Bài Giảng Kỹ Thuật Chân Không

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
CHƯƠNG TRÌNH GIÁO TRÌNH

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MÔN HỌC

KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG
Mã số: 605066

Tác giả:
ThS. Hoàng Minh Nam
Khoa Kỹ thuật Hóa học
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

THÁNG 12/2006
1


MỤC LỤC
Chương I:
Khái niệm cơ bản
Chương II: Khí tự do.
Chương III: Khí tự do ở trạng thái chuyển động.
Chương IV: Dòng chảy của khí trong các thể tích, ống dẫn.
Chương V:
Khí liên kết và vật liệu ứng dụng trong KTCK.
Chương VI: Tính hệ thống chân không.
Chương VII: Kỹ thuật tạo chân không.
Chương VIII: Thiết kế hệ thống chân không.
Chương IX: Phương pháp đo và kiểm tra chân không.
Chương X: Phương pháp làm kín các chi tiết quay trong
KTCK.

2


Taứi lieọu tham khaỷo
1.
2.
3.

High Vacuum Technology Groskowski
NXB Mir.
ng dung chõn khụng trong ki thuõt Lờ
Nguyờn ng NXB KHKT.
Technology for Vacuum systems Vacuum
brand

3


CHƯƠNG I:

BẢN


KHÁI NIỆM CƠ

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


4


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


5

Khái niệm về khí trong
chân không
1.2.



Khí là tập hợp các phần tử trong nguyên
tử










• Có dạng hình cầu (d0,m0)
• 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 (H2, O2, N2 …)
3 nguyên tử hoặc lớn hơn (CO2, SO2,SO3,CH4)
6


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 (t0, p) thì có cùng một thể tích
 Ở t0 = 00C (2730K), 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


7

1.4.

Chân không tuyệt đối
P
Pa
p suất chân
không

P

O

p suất 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.


8


Ảnh hưởng của nhiệt độ
tới độ chân không tuyệt
đối
1.5.



Khi t0 = 00K:
•

Không có dao động nguyên tử
 • Khí đứng yên không chuyển động
 • Khi do PTĐ = 0,nhưng độ chân không 
0
 Khi t0  00K: khí sẽ chuyển động nên
PTĐ  0

9


Khí trong thể tích và trên
bề mặt bình chứa
1.6.

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/cm3 hay 1/m3)
 Khối lượng riêng của khí tự do: ρk=m/v

(g/cm3 hay kg/m3)
 Nồng độ bề mặt:N1=N/A (1/cm2, 1/m2)


10


CHƯƠNG II: KHÍ TỰ DO

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


11


2.1. Khí tự do ở trạng thái tónh:


Năng lượng: đặc trưng bởi vận tốc các
1
2
phân tử khí khi chuyểnwđộng
loạn
 Mhỗn
v

C.
T
0
2



W: Động năng của phân tử khí;
M0 : Khối lượng phân tử;



v: Vận tốc phân tử khí;



v






2 CT

 0 xác đònh vận tốc;
C: Hệ số phụ thuộc vào phương pháp
T: Nhiệt độ trung bình của thể tích khí.

(vH lớn

10vHg 4vO )
Khí càng nhẹ vận tốc càng
2

v 2c.NA .

2

T
M0
12


Các phương pháp xác đònh vận
tốc khí
 Vận


tốc trung bình gần

 Vận

T
M0

tốc trung bình bình phương:

Chọn c = 3/2k

 Vận

vBP 

3
T
.vgđ 1,58.104
2
M0

tốc trung bình số học:

4

T

Chọn c = 4/ . K
vsh  .vgđ 1,46.104
Năng lượng của phân tử khí tính theo vận tốc trung M 0




T
M0

Chọn c = k = 1,38.10-16 - hằng số Bosman
vgđ 1,29



vgđ  2c.NA .
đúng:

bình:
W= 1/2 µovbp2 = 3/2 kT
13


Vận tốc chuyển động của phân tử
(nguyên tử) của một vài loại khí ở các
nhiệt độ khác nhau (m/s)
Khí

