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 ciśnienie gazu zasady termodynamiki Ciśnienie gazu – stosunek siły wywieranej przez gaz na powierzchnię do pola tej powierzchni temperatura gazu

Próżnia w liczbach Jednostki Zakresy próżni Rekord próżni 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 Przemiana izotermiczna Przemiana izochoryczna Przemiana izobaryczna Przemiana adiabatyczna

Ilość gazu Liczba Avogadro Koncentracja (gęstość liczbowa)

Równania stanu gazu Równanie stanu gazu doskonałego (Równanie Clapeyrona) Równanie stanu gazu rzeczywistego

Równanie Clausiusa - Clapeyrona Parowanie Równanie Clausiusa - Clapeyrona

Zarys teorii kinetycznej gazów Założenia 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

Zarys teorii kinetycznej gazów Rokład Maxwella-Boltzmanna

Zarys teorii kinetycznej gazów Ciśnienie gdzie: n – gęstość liczbowa k – stała Boltzmanna T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów Strumień gazu gdzie: p – ciśnienie m – masa k – stała Boltzmanna T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia energia kinetyczna gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura

Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia prędkość gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura m – masa

Zarys teorii kinetycznej gazów Częstość zderzeń gdzie: d – średnica efektywna k – stała Boltzmanna T – temperatura m – masa n – gęstość liczbowa

Zarys teorii kinetycznej gazów Średnia droga swobodna 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 Cząsteczka znajdująca się w pobliżu powierzchni jest pod wpływem pola sił: elektrostatycznych indukcyjnych dyspersyjnych Powodują one przyciąganie cząsteczki

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią ... ale w miarę zbliżania zaczynają działać siły odpychania...

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią Potencjał Lenarda-Jonesa: E r przyciąganie odpychanie

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią Adsorpcja Chemisorpcja Fizysorpcja

Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią 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) T = 295K 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 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’ego gdzie: k – liczba atomów w cząsteczce gazu p – ciśnienie gazu otaczającego ciało stałe r – stała procesu zwana rozpuszczalnością gdzie: Eaktr – energia aktywacji procesu rozpuszczania Tcs – temperatura ciała stałego R – uniwersalna stała gazowa

Gaz w ciele stałym Dyfuzja gazu I prawo Ficka gdzie: D – współczynnik dyfuzji dn/dx – gradient koncentracji gazu w ciele stałym φD – gęstość strumienia dyfundujących cząsteczek gazu gdzie: Eaktywdyf – energia aktywacji dyfuzji Tcs – temperatura ciała stałego R – uniwersalna stała gazowa

Gaz w ciele stałym Ciśnienie atmosferyczne Próżnia Ciało stałe gradient ciśnienia gradient ciśnienia

Gaz w ciele stałym Poważne utrudnienie w otrzymywaniu wysokich próżni Rozpuszczanie gazu w ciele stałym Dyfuzja gazu w głąb ciała stałego Przenikanie gazu przez ściany komory próżniowej Poważne utrudnienie w otrzymywaniu wysokich próżni

Dziękuje za uwagę