Technika wysokiej próżni

Podstawowe procesy fizyczne związane z technologią próżni

Piotr Legutko

Plan prezentacji

• podstawowe pojęcia• przemiany gazu doskonałego• zarys teorii kinetycznej gazów• oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią• gaz w ciele stałym

Podstawowe pojęcia

A

Fp ciśnienie gazu

WQU zasady termodynamiki

112

1

2

1

Q

Q

T

Ttemperatura gazu

Próżnia w liczbach Jednostki

1 mbar = 100 Pa

1 Torr = 131,6 Pa = 1 mm Hg

1 mbar = 0,76 Torr

Zakresy próżni Niska 105 – 102 Pa

Średnia 102 – 10-1 Pa

Wysoka 10-1 – 10-6 Pa

Bardzo wysoka (UHV) 10-6 – 10-10 Pa

Ekstremalnie wysoka (XHV) poniżej 10-10 Pa

Rekord próżni 1,3·10-11 Pa

Przemiany gazu doskonałego

constVp Przemiana izotermiczna

constT

pPrzemiana izochoryczna

constT

VPrzemiana izobaryczna

v

p

c

c

constVp

Przemiana adiabatyczna

Ilość gazu

molN A

1100221367,6 23Liczba Avogadro

V

NnKoncentracja (gęstość liczbowa)

Równania stanu gazu

Kmol

JR

TRcVp

31451,8

Równanie stanu gazu doskonałego

(Równanie Clapeyrona)

TRN

NbV

V

ap

A

2

Równanie stanu gazu rzeczywistego

Parowanie

par

parpar

VT

E

dT

dp

Równanie Clausiusa - Clapeyrona

Zarys teorii kinetycznej gazów

• gaz jest złożony z niezmiernie małych atomów i/lub cząsteczek

• cząsteczki te są w nieustannym ruchu

• energia wewnętrzna gazu jest energią kinetyczną wszystkich rodzajów ruchów wszystkich jego cząsteczek

ZałożeniaZałożenia

Zarys teorii kinetycznej gazów

Rokład Maxwella-Boltzmanna

Zarys teorii kinetycznej gazów

Ciśnienie

nkTp gdzie:

n – gęstość liczbowa

k – stała Boltzmanna

T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów

mkT

pJ

2

Strumień gazu

gdzie:

p – ciśnienie

m – masa

k – stała Boltzmanna

T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów

kTEk 2

3

Średnia energia kinetyczna

gdzie:

k – stała Boltzmanna

T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów

Średnia prędkość

m

kTv

8

gdzie:

k – stała Boltzmanna

T – temperatura

m – masa

Zarys teorii kinetycznej gazówCzęstość zderzeń

222 nm

kTdz

gdzie:

d – średnica efektywna

k – stała Boltzmanna

T – temperatura

m – masa

n – gęstość liczbowa

Zarys teorii kinetycznej gazów

Średnia droga swobodna

22

1

dnl

gdzie:

n – gęstość liczbowa

d – średnica efektywna

Zarys teorii kinetycznej gazów

Wartości n, l, J dla różnych p na przykładzie N2 w 295K

p [mbar] n [cm-3] l [cm] J [cm-2s-1]

1013 2,5·1019 6,6·10-6 2,9·1023

10-4 2,5·1012 67 2,9·1016

10-6 2,5 ·1010 6,7·103 2,9·1014

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

• elektrostatycznych

• indukcyjnych

• dyspersyjnych

Cząsteczka znajdująca się w pobliżu powierzchni jest pod wpływem pola sił:

Powodują one przyciąganie cząsteczki

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

... ale w miarę zbliżania zaczynają działać siły odpychania...

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąPotencjał Lenarda-Jonesa:

nm r

B

r

ArE

E

r

przyciąganie

odpychanie

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

Adsorpcja

Chemisorpcja Fizysorpcja

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

r

Epot

2A

EDYS

D (

A--

-A)

Eads

Qfiz

Qchem.

Chemisorpcja atomowego wodoru

Fizysorpcja cząsteczkowego wodoru

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

Wzrost stopnia wysycenia powierzchni

adsorpcja

dyfuzja z wnętrza ciała stałego na powierzchnię

Spadek stopnia wysycenia powierzchni

desorpcja

Czas życia w stanie zaadsorbowanym (wzór Frenkla)

Ed [kJ/mol] τ [s]

2 3,2·10-12

10 3,6·10-6

15 0,02

50 5,8·1024

100 3,4·1062

200 1,1·10138

T = 295K

s

d

RT

Eexp0

τ0 – odpowiada okresowi drgań sieci atomów ciała stałego (10-13 s)

Ts – temperatura powierzchni

Ed – energia desorpcji

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią

Czas życia w stanie zaadsorbowanym można zmniejszyć poprzez wygrzewanie

150 - 300ºC, kilka godzin - dni

Ustalanie równowagi adsorpcyjnej

energia sorpcji, temperatura

stopień wysycenia powierzchni

Wielowarstwowa adsorpcja

siła wiązania kolejnych warstw jest z reguły słabsza niż pierwszej

może prowadzić do kondensacji

Gaz w ciele stałym

Rozpuszczanie gazu w ciele stałym

Prawo Henry’egoPrawo Henry’ego

kkr prn

1

gdzie:

k – liczba atomów w cząsteczce gazu

p – ciśnienie gazu otaczającego ciało stałe

r – stała procesu zwana rozpuszczalnością

cs

aktr

RT

Err exp0

gdzie:

Eaktr – energia aktywacji procesu rozpuszczania

Tcs – temperatura ciała stałego

R – uniwersalna stała gazowa

Gaz w ciele stałym

Dyfuzja gazu

I prawo FickaI prawo Ficka

dx

dnDD

gdzie:

D – współczynnik dyfuzji

dn/dx – gradient koncentracji gazu w ciele stałym

φD – gęstość strumienia dyfundujących cząsteczek gazu

cs

aktywdyf

RT

EDD exp0

gdzie:

Eaktywdyf – energia aktywacji dyfuzji

Tcs – temperatura ciała stałego

R – uniwersalna stała gazowa

Gaz w ciele stałymCiśnienie atmosferyczne Próżnia

Ciało stałe

gradient ciśnieniagradient ciśnienia

Gaz w ciele stałym

Rozpuszczanie gazu w ciele stałym

Dyfuzja gazu w głąb ciała stałego

Przenikanie gazu przez ściany komory próżniowej

Poważne utrudnienie w otrzymywaniu wysokich próżniPoważne utrudnienie w otrzymywaniu wysokich próżni

Dziękuje za uwagęDziękuje za uwagę