4.0.2. Понижение давления при утечке частиц газа

Основным явлением, которое используется в вакуумной технике, является движение частиц газа. Именно благодаря своему движению частицы оставляют откачиваемое пространство. Если частицы газа, оставив откачиваемый объем, уже не могут возвратиться в него, то выполняется главное условие получения вакуума.

Таким образом, сам газ, благодаря движению своих частиц, скорость и кинетическая энергия которых зависят от температуры, имеет естественную склонность к утечке из данного объема.

Если бы, например, кубический сосуд объемом V, содержащий N молекул газа [что соответствует давлению р =k(N/V)Т], поместить в космическом пространстве, где давление практически равно нулю, а затем все стенки этого сосуда внезапно удалить, то в том месте, где был газ, очень быстро создался бы космический вакуум. Для того чтобы молекулы прошли путь от точек, в которых они находились в момент удаления стенок, до точек, расположенных вне поверхностей, ограничивающих куб, достаточен относительно малый промежуток времени.

Если вместо удаления стенок сосуда в одной из них сделать небольшое отверстие, то время, необходимое для опорожнения сосуда, значительно возрастет, так как в каждое мгновение сосуд оставляют лишь те молекулы, которые в своем беспорядочном движении попадают непосредственно в отверстие. По мере уменьшения концентрации газа в сосуде количество молекул, оставляющих сосуд через отверстие, становится все меньше, так как в каждый момент оно пропорционально количеству молекул, находящихся в сосуде.

Этот процесс можно описать уравнением

в котором левая часть выражает скорость убывания количества молекул —dN по времени dτ, правая же — пропорциональность (с коэффициентом а) этого процесса количеству молекул N в объеме.

Уравнение (4.2) можно переписать в виде

т. е. привести к виду (2.166); решение уравнения (4.3) аналогично уравнению (2.167):

где N0 — начальное количество молекул, а — коэффициент, пропорциональный скорости откачки S.

Из формулы (4.4) легко сделать вывод, что последняя молекула оставит сосуд через бесконечно длинный промежуток времени.

Вышеприведенные рассуждения показывают, что главная трудность при создании вакуума состоит в том, чтобы не допустить попадания в сосуд частиц, находящихся в окружающей среде. Понятно, что лучшим условием получения вакуума в сосуде было бы наличие идеального вакуума вокруг сосуда. Так, можно себе представить, что сосуд с отверстием помещен на некоторое время снаружи космического корабля, а затем его отверстие плотно закрыли; при этом внутри сосуда будет иметь место вакуум, соответствующий вакууму космического пространства.

В земных условиях вакуум создается с помощью вакуумных насосов.