sống).
Tuy nhiên những hiểu biết của sinh viên về nó còn rất hạn chế bởi vì những nghiên cứu về
công nghệ và thiết bị chân không vẫn chưa nhiều và phổ biến bởi một vài lý do khách quan.
Thêm vào đó công nghệ và thiết bị chân không góp phần không nhỏ vào sự phát triển, tiến
bộ của đời sống và sản xuất. Ngày nay, công nghệ và thiết bị chân không xuất hiện ngày
càng phổ biến trong các ngành công nghiệp và trong cuộc sống thường ngày .Vì những lý do
đó, tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu các thiết bị chân không” với mục tiêu tìm hiểu bản
chất của công nghệ chân không cũng như nguyên lý cấu tạo và hoạt động của một số thiết bị
chân không tiêu biểu. Với đề tài này, tôi hy vọng góp chút công sức nhỏ bé nhằm làm phong
phú hơn những hiểu biết về khoa học ứng dụng cho các bạn sinh viên trong khoa nói riêng
và các độc giả của đề tài nói chung.

2. MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
2.2. Mục đích
- Nghiên cứu về quãng đường tự do trung bình, các hiện tượng truyền trong chất khí
và trong chân không.
- Nghiên cứu về lý thuyết và kỹ thuật chân không.
- Nêu lên được những ứng dụng của công nghệ chân không vào trong sản xuất và
thực tiễn đời sống.
- Tìm hiểu được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị chân không điển
hình.
2.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm kiếm các thông tin, dẫn chứng, hình ảnh để minh họa rõ nét cho đề tài.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 6
SVTH: TRẦM LỘC

Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Sự va chạm của các phân tử khí và hiện tượng truyền.
- Công nghệ chân không.
- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị chân không điển hình trong công
nghiệp chế biến thực phẩm, khai khoáng, lọc dầu…; một số thiết bị chân không thường thấy
trong cuộc sống hàng ngày.

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập thông tin, tài liệu từ các nguồn: Internet, báo chí, sách, tài liệu khác.
- Tổng hợp, phân tích các tài liệu thu thập được.

5. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hịên trong thời gian 9 tháng (Từ tháng 8 năm 2009 đến tháng 5 năm 2010)
va được chia ra theo các mốc thời gian như sau:
- Tháng 8/2009: nhận đề tài từ Giáo viên hướng dẫn.
- Từ tháng 8/2009 đến tháng 1/2010: tìm kiếm các nguồn tài liệu phục vụ cho việc
nghiên cứu luận văn, hoàn thành sơ bộ luận văn (Bản nháp) và nộp cho giáo viên hướng dẫn.
- Từ tháng 1/2010 – 4/2010: trao đổi với Giáo viên hướng dẫn về nội dung, điều
chỉnh luận văn.
- Tháng 5/2010: hoàn thành luận văn, nộp bản chính và báo cáo luận văn trước Hội
đồng bảo vệ Luận văn Tốt nghiệp.

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 7

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

NỘI DUNG
1CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. QUÃNG ĐƯỜNG TỰ DO TRUNG BÌNH
- Trong quá trình chuyển động nhiệt, các phân tử khí va chạm nhau. Độ dài quãng
đường giữa 2 lần va chạm kế tiếp gọi là quãng đường tự do (λ).
- Theo mẫu khí lý tưởng, sau khi va chạm với phân tử khác thì nó vẫn tiếp tục chuyển
động theo phương cũ.
- Do tính hỗn loạn của chuyển động, hệ chứa vô số phân tử, nên ta nói đến quãng
đường tự do trung bình ( λ ) của phân tử.
- Để tính λ , ta xét một phân tử A chuyển động với vận tốc U (vận tốc trung bình số
học). A va chạm với các phân tử khác trên đường đi và các phân tử ấy đều coi như là đứng
yên.
Gọi r là bán kính hiệu dụng của phân tử.
Trên đường chuyển động (thẳng), A sẽ va chạm với các phân tử nào đó có tâm nằm
cách đường đi 1 đoạn d ≤ 2r .
Xét một hình trụ, trụ là phương chuyển động của phân tử (Ox), đáy có bán kính R=2r;
đường sinh bằng U , thể tích trụ là V = S .U = 4πr 2 .U
Số phân tử có mặt trong trụ là:
N = n.V = 4πr 2 .U .n (n: mật độ phân tử).