Mo

Nhiệt độ, 0K
273

4,2

vgđ

vBP

vSH

77

293

373

773

2773

vSH

H2

2

1510

1710

1850

280

905

1770

2000

2870

5430

He

4

1070

1200

1310

150

640

1250

1410

2030

3840

CH4

16

530

600

650

75

320

625

705

1080

1920

H2O

18

500

565

615

70

300

590

660

950

1810

Ne

20

475

540

580

67

285

555

630

900

1700

Co

28

400

455

495

56

245

470

530

770

1450

N2

28

400

455

495

56

245

470

530

770

1450

KK

29

395

445

485

54

235

460

525

750

1400

O2

32

375

425

460

53

225

440

495

720

1360

Ar

40

335

380

410

47

200

395

445

640

1210

CO2

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

26

110

220

245

355

670

Hg

201

150

170

185

21

90

175

200

285

540
14


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
1
vận tốc v.
P   k .v2BP
3
 p suất khí lên tường phẳng:
2

0 NvBP
P
 p suất khí lên tường cong:
2
4

r
 N - Số phân tử khí; r - bán kính cong

 Đònh


luật Dalton:

p suất của hỗn hợp khí bằng
tổng áp suất
n
Pthành
 Pi phần
riêng phần của các khí



i1

15


2.2. p suất khí
Đơn vò đo áp suất (sử dụng trong chân

không)
 1 Bar = 105 N/m2
 1 mBar = 10-3 Bar
 1 Tor = 133,3 N/m2 = 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


16


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 0C

P (Tor)

760

1

10-3

10-6

10-9

10-12

1015

n(1/cm
3
)

27.
101
8

37.
101
5

37.
101

37.
109

37.
106

37.
103

37

2

17


2.4. Chiều dài chuyển động trung

bình của phân tử khí

1
o 
(cm)

2
2..d0 .n
do - khoảng cách giữa 2 phân tử khí (cm)
Quan hệ giữa o = f(P, T)

T
 o 2,3.10 2
d0 .P
 20



Với:

T = 2930K; do = 3,7.10-8cm (Ar, O2, N2); o= 5.10-3.(cm)



Với không khí: T = 293 0K thì o= 4,7.10-3 (P tính bằng Pa)

18


CHƯƠNG III. KHÍ TỰ DO Ở TRẠNG

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


19


3.1. Nguyên nhân chuyển động
Dòng khuếch tán:
 do chênh lệch nồng độ (n)
 Dòng đối lưu:
 do chênh lệch nhiệt độ (T)


20


3.2. Các đònh luật cơ bản của

chất khí:


Đònh luật Bôi - Mariot: PV = KTm/M0




Đònh luật Gay - Lussac:





Khi V = const thì P  T

Phương trình chuyển đổi nhiệt độ 0K và 0C




Khi P = const thì V  T

Đònh luật Saclơ:




Ở T = const, m = const thì PV = const

T = 273 + t

Phương trình Klaperon:



Lượng khí trong thể tích (phương trình trạng thái
khí lý tưởng
q = P.V - Pa.m3 (Tor.cm3) q = R0 Tm/M0






m - khối lượng khí
M0 - khối lượng phân tử khí
T - nhiệt độ
R0 - hằng số khí tổng hợp

21


3.3. Giá trò R0 phụ thuộc vào thứ

nguyên

P.V

R0

P

V

Tor

Lít

62,36 - Tor.l/mol.0K

Pa

m3

8,315 - Pa.m3/mol.0K

at

m3

0,0821 - at.m3/mol.0K

J

8,315 - J/mol.0K

Cal

1,987 - cal/mol.0K
22


3.4. Trạng thái chuyển động của

chất khí


Kí hiệu:





Các quá trình cơ bản








- 0 - Chiều dài chuyển động trung bình của phân tử khí
- X - Kích thước bình chứa
Khi 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 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 0  X - quá trình chuyển tiếp

Số Knudsen: Kn =X/ 0




- Khi Kn >> 1 - Điều kiện chảy nhớt
- Khi Kn << 1 - Điều kiện chảy phân tử

- Khi Kn = 1 - Điều kiện chảy chuyển tiếp

23


3.4. Trạng thái chuyển động của

chất khí


Trong ống dẫn hình trụ tròn kích thước d:
 - Chảy nhớt 
0

d



0,01

0
0,33
d



- Chảy phân tử



- Chảy chuyển tiếp

0
0,33  0,01
d

Chế độ chảy khi chảy nhớt:
 Ở nhiệt độ t0 = 200C
Q
 Q - Lưu lượng dòng chảy - Tor.l/s
Re
 d - Đường kính ống dẫn - cm
0,889
.d
 Khi Re > 2200 - chế độ chảy nhớt rối
 Khi Re < 1200 - chế độ chảy nhớt - dòng
24


CHƯƠNG IV. Dòng chảy của khí

trong 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:


25