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真空技术及应用

真空技术及应用

【作者:古水来源:初中物理学习网录入:古水更新时间：2008-6-10 16:29:39】

单独作为一节讨论的原因。在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前，即饱和度<1时，我们可以使用前面介绍的理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，情况却大不相同，如果我们对饱和蒸汽继续作等温压缩，蒸汽压力将不再升高而是维持饱和蒸汽压的值不变，即不再服从波义耳--马略特定律，为多余部分的蒸汽将凝聚为液态或固态；反之，在饱和蒸汽与其凝聚相(液态或固态)平衡共存的情况下，对蒸汽作等温膨胀，蒸汽的压力也不会降低，而是其凝聚相不断蒸发或升华来补充蒸汽，直至全部变成蒸汽为止。饱和蒸汽与其凝聚相间的这种等温相变，尤其是水蒸汽的存在，在真空工程中有着不容忽视的影响。
　　从上面的分析可知；在相联通的真空系统中，如果某一处存在有挥发性较强的固体或液体，那么此处就相当于系统中的一个放气源，使该物质在系统中的分压力始终为对应温度下的饱和蒸汽压，这常常会限制系统极限真空度的提高；如果相联通的真空系统各部分温度不同，那么整个系统中蒸汽的分压力都将与最低温度所对应的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽物质最后都将凝聚在具有最低温度的表面上，这正是低温冷阱可以提高系统真空度的原理。
　　饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题。以最常见的旋片泵为例：一个抽气周期包括进气腔膨胀吸气、隔离和排气腔压缩排气三步骤。如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大，在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前，水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压，那么继续压缩的过程中，就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中，无法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽，增大吸气侧的水蒸汽比例和压力，导致泵的抽气能力和极限真空的下降。若要保证水蒸汽能够全部排出泵外而不发生液化，那么吸入的水蒸汽分压力p_v、永久气体分压力p_p、对应泵温下的水蒸汽饱和蒸汽压A和泵的排气压力Pe间应满足如下关系：
p_v / p_v+p_p＜p_s/ p_e 或 p_v / p_p ＜ p_s / p_e-p_s (26)

　　例如：取泵的排气压强p_e=1.1×lO⁵Pa，泵温70^oC时水的饱和蒸汽压声，p_s=3.125×10⁴Pa，则水蒸汽占吸入气体的比例必须小于p_s/ p_e=28.3％。在抽气后期，尤其是空气湿度较大时，这一条件很难达到。因为此时被抽容器内的永久气体成份已经很少，但容器内表面凝结的水蒸汽却不断放出，所占比例就变得很大。解决这一问题的一个传统方法是加气镇，即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在达到饱和前便被排出。
　　水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计(麦氏计)的精确使用。测量读数时，如果测量管内经过压缩的气体中，水蒸汽的分压力尚低于当时饱和蒸汽压，那么读数表示的是水蒸汽和永久气体的全压力；若水蒸汽已经达到饱和发生液化，那么读数会比永久气体的分压力高一些，但无法得到准确的数据。为消除水蒸汽对测量的干扰，常在麦氏计前安一低温冷讲，这样测得的就只是永久气体的分压力。
　　液体(或固体)在真空中蒸发(或升华)变成蒸汽时需要吸收热量，称为汽化热。物质的汽化热随着汽化温度的升高而略有降低。比如lmol水，在50^oC汽化，汽化热为42780J，而在100^oC汽化，汽化热为40680J。蔬菜真空保鲜工艺中，让蔬菜的一部分水份在真空中蒸发抽除，这些水蒸发时要从蔬菜体内吸取汽化热，从而使蔬菜在脱水同时降温，正是利用了水蒸发吸热的原理；这种现象有时也会给真空操作带来问题，比如在大型真空装置中积存一些水，抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除，而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰，余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发，从而延长抽真空的时间。

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