Mỗi phân tử chỉ va chạm 1 lần với phân tử A. Số va chạm trung bình trong một đơn
vị thời gian sẽ bằng:
λ=

U
U
1
=
=
2
2
Z 4πr .U .n 4πr .n

Trong thực tế, các phân tử đều chuyển động, chứ không đứng yên cho nên ta hiệu
chỉnh công thức λ và ta có:
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 8

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
λ=

1
4 2πr 2 .n

* Nhận xét:
1. Cho r = 10 8 cm (kích thước phân tử). Ở điều kiện thường: n = 5.1019 hạt/cm3 và
U = 5.10 4 cm / s thì Z = 3.1019 s −1 và λ = 10 −5 cm

So sánh giữa r và λ , ta có r << λ , phù hợp với khí lý tưởng. Kích thước phân tử có
thể bỏ qua so với quãng đường tự do trung bình.
2. Theo phương trình trạng thái: p = nkT nên λ =

kT
4 2πr 2 p

. Nếu giữ T không đổi, thì

λ tỉ lệ nghịch với áp suất p: áp suất càng tăng thì quãng đường tự do trung bình càng ngắn.

3. Công thức λ chỉ là gần đúng. Tùy theo điều kiện thực tế có thể thay đổi ít nhiều.
Ví dụ: khi đun nóng đẳng tích (n = const), đáng lẽ λ không đổi, song thực tế thì λ tăng:
λ = λ∞

1
T
T
.
=
2
C + T 4 2πr .n C + T

trong đó C là hằng số Xeđeclen, được xác định bằng thực nghiệm. λ ∞ là kí hiệu
mang ý nghĩa là khi T tiến đến ∞ thì λ tiến đến:
λ∞ =

1
4 2πr 2 .n

4. Với không khí ở điều kiện chuẩn, ta có: λ = 7.10 −6 cm .

2. CÁC HIỆN TƯỢNG TRUYỀN
- Các phân tử khí tiến hành chuyển động nhiệt (không ngừng và hỗn loạn). Nếu vì
một lý do nào đó, trong bình có sự không đồng đều về: nhiệt độ, khối lượng riêng, vận tốc
dòng khí (khi khí chuyển động thành dòng), thì theo thời gian, nhờ hiện tượng chuyển động
nhiệt, các phân tử khí va chạm nhau, tính không đồng đều sẽ mất dần đi. Ta bảo rằng trong
chất khí có xảy ra hiện tượng truyền.
- Chú ý rằng, hiện tượng truyền chỉ xảy ra khi đồng thời có sự va chạm phân tử và sự
không đồng đều như trên. Nếu chỉ có một yếu tố, hiện tượng truyền không xảy ra. Sau đây ta
sẽ xét các hiện tượng truyền cụ thể.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 9

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
2.1. Hiện tượng khuếch tán
2.1.1. Xét theo quan điểm vĩ mô

- Cho một khối lượng khí chứa trong một bình kín. Tại lúc nào đấy, ta thấy khối
lượng riêng (ρ) của khí chứa trong bình không đồng đều tại mọi điểm. Ví dụ: ρ1 ≠ ρ 2 ≠ ρ 3
Qua thời gian, khối lượng riêng dần trở nên đồng đều tại mọi điểm trong bình
( ρ1 = ρ 2 = ρ 3 ).
Ta nói rằng: “Trong bình đã xảy ra hiện tượng khuếch tán”.

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng truyền khối lượng của chất khí, từ chỗ có
khối lượng riêng lớn hơn đến chỗ có khối lượng riêng nhỏ hơn.
Nếu ρ1 > ρ 2 thì chiều khuếch tán là chiều từ vị trí (1) đến vị trí (2).
Trong thời gian có xảy ra hiện tượng khuếch tán, tại mỗi điểm, ρ thay đổi (ρ=mn);
nhưng sự thay đổi đó là khá chậm (có thể coi như ρ=mn không đổi trong khoảng thời gian dt
đủ bé), đây là hiện tượng khuếch tán dừng, (để phân biệt với khuếch tán không dừng). Ta chỉ
xét khuếch tán dừng.
Giả sử sự khuếch tán xảy ra dọc theo trục Ox. Xét 2 điểm A và B nằm trên trục
ấy, cho ρ1 là khối lượng riêng của khí tại điểm A và ρ 2 là khối lượng riêng của khí tại điểm
B.
Với ρ1 > ρ 2 . Ta viết ρ1 − ρ 2 = dρ và AB = dx.
Do đó:

ρ1 − ρ 2
AB

=−

dρ
được gọi là građien khối lượng riêng của khí theo phương
dx

truyền.
Xét một tiết diện bất kì dS vuông góc với trục Ox. Gọi dM là lượng khí truyền qua
dS trong thời gian dt . Thực nghiệm cho thấy rằng:
dM :~ dS; ~ dt; ~

Vậy ta có thể viết:

