Doporučená literatura: Doporučená literatura Přednáší a cvičí : Josef Šandera, UMEL http://www.umel.feec.vutbr.cz/~sandera/ Fikes L.: Fyzika nízkých tlaků, SNTL, Praha 1991, učebnice pro SPŠ elektrotechnické Pátý L.: Vakuová technika, skriptum ČVUT, Praha 1990 Grozskowski J.: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Jaroslav Boušek, Josef Šandera: Elektrovakuové přístroje a technika nízkých teplot A.Roth: Vacuum Technology, 1990 Elsevier Science B.V. 1990, ISBN 0 444 880100 J. F. O Hanlon: A User s Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey V.Hulínský, K.Jurek: Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL, Praha 1982 Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 1
BEPT elektrovakuové přístroje a technika nízkých tlaků přehled přednášených témat 1) Klasifikace vakua, plyn, pára, tlak a jednotky tlaku a přepočty., 2) Zákony ideálního plynu 3) Základy kinetické teorie plynů 4) Objemové a transportní jevy 5) Proudění plynu vakuovým potrubím 6) Povrchové procesy 7) Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv 8) Teorie činnosti vývěv. 9) Měření vakua 10) Hledání netěsností 11) Konstrukce vakuových aparatur - materiály, provedení. 12) Technologické procesy ve vakuu, vakuové napařování. Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 2
MVAF vakuová technika přehled přednášených témat 1) Klasifikace vakua, plyn, pára, tlak a jednotky tlaku a přepočty., 2) Zákony ideálního plynu 3) Základy kinetické teorie plynů 4) Objemové a transportní jevy 5) Proudění plynu vakuovým potrubím 6) Povrchové procesy 7) Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv 8) Teorie činnosti vývěv. 9) Měření vakua 10) Hledání netěsností 11) Konstrukce vakuových aparatur - materiály, provedení. 12) Technologické procesy ve vakuu, vakuové napařování. Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 3
Vakuová technika - historie a) Počátek 17 století Torricelli pokusy měření atmosférického tlaku pomocí sloupce rtuti b) Otto von Gericke (rok 1657), v Magdeburgu polokoule s vyčerpaným vzduchem c) Edison pokusy s vakuem při konstrukci žárovky 1879 Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 4
Vakuová technika Zabývá se tlaky nižšími, jako tlak je atmosférický V současné době se dá dosáhnout běžně tlaku 10-9 Pa. Vakuum se používá: V průmyslu při manipulaci Metalurgie výroba čistých kovů, zušlechtování povrchů, odlévání, svařování Odplyňování, sušení mrazem Optika zrcadla, objektivy, bižuterie Chemie, farmacie, biologie potravinářství Elektronika - výroba elektronek, obrazovek Iontové a elektronové procesy Uvědomit si rozdíl konstrukce mezi průmyslem a laboraroří Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 5
Obory nízkých tlaků (vakua) Vakuum Tlak /Pa/ Příklad použití atmosféra 101 kpa při povrchu země technické 10 kpa plynem plněné žárovky primární vakuum vysoké vakuum ultra vakuum extrémně vysoké vakuum 100 Pa 10 1 Pa 10 2 Pa 10 3 Pa 10 4 Pa 10 5 Pa 10 6 Pa 10 7 Pa 10 8 Pa 10 10 Pa 10 11 Pa 10 12 Pa 10 13 Pa výbojky metalurgické pece Dewarovy nádoby vakuové napařování přijímací elektronky vysílací elektronky urychlovače částic rentgenky výzkum povrchů speciální aparatury výzkum kosmický prostor Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 6
Nízké vakuum (1000 Pa až 1Pa) Manipulace s předměty v průmyslu Vakuové balení a tvarování, odlévání Filtrace Odplyňování, zahušťování agresivních kapalin, sušení, destilace Impregnace v elektrotechnice Odplynění povrchu při kování kovů Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 7
Střední vakuum (10-1 až 10-3 Pa) Metalurgie odlévání, čistění, úprava povrchu kovů Pájení Tepelné izolace Vakuová destilace, vysoušení s vymrazováním (freezedrying) Farmacie Potravinářství sušené mléko, instantní káva, uchování potravin bez chlazení Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 8
Vysoké vakuum (10-4 až 10-8 Pa) Kryogenní a elektrická izolace Výroba elektronek, obrazovek, rentgenky Hmotové spektrometry, detektory netěsností Optická a elektrická úprava povrchů - úprava optických čoček - pokovení plastů - úprava povrchu kovů (tvrdokovy) - tenké vrstvy v mikroelektronice Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 9
Je třeba se zabývat, Charakteristikou chování plynů, vzduchu Vlastnostmi a chováním fázového rozhraní plyn-pevná látka, plyn-kapalina, plyn-plyn Proudění plynu Chování plynu při čerpacím procesu Výrobou, distribucí a měřením vakua Návrhem vakuových systémů Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 10
