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【赫哲真空知識普及】真空的定義

日期：2024-10-06 21:29

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摘要：壓力的定義是垂直作用于表面上且均勻分布的力與單位面積之比。 P=F/A p 壓力 [Pa] F 受力 [N]; 1 N = 1 kg m s-2 A 面積 [m2] 公式 1-3: 壓力定義在封閉的容器中，氣體顆粒進行熱運動。在其與容器壁的相互作用中，原子和分子...

壓力的定義是垂直作用于表面上且均勻分布的力與單位面積之比。

P=F/A

p	壓力	[Pa]
F	受力	[N]; 1 N = 1 kg m s-2
A	面積	[m2]

公式 1-3: 壓力定義

在封閉的容器中，氣體顆粒進行熱運動。在其與容器壁的相互作用中，原子和分子經(jīng)受大量的的碰撞。每次碰撞都會給容器壁施加力。如果封閉氣體不受外界影響，無論在什么地方什么方向進行測量，發(fā)生的無數(shù)碰撞導致容器內(nèi)任何一點的壓力都是相同的。

圖 1.2: 總壓力的定義

實際上，只有一種氣體的情況少見。不同氣體的混合物更為常見。這些氣體的每個單一成分都會施加具體的壓力，該壓力可進行單獨測量，而與其他成分無關。由成分施加的該壓力被稱為分壓。在理想氣體中，成分的分壓加起來等于總壓力，且互不干擾。分壓之和等于總壓力。

圖 1.3: 分壓的定義

我們的環(huán)境空氣就是一個氣體混合物的例子：其分壓組成如 Table 1.1 [3] 所示。

氣體類型	化學分子式	體積 %	分壓 [hPa]
氮	N2	78.09	780.9
氧	O2	20.95	209.5
水蒸氣	H2O	< 2.3	< 23.3
氬	Ar	9.3·10 -1	9.3
二氧化碳	CO2	3.0·10-2	3.0·10-1
氖	Ne	1.8·10 -3	1.8·10-2
氫	H2	< 1·10-3	< 1·10-2
氦	He	5.0·10 -4	5.0·10-3
甲烷	CH4	2.0·10-4	2.0·10-3
氪	Kr	1.1·10 -4	1.1·10-3
一氧化碳	CO	< 1.6·10-5	< 1.6·10-4
氙	Xe	9.0·10 -6	9.0 . 10-5
一氧化二氮	N2O	5.0·10 -6	5.0·10-5
氨	NH3	2.6·10-6	2.6·10-5
臭氧	O3	2.0·10-6	2.0·10-5
過氧化氫	H2O 2	4.0·10-8	4.0·10-7
碘	I2	3.5·10-9	3.5·10-8
氡	Rn	7.0·10 -18	7.0·10-17

圖 1.1: 大氣的組成。所示分壓是指在大氣壓下的壓力即1,000 hPa。注意：水蒸氣所表示的值是在 293 K (20°C) 時的炮和狀態(tài)。二氧化碳和一氧化碳值的波動取決于時間和地點。所示的一氧化碳是大城市的峰值。其他來源是指自然的氫濃度為 5 · 10-5% 且分壓為 5 · 10-4 hPa。

在宇宙空間中，根據(jù)鄰近星系的程度， 10-18 hPa 以下的壓力占主導地位。在地球上，已經(jīng)報道上產(chǎn)生的壓力低于 10-16 hPa。低至 10-16 hPa 的氣壓范圍涵蓋 10 的負 19 次冪。根據(jù)不同真空獲得設備和測量設備所能達到的真空度，我們又把真空范圍根據(jù)真空度進行了分類，如Table 1.2 所示。

壓力范圍	壓力 hPa	壓力 Pa	數(shù)密度/cm3	M平均自由程 [m]
氣壓	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
真空 (UHV)	10-7…10-12	10-5…10-10	109…104	103…108
極高真空 (XHV)	<10-12	<10-10	<104	>108

圖 1.2: 真空中的壓力范圍

計量壓力的單位是帕斯卡。該單位是以數(shù)學家、物理學家、作家兼哲學家布萊茲·帕斯卡（1623?–?1662 年）的名字命名。根據(jù)公式 1-3，SI 單位帕斯卡是由 Pa = N m-2 組成。單位 mabr、torr 以及表 1.3 中所示的單位是實際使用中常見的。

	Pa	bar	hPa	?bar	Torr	micron	atm	at	mm WS	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	1·10-3	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
?bar	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 WS	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

圖 1.3: 壓力單位換算表

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