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

dM = −k

dρ
dx

dρ
dS .dt
dx

Trang 10

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Dấu “-“ diễn tả chiều truyền, là chiều từ vị trí có ρ lớn đến vị trí có ρ nhỏ hơn:
dρ
<0
dx

k được gọi là hệ số khuếch tán, phụ thuộc bản chất, áp suất và nhiệt độ chất khí
mà ta khảo sát.
2.1.2. Xét theo quan điểm vi mô
- Dùng thuyết Động học phân tử, ta xét hiện tượng khuếch tán nói trên. Hiện
tượng khuếch tán là hiện tượng truyền khối lượng khí từ chỗ có mật độ phân tử lớn hơn sang
chỗ có mật độ phân tử nhỏ hơn. Các phân tử khí do chuyển động hỗn loạn, đi qua dS theo

hai chiều ngược nhau. Xét khoảng thời gian dt, qua dS có:
N1 phân tử chuyển động theo chiều dương trục Ox.
N2 phân tử chuyển động theo chiều âm trục Ox.
Gọi m là khối lượng của mỗi phân tử.
Khối lượng khí đã truyền qua dS trong thời gian dt: dM = m( N 1 − N 2 )
Muốn tính dM ta hãy tính N1 và N2.
Hãy chia trục Ox ra thành từng đoạn λ , tại mỗi điểm phân chia, có xảy ra va
chạm giữa các phân tử, giữa hai điểm phân chia không xảy ra va chạm. Nơi va chạm là nơi
có sự thay đổi mật độ phân tử, tức là có xảy ra khuếch tán.
Vùng không va chạm không có xảy ra khuếch tán. Đặt dS tại nơi có khuếch tán.
Hai bên dS, ta tưởng tượng vẽ hai khối trụ nối đáy, đường sinh bằng λ , song song với Ox.
Sự khuếch tán qua dS thực chất là sự trao đổi phân tử trong hai hình trụ này.
Gọi u : là vận tốc trung bình số học của các phân tử khí.
n1: là mật độ phân tử trong hình trụ (A) thể tích là λ.dS . Trong trụ (A) có
n1 λdS phân tử.

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 11

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Theo mô hình chuyển động của khí lý tưởng, trong số phân tử ấy, chỉ có
chuyển động theo phương Ox, và chỉ có

1
n1 λdS phân tử đi qua dS theo chiều dương. Thời
6

gian cần thiết để số phân tử này chuyển hết sang dS là t =

λ
u

.

Trong một đơn vị thời gian, số phân tử đi qua dS là

1 n1 λ .dS
.
6
t

Trong thời gian dt, số phân tử đi qua dS là:
1 n .λ .dS .dt 1 n1 .λ .dS .dt 1
N1 = . 1
= .
= .n1 u.dS .dt
6
6
6
t
λ
u
1

6

Lý luận tương tự, ta có: N 2 = .n2 u.dS .dt
⇒ dM = m( N 1 − N 2 ) =

1
m.u.(n1 − n 2 ).dS .dt
6

Mặt khác: n2 − n1 = dn ⇒ n1 − n2 = −dn . Xét hình vẽ, ta có:
Vậy: n1 − n2 = −

n1 − n 2

2λ

=−

dn
dx

2λ .dn
dx

Dấu (-) chỉ rằng mật độ phân tử giảm theo chiều truyền:
1
dn
1
dn
dM = − m u.2λ

dS .dt = − u.λm dS .dt
6
dx
3
dx

Với m là một hằng số đã biết nên ta viết:
1
d (mn)
1
dρ
dS .dt
dM = − u.λ
dS .dt = − u.λ
3
dx
3
dx
1
3

So sánh với các công thức trên, ta có: k = u.λ
* Nhận xét: λ ~
u~ T

;

1
1
, do đó k ~ , hệ số khuếch tán tỉ lệ nghịch với áp suất

p
p

λ ~ T ==>

1
3

k~ T

Ngoài ra k còn phụ thuộc bản chất chất khí.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 12

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
2.2. Hiện tượng dẫn nhiệt

Do tính không đồng đều về nhiệt độ trong bình khí và sự va chạm phân tử mà trong lòng
chất khí có hiện tượng dẫn nhiệt.
2.2.1. Xét theo quan điểm vĩ mô
Sự dẫn nhiệt trong chất khí là do sự truyền nhiệt lượng từ lớp khí nóng hơn sang
lớp khí lạnh hơn, khi hai lớp khí này tiếp xúc nhau trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt độ tại mỗi
điểm phải thay đổi theo thời gian, nhưng sự dẫn nhiệt nói chung xảy ra chậm, nên có thể
xem nhiệt độ không đổi trong thời gian dt đủ nhỏ.
Giả sử sự dẫn nhiệt xảy ra theo trục Ox.

