4.0.3. Отверстие в область высокого вакуума как идеальный вакуумный насос

Идеальным вакуумным насосом является отверстие в пространство с идеальным вакуумом, где концентрация газа постоянно равна нулю (га — 0). Это значит, что в указанном пространстве давление постоянно равно нулю. В этих условиях молекула газа, покидающая сосуд через отверстие, уже не возвращается; нет также молекул, которые бы через это отверстие проникали из окружающего пространства в откачиваемый объем. Если сосуд, давление в котором составляет р = knТ, связан с вакуумом отверстием, имеющим площадь А, то из этого сосуда каждую секунду будет улетучиваться в соответствии с формулами (2.14) и (2.32)

молекул газа.

Выражая n через р и Т, а vар через М0 и Т, получим

Таким образом, для данного газа (М0) при известных температуре Т и давлении р количество откачиваемых в течение 1 с молекул v’A пропорционально поверхности отверстия А.

Используя формулу (2.159), интенсивность утечки газа через отверстие площадью А можно выразить как

а скорость (быстрота) откачки, согласно формуле (2.161), как

(единицы: л•с-1, К, г•моль-1, см2).

Отверстие в пространство с давлением, не равным нулю

Если откачка из сосуда производится через отверстие, с другой стороны которого давление р' > 0, то через отверстие, кроме движения молекул, направленного наружу, происходит также движение и в противоположном направлении. Количество молекул, возвращающихся в объем (обратный поток газа), можно выразить формулой, подобной формуле (4 7), заменив в ней р на р'. Таким образом, количество молекул, в действительности удаляемых из объема в единицу времени, оказывается равным разности количеств молекул, движущихся через отверстие наружу и внутрь сосуда:

которую можно записать как

Очевидно, формула для скорости откачки соответствующим образом изменится:

(единицы: л•с-1, К, моль-1, см2).

Выражение А( 1—р'/р) является основной характеристикой насоса. При р>>р' газооткачивающая способность насоса определяется только площадью впускного отверстия А. В процессе откачки давление р уменьшается и приближается к величине р', а эффективность откачки уменьшается; при р = р' процесс откачки полностью прекращается.

Таким образом, насос не может создать давление ниже р'. Это давление называется предельным (остаточным) давлением (р' = р∞). Его можно рассматривать как причину существования обратного потока газа в насосе.

Итак, хороший вакуумный насос должен иметь выходное отверстие с большой площадью А и как можно более низкое предельное давление р∞•, такой насос в состоянии создать хороший вакуум за короткий промежуток времени.