真空技术书籍,第二版

1.2.1 压力的定义

压力的定义是垂直且均匀分布作用于表面上的力与表面面积之比。

\[p = \frac FA\]

$p$ 压力 [Pa]
$F$ 受力 [N]; 1 N = 1 kg m s-2
$A$ 面积 [m2]

公式 1-3: 压力定义

在封闭的容器中,气体颗粒进行着持续的热运动。在其与容 器壁的相互作用中,原子和分子经受大量的的碰撞。每次碰 撞都会给容器壁施加作用力。如果封闭气体不受外界影响, 无论在容器内什么地方什么方向进行测量,无数碰撞所产生 的压力都是相同的。

总压力的定义

图 1.2: 总压力的定义

实际上,只有一种气体的情况非常少见。不同气体组成的混 合物更为常见。这些气体的每个单一成分都会产生对应的压 力,该压力可进行单独测量,而与其他成分无关。由单一成 分气体所产生的压力被称为分压力。在理想气体中,各种成 分的分压力加起来等于总压力,且互不干扰。所有分压力之 和等于混合气体的总压力。

分压的定义

图 1.3: 分压的定义

我们的环境空气就是一个气体混合物的例子: 其分压力组成
如表 Table 1.1 [3] 所示。

气体类型 化学分子式 体积 % 分压 [hPa]
N2 78.09 780.9
O2 20.95 209.5
水蒸气 H2O < 2.3 < 23.3
Ar 9.3·10-1 9.3
二氧化碳 CO2 3.0·10-2 3.0·10-1
Ne 1.8·10-3 1.8·10-2
H2 < 1·10-3 < 1·10-2
He 5.0·10-4 5.0·10-3
甲烷 CH4 2.0·10-4 2.0·10-3
Kr 1.1·10-4 1.1·10-3
一氧化碳 CO < 1.6·10-5 < 1.6·10-4
Xe 9.0·10-6 9.0 . 10-5
一氧化二氮 N2O 5.0·10-6 5.0·10-5
NH3 2.6·10-6 2.6·10-5
臭氧 O3 2.0·10-6 2.0·10-5
过氧化氢 H2O2 4.0·10-8 4.0·10-7
I2 3.5·10-9 3.5·10-8
Rn 7.0·10-18 7.0·10-17

图 1.1: 大气的组成。所示分压是指 在大气压下的压力即1,000 hPa。 注意:水蒸气所表示的值是在 293 K (20°C) 时的饱和状态。 二氧化碳和一氧 化碳值的波动取决于时间和地点。 所示的一氧化碳是大城市的峰值。 其他来源 是指自然的氢浓度为 5 · 10-5% 且分压为 5 · 10-4 hPa。

压力范围 压力 hPa 压力 Pa 数密度/cm3 平均自由程 [m]
气压 1,013.25 101,325 2.7·1019 6.8·10-8
低真空 (LV) 300…1 30,000…100 1019…1016 10-8…10-4
中真空 (MV) 1…10-3 100…10-1 1016 …1013 10-4…10-1
高真空 (HV) 10-3…10-7 10-1…10-5 1013…109 10-1…103
超高真空 (UHV) 10-7…10-12 10-5…10-10 109…104 103…108
极高真空 (XHV) <10-12 <10-10 <104 >108

图 1.2: 真空技术中的压力范围

Pa bar hPa µbar torr micron atm at mm WC psi psf
Pa 1 1·10-5 1·10-2 10 7.5·10-3 7.5 9.87·10-6 1.02·10-5 0.102 1.45·10-4 2.09·10-2
bar 1·105 1 1·103 1·106 750 7.5·105 0.987 1.02 1.02·104 14.5 2.09·103
hPa 100 1·10-3 1 1,000 0.75 750 9.87·10-4 1.02·10-3 10.2 1.45·10-2 2.09
µbar 0.1 1·10-6 1·10-3 1 7.5·10-4 0.75 9.87·10-7 1.02·10-6 1.02·10-2 1.45·10-5 2.09·10-3
torr 1.33·102 1.33·10-3 1.33 1,330 1 1,000 1.32·10-3 1.36·10-3 13.6 1.93·10-2 2.78
micron 0.133 1.33·10-6 1.33·10-3 1.33 1·10-3 1 1.32·10-6 1.36·10-6 1.36·10-2 1.93·10-5 2.78·10-3
atm 1.01·105 1.013 1,013 1.01·106 760 7.6·105 1 1.03 1.03·104 14.7 2.12·103
at 9.81·104 0.981 981 9.81·105 735.6 7.36·105 0.968 1 1·10-4 14.2 2.04·103
mm WC 9.81 9.81·10-5 9.81·10-2 98.1 7.36·10-2 73.6 9.68·10-5 1·10-4 1 1.42·10-3 0.204
psi 6.89·103 6.89·10-2 68.9 6.89·104 51.71 5.17·104 6.8·10-2 7.02·10-2 702 1 144
psf 47.8 4.78·10-4 0.478 478 0.359 359 4.72·10-4 4.87·10-4 4.87 6.94·10-3 1

图 1.3: 压力单位换算表

在宇宙空间中,取决于靠近星系的程度,10-18 hPa 以下的压 力占主导地位。在地球上,已经报道技术上产生的压力低于 10-16 hPa。低至 10-16 hPa 的气压范围涵盖 19个数量级。 根 据不同真空获得设备和测量设备所能达到的真空度, 我们又 把真空范围根据真空度进行了分类,如表1.2 所示。

计量压力的单位是帕斯卡。该单位是以法国数学家、物理学 家、 作家兼哲学家布莱兹·帕斯卡(1623 – 1662 年)的名字 命名。根据公式 1-3,SI 单位帕斯卡是由 Pa = N m-2 组成。 单位 mbar、torr 以及表 1.3 中所示的单位是实际使用中常见 的。