Xét hai điểm A và B, trong bình khí, nằm trên trục Ox.
Nhiệt độ TA > TB. Nhiệt lượng sẽ truyền từ A đến B.
Cho dQ: nhiệt lượng đã truyền qua dS trong thời gian dt. Cũng lý luận như đối với
sự khuếch tán, ta có:
dQ = − D

dT
dS .dt
dx

với dT = T2 − T1

D: hệ số dẫn nhiệt, phụ thuộc bản chất chất khí và nhiệt độ vốn có của khí.
2.2.2. Xét theo quan điểm vi mô
Trong quá trình chuyển động hỗn loạn, các phân tử va chạm nhau, truyền động năng
cho nhau. Truyền nhiệt lượng trong chất khí chính là truyền một phần động năng trung bình
của các phân tử ở lớp nóng hơn cho các phân tử ở lớp lạnh hơn, sự trao đổi năng lượng chỉ
xảy ra lúc va chạm. Ngoài lúc ấy không có sự thay đổi. (Chỉ xét dạng chuyển động tịnh tiến).
Xét 2 trụ A và B chung đáy, như trên, sự truyền nhiệt xảy ra ngay tại đáy dS.
3
2

Gọi W 1 : là động năng trung bình của các phân tử trong trụ (A): W 1 = kT1
3
2

Cũng vậy: W 2 = kT2
T1, T2 là nhiệt độ các điểm A và B do chuyển động nhiệt, sẽ có hai dòng phân tử, đi
theo hai chiều ngược nhau, qua dS dọc theo phương x. Gọi N1 là số phân tử từ phía A qua dS
để sang B trong thời gian dt. Lý luận như trên ta có:

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 13

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
N1 =

1
n1 u.dS .dt
6

N2 là số phân tử chuyển động ngược lại qua dS trong thời gian dt:
N2 =

1
n 2 u.dS .dt
6

Ở đây ta không xét đến sự khuếch tán, mà ta chỉ xét sự dẫn nhiệt, nên ta coi:
n = n1 = n2 . Đáng lẽ ta có: u 1 ≠ u 2 vì T1 ≠ T2
u=

8 RT

nhưng u 1 ~ T1 ; u 2 ~ T2

πµ

Ta có u 1 và u 2 khác nhau rất ít, nên gần đúng ta coi:
1
6

Động năng trung bình của N1 phân tử là: N 1W 1 = n.u.W 1 dS .dt
1
6

Động năng trung bình của N2 phân tử là: N 2 W 2 = n.u.W 2 dS .dt
( T1 ≠ T2 nên W 1 ≠ W 2 )
Khi va chạm tại dS, N1 phân tử đã truyền cho N2 phân tử phần động năng trung bình
bằng:
dW = N 1W 1 − N 2 W 2 =
dW =

1
1
3
n.u.(W 1 − W 2 )dS .dt = n.u k (T1 − T2 )dS .dt
6
6
2

1
n.u.k (T1 − T2 )dS .dt
4

Đặt − dT = T1 − T2 ;

AB = 2λ

⇒ T1 − T2 = −2λ

dT
dx

1
dT
1
dT
dS .dt
d W = − n.u.k .2.λ
dS .dt = − n.u.k .λ
4
dx
2
dx

Phần động năng truyền dW chính là phần nhiệt lượng truyền qua dS trong thời gian
1
2

dt : dQ = dW = − n.u.k .λ

dT
dS .dt
dx

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 14

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
So sánh với công thức vĩ mô: dQ = − D
Ta có:

D=

dT
dS .dt
dx

1
n.u.k .λ
2
2
3

Nhận xét: hằng số k = CV .m với CV là nhiệt dung riêng đẳng tích.
D=

1

2
n.u.λ. .CV .m với m.n = ρ (khối lượng riêng)
2
3
1
⇒ D = CV .ρ .λ .u
3

Nếu T không đổi thì theo hệ thức: p = n.k.T, ta thấy:
ρ ~ p và λ ~

1
nên D không phụ thuộc áp suất.
p

Vậy hệ số dẫn nhiệt không phụ thuộc áp suất mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất
chất khí mà thôi.
2.3. Hiện tượng nội ma sát
2.3.1. Xét theo quan điểm vĩ mô
Cho một bình khí. Ngoài chuyển động nhiệt, các phân tử khí còn chuyển động
thành dòng (theo phương Ox chẳng hạn).
Trong bình tồn tại nhiều lớp khí, sắp xếp song song, theo phương Oy tức phương
vuông góc Ox. Tại mỗi lớp, các phân tử cùng chuyển động theo dòng theo vận tốc dòng Ω
sao cho: Ω1 ≠ Ω 2 ≠ Ω 3 ≠ ...
Nếu Ω1 > Ω 2 thì lớp (1) kéo lớp (2) làm cho lớp (2) chảy nhanh hơn. Ngược lại,
lớp (2) kìm hãm lớp (1). Ta bảo trong chất khí có phát sinh lực nội ma sát. Vậy hiện tượng
nội ma sát là hiện tượng sinh ra lực ma sát giữa các lớp khí chuyển động thành từng dòng
với vận tốc khác nhau gọi là vận tốc dòng Ω. Lớp có vận tốc dòng lớn hơn kéo lớp có vận
tốc dòng nhỏ hơn (theo hướng chuyển động của dòng), ngược lại lớp có vận tốc dòng nhỏ
hơn kìm hãm lớp có vận tốc dòng lớn hơn. Vì vậy, tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp khí xuất hiện

lực ma sát f.
Nếu f là lực kéo: cùng chiều với đường dòng.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 15