Co je to plyn, pára Plyn stav hmoty v plynném skupenství, skládá se z molekul Molekuly - jednoatomové (He, Ne, Ar ) - víceatomové N 2, O 2, CH 4 -vzájemnépůsobení malými přitažlivými silami Pára hmota v plynném skupenství, vzniká odpařením kapaliny, je s kapalinou v rovnováze V praxi se většinou vyskytuje směs plynů a par Fyzikální stav plynu, nebo páry je možno popsat stavovýmí veličinami, Tlak (p), objem (V) teplota (T) Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 11
Složení atmosférického vzduchu (Norton 1961) Vzduch je směs plynů a par N 2... 75 % hmotnostní O 2... 23 % hmotnostní Ar... 1,25 % hmotnostní CO 2... 0,05 % hmotnostní H 2... 0,000002 % hmotnostní O 3...0,000002 % hmotnostní Do výšky 100 km složení stejné Nad 100 km N 2, O 2 přechází na atomární formu N, O Nad 10 000 km převažuje H, He Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 12
Molekuly a atomy - základní pojmy a konstanty Mol (kmol) číselně se rovná molekulové hmotnosti stejnorodé látky vyjádřené v g (kg) Avogadrovo číslo N A určuje počet molekul v jednom molu látky N A =6,023.10 23 molekul V M = molární objem objem jednoho molu plynu, při tlaku 760 torr (cca 101) kp a teplotě 0 o C zaujímá mol plynu 22,415 l/mol R o = universální plynová konstanta pro jeden mol plynu má hodnotu R pv. 0 0 = = = 62,364 Torr. lit / T 760.22,415 273,16 K. mol Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 13
Platí dp = Tlak plynu (p),nebo Platí Pascalův zákon Tlak v kapalinách a plynech se šíří všemi směry rovnoměrně - namalovat obrázek Jednotky tlaku df ds N m = 2 1 Pascal.. 1N/m 2 1 Torr ( 1 Torr = 1 mmhg = 133,3 Pa ), číselně se rovná váze 760 mm Hg sloupce, jestě se často používá 1 at = kg/cm 2 1 b (bar) = 1,05.10 5 Pa, 1mb často se používá v Evropě lb/ft 2 je přibližně 47,88 N/m 2, lb/in 2 je přibližně 6894,7 N/m 2 p F S Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 14
Ideální a reálný plyn Ideální plyn (ideal, perfect gas): molekuly mají kulový tvar mají zanedbatelnou velikost ve srovnání v objemem, který plyn vyplňuje mezi molekulami nepůsobí žádná síla molekuly se pohybují po ideálně náhodných přímkových drahách srážky mezi molekulami jsou dokonale elastické Reálné plyny mají mimo jiné interatomové síly, pokud tyto zesilují, vzniká nový stav, plyn zkapalňuje (liquefy) Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 15
Vlastnosti plynů Zákon Boyle Mariottův Platí: p. V = p V = p V.. 1 1 2 Platí při konstantní teplotě T = konst., důsledkem je zvýšení tlaku při zmenšení objemu a snížení tlaku při zvětšení objemu Využití např. u mechanických vývěv, kompresorů 2 Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 16
Vlastnosti plynů Zákon Gay Lussacův(Charlesův).. Rok 1802 Platí: ( ) V = V 0. 1 + α. t t c ( 1 + ) p = p.. t 0 αt c V 0 je objem při 0 o C α t = 1/273,16 [ o C -1 ].. koeficient teplotní roztažnosti plynů a je pro všechny plyny stejný Zavádíme absolutní teplotu T [K]..T=t c +273 Platí při konstantním tlaku p = konst., důsledkem je zvýšení objemu při zahřívání Využití např. u teploměrů Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 17
Teplotní stupnice Celsiova stupnice 0 o C. bod tání vody, 100 o C. bod varu vody Kelvinova stupnice. definuje absolutní teplotu T = t c + 273,16 V = V. α. T 0 T Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 18
Vlastnosti plynů Daltonůvzákon p = p + p +... p = p 1 2 n i n i= 1 Platí pro směsi plynů, které spolu chemicky nereagují Každý plyn ve směsi přispívá k celkovému tlaku p svým částečným (parciálním) tlakem p i takovým, který by se v objemu vytvořil, kdyby jej daná složka směsi zaujímala sama při stejné teplotě Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 19
Stavová rovnice plynů Charakterizuje chování ideálního plynu za stavových podmínek p = p. V = p. V. α. T 0 M T. V p V 0. 0 V = V. α. T 0 M T R 0 = universální plynová konstanta platí pro jeden mol Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 20
Stavová rovnice plynů různá forma zápisu pv. 0 = p. V. α. T = R. T 0 M T p V nr.. T. 0 =. tvar pro n molů plynu p. V = mrt.. p = ρ. RT.. tvar pro m kg. plynu R R 0 = ρ = m V M Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 21
Stavová rovnice plynů poloempirická Van der Waalsova Respektuje objem molekul a jejich přitažlivé síly p + ( V b) R T p + ( V b) nr T V a 2. m = m 0 V a 2. m = m 0 Zohledňuje mezimolekulové síly Zohledňuje objem molekul Odchylky od stavové rovnice je třeba brát v úvahu pouze při nízkých teplotách a vysokých tlacích Při běžných podmínkách vyhovuje klasická rovnice Kdy je třeba s touto rovnicí počítat? Vacuum Technology J.Šandera, FEKT, UMEL, Brno 22
Barometrická formule závislost atmosférického tlaku na nadmořské výšce p µ a = p exp g h 0 kt h. Vztah neplatí přesně pro velké výšky Rozdíly jsou způsobeny - složením vzduchu - ionizací vzduchu -působením elektrického a magnetického pole Používá se pro - stanovení Boltzmanovy konstanty, ve fyzice Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 23