真空技術中幾個重要的概念

一個大氣壓下，空氣的分子密度n=2.7×1019個/cm3。

空氣是混合氣體，其相對分子質量由構成的氣體分子按比例計算。氮氣的相對分子質量28.016，體積比78.1%;氧氣的相對分子質量32，體積比20.93%;氩氣的相對分子質量39.944，體積比0.933%。

相對分子質量的平均值=(28.016×78.1 32×20.93 39.944×0.933)/(78.1 20.93 0.933)=28.96

由氣體分子運動論，壓強的計算式為

p=nkT

采用國際标準單位時(壓強Pa，體積 m3)，玻爾茲曼常數k為1.38×10-23 J/K。

氣體分子的密度為

n=p/(kT) (1-4)

壓強為1Pa，溫度為27℃時，氣體分子的密度n為

n=1/(1.38×10-23×(273 27))=2.4×1020個/m3

因此，即使真空度達到10-9 Pa的極高真空狀态，每立方米的空間内仍有1011個氣體分子存在。

氣體是由大量的分子構成的，0℃一個大氣壓的情況下，22.4L的空間裡有1摩爾(6.02×10²³個)分子。這些分子在室溫下以500～1500m/s的速度運動和其他分子碰撞後，改變運動方向和速度，之後再和另外的分子碰撞。兩次碰撞之間的飛行距離，稱之為平均自由程。

平均自由程λ[m]、壓強p[Pa]、溫度T[K]以及分子的直徑D[m]之間的關系為

λ=3.11×10^-24 T/pD2(1-5)

因此，氣體分子的平均自由程與壓強成反比例、與溫度成正比例、與分子直徑的2次方成反比例關系。

溫度為25℃的空氣，壓強和分子平均自由程的實際數據，1Pa為7mm、10^-1 Pa為7cm、10^-2Pa為70cm、10^-3 Pa為7m、10^-4 Pa為70m。記住這些數字，對真空度的感覺能更直觀一些。

空間中兩個位置如果存在溫度差，則會發生熱傳導。氣體分子為黏性流的情況，壓強變化後，傳遞熱量的分子密度和分子的平均自由程也發生變化。由于分子的平均自由程和分子密度對熱傳導的影響起着相反的作用，因此，對黏性流來講，氣體對熱傳導的貢獻和壓強的關系可忽略不計。

氣體分子為分子流的情況，如果氣體分子的平均自由程比真空兩側間距還長，獲得熱能的氣體分子将直接穿過真空而運動到另一側。因此，通過氣體分子傳遞的熱量和氣體的分子密度有關。氣體的分子密度和壓強成正比例，所以氣體分子傳遞的熱量和壓強成正比例。但是，處于分子流的分子密度非常低，實際的熱傳導也可忽略。

對真空環境來說，分子流狀态的熱傳導主要是輻射。在真空容器中進行薄膜生長時，為了提高薄膜質量，通常要對襯底進行加熱，加熱主要就是利用熱輻射來實現。

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