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Nếu f là lực hãm: ngược chiều với đường dòng.
Gọi f: cường độ lực nội ma sát; dS: diện tích tiếp xúc giữa các lớp.
dΩ
: gradient vận tốc dòng theo phương vuông góc với dòng (phương Oz)
dx
dΩ
dS
dx

Theo thực nghiệm, ta có: f = η
Trong đó: η là hệ số nội ma sát.

dΩ
< 0 : f có chiều ngược với dòng chảy. Lực nội ma sát ám chỉ lực tác dụng của
dx

lớp chảy chậm tác dụng lên mặt tiếp xúc của lớp chảy nhanh hơn.
2.3.2. Xét theo quan điểm vi mô

Hiện tượng nội ma sát là hiện tượng truyền một phần động lượng của các phân tử khí tham
gia chuyển động dòng. Các phân tử này do chuyển động nhiệt nên nó đi từ lớp khí có vận tốc
dòng Ω1 lớn hơn sang lớp có vận tốc dòng Ω2 nhỏ hơn. Vì vậy, nó truyền bởi một phần động
lượng của mình cho các phân tử ở lớp này và động lượng của chúng thay đổi theo thời gian.
Do vậy tại mặt tiếp xúc xuất hiện lực gọi là lực nội ma sát. Trong trường hợp này, mỗi phân
tử tham gia hai chuyển động:
Chuyển động dòng: với vận tốc Ω và động lượng mΩ.
Chuyển động nhiệt: chạy từ lớp này sang lớp kia (lân cận). Các phân tử lớp
(1) va chạm với các phân tử lớp (2) và truyền động lượng cho nhau.
Nếu Ω1 > Ω 2 thì mΩ1 > mΩ 2 : lớp (1) sẽ truyền động lượng cho lớp (2), lớp (1)
kéo lớp (2) chảy nhanh thêm. Bản thân lớp (1) giảm động lượng nên chảy chậm lại: lớp (2)
kìm hãm lớp (1).
Xét hai lớp khí A và B, ở hai bên biên giới, tâm dS là O, hai trụ chung đáy có
đường sinh bằng λ
Đặt OA = OB = λ . Gọi N1 là số phân tử trong trụ A (bên lớp 1) và B (bên lớp 2) do
chuyển động nhiệt đến tại dS trong thời gian dt. Ta có:
N1 =

1
n1 u.dS .dt
6

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

và

N2 =

1
n 2 u.dS .dt

6

Trang 16

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
Vì rằng n1 = n2 = n;

T1 = T2 = T ;

u 1 = u 2 = u ; nên N 1 = N 2 = N ;

N1 phân tử va chạm với N2 phân tử tại dS và truyền cho chúng động lượng.
1
dk = − n.u.dS .m.(Ω1 − Ω 2 )dt
6

Trị số này cũng là biến thiên động lượng của N phân tử lớp (1) sau khi va chạm tại
dS. Theo cơ học Niutơn, ta có:
f =

dk
1
= − n.u.dS .m.(Ω1 − Ω 2 )
dt
6

Xét hình vẽ, ta có:
dΩ
Ω 2 − Ω1 dΩ
=
⇒ Ω 2 − Ω1 = 2λ .
dx
dx
2λ

Vậy:

1
dΩ
f = u.ρ .λ
dS
3
dx

với ρ=m.n

So sánh 2 công thức theo quan điểm vi mô và vĩ mô, ta có hệ số nội ma sát:
1
3

η = ρ .u.λ

2.4. Kết luận chung
Ở trên ta đã lần lượt xét ba hiện tượng truyền với các hệ số truyền tương ứng:
1

3

a/ Khuếch tán: truyền khối lượng: k = u.λ
1
3

b/ Dẫn nhiệt: truyền động năng: D = CV .ρ .λ .u
1
3

c/ Lực nội ma sát: truyền động lượng: η = ρ .u.λ
Các phương trình truyền có dạng chung:

dG = − R

dH
dS .dt
dx

Trong đó dG: phần đại lượng được truyền
dH
: gradien đại lượng Vật lý mang tính không đồng đều. Do tính
dx

không đồng đều của đại lượng này ở trong hệ, cộng với tác dụng chuyển động nhiệt của các
phân tử cấu hành hệ mà phát sinh hiện tượng truyền, nhờ truyền mà dẫn tới tính đồng đều.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 17

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

R: là hệ số truyền. Trong cả 3 trường hợp R đều phụ thuộc λ . Ta có thể
đo R bằng thực nghiệm rồi tính giá trị λ .
Các công thức diễn tả hiện tượng truyền đều là gần đúng. Chúng đặc biệt đúng khi
ở điều kiện thường. Tại áp suất khá thấp chúng sai lệch rõ.

