1 Technika wysokiej próżniPodstawowe procesy fizyczne związane z technologią próżni Piotr Legutko

2 Plan prezentacji podstawowe pojęcia przemiany gazu doskonałegozarys teorii kinetycznej gazów oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchnią gaz w ciele stałym

3 Podstawowe pojęcia ciśnienie gazu zasady termodynamikiCiśnienie gazu – stosunek siły wywieranej przez gaz na powierzchnię do pola tej powierzchni temperatura gazu

4 Próżnia w liczbach Jednostki Zakresy próżni Rekord próżni1 mbar = 100 Pa 1 Torr = 131,6 Pa = 1 mm Hg 1 mbar = 0,76 Torr Zakresy próżni Niska – 102 Pa Średnia – 10-1 Pa Wysoka – 10-6 Pa Bardzo wysoka (UHV) – Pa Ekstremalnie wysoka (XHV) poniżej Pa Rekord próżni 1,3·10-11 Pa

5 Przemiany gazu doskonałegoPrzemiana izotermiczna Przemiana izochoryczna Przemiana izobaryczna Przemiana adiabatyczna

6 Ilość gazu Liczba Avogadro Koncentracja (gęstość liczbowa)

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

8 Równanie Clausiusa - ClapeyronaParowanie Równanie Clausiusa - Clapeyrona

9 Zarys teorii kinetycznej gazówZałożenia 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

10 Zarys teorii kinetycznej gazówRokład Maxwella-Boltzmanna

11 Zarys teorii kinetycznej gazówCiśnienie gdzie: n – gęstość liczbowa k – stała Boltzmanna T – temperatura

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

13 Zarys teorii kinetycznej gazówŚrednia energia kinetyczna gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura

14 Zarys teorii kinetycznej gazówŚrednia prędkość gdzie: k – stała Boltzmanna T – temperatura m – masa

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

16 Zarys teorii kinetycznej gazówŚrednia droga swobodna gdzie: n – gęstość liczbowa d – średnica efektywna

17 Zarys teorii kinetycznej gazówWartości 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

18 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąCząsteczka znajdująca się w pobliżu powierzchni jest pod wpływem pola sił: elektrostatycznych indukcyjnych dyspersyjnych Powodują one przyciąganie cząsteczki

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

20 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąPotencjał Lenarda-Jonesa: E r przyciąganie odpychanie

21 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąAdsorpcja Chemisorpcja Fizysorpcja

22 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąEpot 2A EDYS D (A---A) Eads Qfiz Qchem. Chemisorpcja atomowego wodoru Fizysorpcja cząsteczkowego wodoru

23 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąWzrost 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

24 Oddziaływanie cząsteczek gazu z powierzchniąCzas życia w stanie zaadsorbowanym można zmniejszyć poprzez wygrzewanie ºC, 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

25 Gaz w ciele stałym Rozpuszczanie gazu w ciele stałym Prawo Henry’egogdzie: 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

26 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

27 Gaz w ciele stałym Ciśnienie atmosferyczne Próżnia Ciało stałegradient ciśnienia gradient ciśnienia

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

29 Dziękuje za uwagę