1.4　真空环境特点及其应用

1650年葛利克发明了第一台真空泵，做了著名的马德堡半球实验，在球中获得了低真空。随着科学技术发展的需要，目前真空度适用范围为<105～10-10Pa，已应用到各种领域。真空提供了特殊的环境条件服务于人类。真空环境的特点及应用领域分述如下。

1.4.1　真空环境产生压力差

大气压力值可以近似取为105Pa，如果真空侧为100Pa的粗真空，两者之间差99900Pa，等于1m2面积上受到10187kg（f）的作用力，粗略地可以被认为每平方米面积上受到10t（f）的作用力。可以利用真空与大气产生压力差来做功原理制造各种产品，其应用领域见表1-5。

1.4.2　真空环境中氧和水含量显著减小

在大气环境中，氧含量近21%；而水的含量随着地域不同而变化，有时空气湿度高达90%。如果真空容器由大气压抽到10Pa，空间氧含量降低1000倍，而水的含量下降更多。真空环境随着气体分子密度降低，氧和水含量显著减小。这对大气环境下易氧化或者腐烂物质的生产与保存非常有利。现代许多工业必须在少氧环境下的真空中进行，如冶炼稀有金属，电真空器件均需要真空环境。而水汽是细菌生存的必要条件。大气下水汽含量高，细菌昜生存，食物易腐烂。在真空环境下，细菌难以生存，有利于防腐。表1-6给出了氧和水含量少的真空环境的应用。

1.4.3　真空环境下气体分子运动的平均自由程增大

气体分子处于无规则的热运动状态，大气下分子密度大，分子热运动行走0.06μm，将会与另一个气体分子相碰撞一次。随着压力的降低，所走的距离越来越大。由式（1-3）可知，当压力为1.0×10-4Pa时，分子的平均自由程约67m。在一个有限的容器中，可认为不与其他分子相碰撞，能量不会损失。

同理，在真空中运动的电子、带电粒子、金属原子的平均自由程，像气体分子一样同样会增大。

在真空环境下，电子运动的平均自由程与气体分子的平均自由程关系如下：

（1-6）

式中　λe——电子平均自由程，m；

        λ——气体分子平均自由程，m。

在真空环境下，带电粒子的平均自由程与气体分子的平均自由程关系如下：

（1-7）

式中　λi——带电粒子平均自由程，m；

        λ——气体分子平均自由程，m。

由式（1-6）及式（1-7）可见，电子或带电粒子在真空中的平均自由程，比气体分子的平均自由程还要大。由于真空环境中粒子自由程增大，可减小或消除粒子之间的互相碰撞，其应用领域有电子器件、光电器件、各种加速器、电子储存环、高能加速器、重离子加速器、质谱计、同位素分离器、电子显微镜、电子束焊接、蒸发式镀膜、溅射式镀膜、分子蒸馏等。

1.4.4　真空环境使气体分子在固体表面形成单分子层时间增长

如前所述，在1×10-4Pa下，在固体表面形成单分子层的时间约为2s，而1×10-7Pa下，形成单分子层时间增长约36min，真空度越高，形成单分子层时间越长，提供了清洁的表面时间越长，为表面研究提供了重要条件。应用此特点，研制出了各种表面仪器，如二次离子谱仪、离子散射仪、俄歇电子能谱仪、光电子谱仪、低能电子衍射仪、电子能损失光谱仪等。提供清洁表面可以进行材料摩擦磨损及冷焊研究、材料空间试验研究，通常要求真空度范围为10-7～10-8Pa。

表1-7给出了表面分析仪器的名称、代号及原理。

表1-8给出了表面分析仪器的性能及特点。

1.4.5　真空环境减小能量传递

大气环境下气体热量传递有三种形式：气体对流换热、热传导及辐射换热。当真空环境压力到5×10-2Pa时，气体热传导能力仅为大气压下的1%，可以忽略，不会影响热计算的结果。对流换热早已消失，仅有辐射换热。显然，即使真空度达不到高真空范围，而在低真空环境下，由于气体分子密度降低，其热传导换热量也降低了很多。利用这种原理，可以制造保温瓶、低温液体储存设备以及隔热等。应用范围很广，如制造杜瓦瓶、杜瓦管、液氮贮槽、液氢贮槽、液氧贮槽、低温液体运输槽车、真空绝热板、真空玻璃、液化天然气贮罐、液化石油气贮罐等。

贮运各种低温液体，必须有低温容器，而低温容器均需要采用真空隔热。低温液体的应用范围很广，见表1-9。

1.4.6　真空环境使物质沸点降低而蒸发速率加快

液体的沸点，随着压力的降低而降低。大气压下，即105Pa时水的沸点为100℃。当压力下降到5×104Pa时，沸点约为80℃。利用真空下沸点低这一特点，使物质在低的温度下脱水，避免了高温脱水使物质受损。

真空中气体分子密度低，单位体积中分子数大为减少，对蒸发出来的分子碰撞概率减小，即蒸发出来后不易返回。另外，真空环境压力较低，借助于压差作用，也会使分子易扩散到空间中去，为此可以提高蒸发速率。

真空干燥、真空脱水、真空冷冻干燥、真空蒸馏等领域对真空中这一特点进行了广泛的应用，见表1-10。

1.4.7　真空环境中材料迅速脱气

各种固体物质在大气压环境中，表面会吸附一些气体，当处于真空中时，由于气体分子密度降低，被吸附的气体会释放出来进入环境中。有些非致密性物质本身就存在微孔，微孔中的空气，在真空环境下也会释放出来。为改善材料的性能，需浸渍各种液体，材料中气体放出来，更有利于浸渍，得到性能更好的材料。液体中所含的气体，在真空环境下也会释放出来，利用这种现象可以进行钢水脱气、陶瓷泥浆脱气、真空铸造等。表1-11给出了真空脱气的应用实例。