3. ÁP SUẤT THẤP
3.1. Chân không
Chân không, trong lý thuyết cổ điển, là không gian không chứa vật chất. Như vậy chân
không có thể tích khác không và khối lượng (và do đó năng lượng) bằng không. Do không
có vật chất bên trong, chân không là nơi không có áp suất.
Một số lý thuyết lượng tử cho biết khái niệm chân không theo nghĩa cổ điển không tồn tại,
do vi phạm nguyên lý bất định. Chân không, theo các lý thuyết này, luôn có sự dao động
khối lượng (và do đó năng lượng) nhỏ. Điều này nghĩa là, ở một thời điểm nào đó, luôn có
thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên các hạt có năng lượng dương và một thời điểm khác hạt
này biến mất. Các hạt ngẫu nhiên xuất hiện trong chân không tạo ra một áp suất gọi là áp
suất lượng tử chân không. Các thí nghiệm đo đạc áp suất này sẽ giúp khẳng định độ chính
xác của các lý thuyết lượng tử về chân không.
Trong thực tế, không có nơi nào trong vũ trụ quan sát được tồn tại chân không hoàn hảo như
lý thuyết. Các thí nghiệm và các ứng dụng thực tế có thể tạo ra các không gian chứa ít vật
chất và có áp suất thấp. Những không gian này cũng hay được gọi là "chân không" trong kỹ
thuật, như khi nói về máy bơm chân không, tùy theo quy ước về giới hạn áp suất thấp. Như
vậy, chân không được hiểu là khoảng không-thời gian cụ thể có mật độ vật chất thấp hoặc
rất thấp. Lưu ý, khái niệm thấp và rất thấp ở đây được hiểu một cách tương đối...

Trang thái chân không, do đó, hiểu là trạng thái có áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển trung
bình chuẩn, và được chia thành:
Chân không thấp (p > 100Pa)
Chân không trung bình (100Pa > p > 0.1Pa)
Chân không cao (0.1Pa > p >10-5Pa)
Chân không siêu cao (p < 10-5Pa)
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 18

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Nói chung, nơi có điều kiện gần với chân không nhất là khoảng không giữa các thiên thể,
hoặc khoảng không ở ngoài rìa vũ trụ (cách trung tâm Vụ Nổ Lớn hơn 15 tỷ năm ánh sáng).
Hạt photon của ánh sáng và bức xạ điện từ được cho là di chuyển trong chân không, đúng
hơn là trong không gian không có vật chất nào ngoài hạt này, với tốc độ không đổi và không
phụ thuộc vào hệ quy chiếu, thường được gọi là tốc độ ánh sáng.
Khi ta xét các hiện tượng truyền, sự tương tác xảy ra lúc các phân tử chuyển động
nhiệt mà không va chạm, chất khí có đặc điểm gì?
Biết rằng λ ~

1
, p giảm thì λ tăng. Muốn giảm p, ta giảm mật độ khí trong bình (p
p

= nkT) bằng cách hút bớt khí trong bình ra. Càng hút bớt khí, p càng giảm, λ càng tăng cho
đến khi λ ≥ d (kích thước của bình). Lúc bấy giờ, các phân tử khí chỉ va chạm vào thành
bình và không hề va chạm nhau trong quá trình chuyển động nhiệt. Áp suất giảm đến mức
ấy gọi là áp suất thấp.
VD: p = 10-6 mmHg, bình 1m, λ = vài chục mét
Bình có áp suất thấp như vậy gọi là bình chân không. Khái niệm chân không mang
tính tương đối vì tùy thuộc vào d.
3.2. Hiện tượng truyền trong chân không
Hãy chọn sự dẫn nhiệt làm ví dụ: Lấy 2 tấm A1 và A2 (với T1>T2) đặt cách nhau khoảng d:
giữa A1 và A2 là áp suất thường ( λ ≤ d ) thì sự dẫn nhiệt xảy ra như đã mô tả ở trên: D không
phụ thuộc áp suất p.
Nếu thực hiện chân không giữa hai tấm: ( λ ≥ d ) thì hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra
khác hẳn. Xét một phân tử B nào đấy, B va chạm vào A1 sẽ có W 1 tương ứng với T1. B bay
sáng A2, va chạm vào A2 nó truyền bớt động năng để còn lại W 2 < W 1 .
Vậy: phân tử B đóng vai trò sự truyền nhiệt từ thành A1 sang thành A2 trực tiếp
bằng cách nhận động năng của các phân tử thành A1 và mang sang truyền cho các phân tử
thành bình A2. Số phân tử ngày càng giảm (tức p giảm), tức tác nhân gây truyền nhiệt ngày
càng ít, thì sự truyền nhiệt càng kém. Vậy trong chân không D phụ thuộc vào p.
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 19

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp

Ứng dụng hiện tượng này vào việc chế tạo bình “técmốt”, thực hiện chân không

giữa hai vỏ thủy tinh. Hệ số dẫn nhiệt trở nên rất bé.
3.3. Kỹ thuật chân không
Kỹ thuật chân không đóng vai trò rất quan trọng trong nền khoa học và kĩ thuật hiện
đại. Hiện nay đã đạt được đến 10-13 mmHg, với mật độ hạt 103 hạt/cm3.
- Kết hợp với việc thực hiện nhiệt độ thấp, về nguyên tắc có thể đạt đến 10-30mmHg.
- Kĩ thuật chân không thường được thực hiện bằng các loại bơm hút khí như bơm
khuếch tán, bơm phân tử…..
Trong kỹ thuật chân không, người ta thường sử dụng một số đơn vị sau:
Bảng 1-1. Một số đơn vị đo áp suất
Đơn vị áp suất
pao (áp
atmôtphe kỹ

suất) trên

pascal

bar

thuật

atmôtphe

torr

một inch

(Pa)

(bar)

(at)

(atm)

(Torr)

vuông
(psi)

1 Pa

≡ 1 N/m2

10−5

1 bar

100000

≡ 106 dyn/cm2

1,0197

0,98692

750,06

14,504

1 at

98.066,5

0,980665

≡ 1 kgf/cm2

0,96784

735,56

14,223

1 atm

101.325

1,01325

1,0332

≡ 1 atm

760

14,696

1 torr

133,322

1,3332×10−3

1,3595×10−3 1,3158×10−3

1 psi

6.894.76

68,948×10−3

70,307×10−3 68,046×10−3

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

1.0197×10−5 9.8692×10−6 7.5006×10−3 145,04×10−6

Trang 20

≡ 1 Torr;
≈ 1 mmHg
51,715

19,337×10−3
≡ 1 lbf/in2

SVTH: TRẦM LỘC

Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
3.3.1. Bơm khuếch tán

Bơm khuếch tán là thiết bị dùng để tạo chân không cao ở mức độ trung bình (từ 10-3 10-7 Torr) hoạt động dựa trên nguyên lý khuếch tán các phân tử khí nhờ sự hấp phụ của các
phân tử dầu bị bay hơi.
3.3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm khuếch tán:
Bơm khuếch tán chỉ có thể làm
việc khi môi trường đạt độ chân không
sơ cấp cần thiết (từ 10-3 đến 10-4 Torr).
Để đạt được chân không đó, ban đầu
người ta dùng một bơm sơ cấp là bơm
chân không cơ học để tạo ra chân
không sơ cấp ban đầu. Cấu tạo chính
của bơm khuếch tán là một buồng đốt
nhiều tầng. Người ta sử dụng buồng đốt
để đun sôi một loại dầu (gọi là dầu
chân không) có nhiệt độ hóa hơi thấp.
Các dòng hơi dầu khi bay hơi lên sẽ
hấp phụ các phân tử khí khuếch tán từ

Hình 1-1. Cấu tạo bơm khuếch tán

môi trường cần tạo chân không cao.
Sau khi hấp phụ, dầu được làm lạnh và bị rơi xuống, nhả các phân tử khí theo một đường
khác (nhờ hệ bơm cơ học đi kèm) và quay trở lại buồng đốt.
3.3.1.2. Ưu điểm và nhược điểm:
•

Ưu điểm: Bơm khuếch tán có ưu điểm là dễ dàng tạo ra chân không với công suất lớn
và tốc độ làm việc nhanh (có thể tới vài chục mét khối trong một giây) và có giá thành
thấp.

•

Nhược điểm: Điểm kém của bơm khuếch tán là giới hạn làm việc, nó không thể tạo ra
các chân không quá lớn (chỉ không quá 10-7 Torr, đạt tới 10-8 Torr là rất khó khăn) và
nó đòi hỏi lượng nước làm lạnh rất lớn.

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 21

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
3.3.2. Bơm turbo phân tử

Bơm phân tử, hay còn gọi là bơm turbo là một thiết bị tạo chân không cao (có thể đạt
tới 10-7 đến 10-9 Torr), dựa trên nguyên tắc cuốn các phân tử khí dư trong môi trường chân
không sơ cấp nhờ va chạm với một động cơ quay với tốc độ cao (động cơ phản lực - động cơ
turbo).
Bơm turbo phân tử được phát minh vào năm 1958 bởi Becker dựa trên các thành tựu đã
được phát triển từ năm 1913 (bởi Gaede), năm 1923 (bởi Helweck) và năm 1944 bởi
Siegbahn. Bơm phân tử thực sự đem lại hiệu quả cao nhờ ứng dụng nguyên lý động cơ phản
lực.

3.3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm turbo phân tử:

Hình 1-2. Cấu tạo bơm turbo phân tử
Bơm turbo phân tử là thiết bị tạo ra chân không cao theo nguyên lý cuốn các phân tử
khí ở trạng thái khí kém nhờ một động cơ quay với tốc độ rất lớn. Để bơm có thể hoạt động,
ban đầu cần tạo ra chân không sơ cấp (cỡ 10-3 Torr) nhờ một bơm cơ học. Khi bơm hoạt
động, rôto của bơm là hệ thống các cánh quạt được tăng tốc đến vận tốc lớn như động cơ
phản lực và sẽ cuốn các phân tử khí để tạo môi trường chân không cao. Vì quay với tốc độ
rất lớn nên động cơ sẽ rất nhanh bị nóng và đòi hỏi làm mát bằng nước hoặc dầu.
3.3.2.2. Ưu điểm và nhược điểm:
Ưu điểm:
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 22

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
• Thời gian khởi động để bơm làm việc nhanh.

• Tạo được áp suất chân không cao (10-7 - 10-9 Torr)
• Vận tốc hút khí khác nhau với các loại khí khác nhau (do đó có thể dùng để tách
đồng vị).
Nhược điểm:
• Đòi hỏi cơ khí chính xác đặc biệt cao, làm cho giá thành của bơm rất cao.
• Bơm dễ hỏng khi có hạt vật rắn (thủy tinh, kim loại…) rơi vào hệ thống rãnh của
bơm.

GVHD: HOÀNG XUÂN DINH

Trang 23

SVTH: TRẦM LỘC


Tìm hiểu các thiết bị chân không

Luận văn tốt nghiệp
2CHƯƠNG

2: CÁC THIẾT BỊ CHÂN KHÔNG

1. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG
1.1. Thiết bị cô đặc chân không dạng thùng quay
Hiện nay, trên thị trường khá phổ biến loại thiết bị cô đặc chân không có dạng thùng cố
định, hai vỏ, có cánh khuấy bên trong. Tuy nhiên, thiết bị này có nhược điểm là chỉ sử dụng
để cô đặc các sản phẩm dạng lỏng mà không thể dùng để cô
đặc các sản phẩm dạng hỗn hợp gồm quả và miếng, bởi khi
làm việc cánh khuấy hoạt động sẽ làm vỡ, nát quả và miếng
trong dịch, ảnh hưởng xấu đến trạng thái của sản phẩm. Thiết
bị cô đặc chân không dạng thùng quay do Trung tâm Công
nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm (Sở Khoa học và
Công nghệ Hà Nội) chế tạo có thể dùng cô đặc được các sản
phẩm dạng lỏng và dạng hỗn hợp, làm tăng khả năng bay hơi
của dung môi, tăng khả năng thẩm thấu chất hoà tan vào sản Hình 2-1. Thiết bị cô đặc chân
không dạng thùng quay
phẩm (quả, miếng), giữ được màu sắc, mùi vị đặc trưng và

trạng thái của sản phẩm.
1.1.1. Cấu tạo của thiết bị
Thiết bị gồm một thùng chứa hai vỏ làm bằng inox, được quay quanh một trục
nghiêng nhờ hệ thống ổ trục, bánh răng, động cơ. Bên trong thiết bị có các gờ để tăng hiệu
suất truyền nhiệt giữa các pha, tăng khả năng bốc hơi của dung môi. Độ chân không trong
thiết bị được tạo ra nhờ hệ thống bơm chân không. Áp suất chân không tối đa đạt -730
mmHg. Trong quá trình làm việc, thùng chứa được quay, làm toàn bộ khối hỗn hợp (quả,
miếng và dịch) cùng quay nên sản phẩm không bị vỡ nát mà hiệu suất cô đặc vẫn đạt yêu
cầu.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Dung dịch hoặc hỗn hợp (quả, miếng và dịch) cho vào thiết bị qua cửa nạp nguyên
liệu 3. Sau đó đóng chặt cửa lại. Thiết bị được quay với vận tốc 3-5 vòng/phút nhờ hệ thống
GVHD: HOÀNG XUÂN DINH
Trang 24
SVTH: TRẦM LỘC