Испарение, конденсация, понятия «газ», «пар»

В вакуумной технике приходится иметь дело не только с газами, но и с парами многих веществ. Критерием, которым можно руководствоваться, чтобы определить, является ли то или иное газообразное вещество газом или паром, может служить его критическая температура, т. е. температура, выше которой вещество может находиться только в газообразном состоянии (никаким сжатием сконденсировать его невозможно). Газообразное вещество называется газом, если его температура выше критической; паром, если его температура ниже критической. В табл. 1.2 указаны критические температуры некоторых веществ.

Таблица  1.2

Мы видим, что комнатная температура, колеблющаяся обычно в пределах 15—25 °С, намного превышает критическую температуру таких веществ, как гелий, водород, неон, азот, кислород, аргон, криптон, которые в обычных температурных условиях являются «постоянными» газами. Такие газообразные вещества, как ксенон и двуокись углерода, к постоянным газам отнести уже нельзя, так как их критические температуры близки к комнатной. Далее мы говорим о водяном паре, ртутном паре, парах различных масел, применяемых в вакуумной технике, так как критические температуры этих веществ намного выше комнатной. Наконец, поскольку все металлы имеют критическую температуру порядка тысяч градусов, мы говорим о парах металлов.
Из курса физики известно, что если испарение какого-либо вещества происходит в замкнутом пространстве, то по истечении достаточного промежутка времени наступает состояние насыщения, т. е. устанавливается постоянное равновесное давление пара, несмотря на продолжающееся испарение. Насыщение наступает по той причине, что в процессе испарения с возрастанием плотности пара возрастает и количество обратно конденсирующихся молекул (атомов) пара; в момент, когда количество молекул, конденсирующихся в единицу времени, сравняется с количеством молекул, испаряющихся за то же время, устанавливается постоянная плотность, а при неизменной температуре — постоянное давление насыщенного пара.
В вакуумной технике для различных целей используется ряд жидкостей; они неизбежно являются источниками паров в вакуумной системе; так, например, широко применяется ртуть, служащая рабочей жидкостью для некоторых типов манометров и для ртутных пароструйных насосов; существуют масляные пароструйные и масляные вращательные насосы, работающие на специальных маслах, а также насосы, в которых рабочей жидкостью является вода. Источником паров в вакуумных системах могут служить и многие твердые вещества, применяемые в качестве смазок, уплотнителей, поглотителей, покрытий и т. п. Все эти жидкости и твердые вещества при определенных температурах имеют определенные давления насыщенных паров, с которыми необходимо считаться в процессе откачки любого объема.
Таблица 1.3 дает представление о давлении насыщенных паров некоторых веществ, применяемых в вакуумной технике.
Таблица 1.3

Если пар не находится в состоянии насыщения, то к нему, как и к любому газу, можно применять законы, справедливые для идеальных газов (с тем большим правом, чем меньше его плотность). В частности, для паров веществ, приведенных в табл. 1.3, поскольку при нормальных условиях давления этих паров низки, газовые законы остаются справедливыми до самого момента насыщения.
Но для насыщенных паров справедливы лишь газовые законы, не связанные с изменением параметров состояния (Авогадро, Дальтона), что же касается законов Бойля—Мариотта и Гей-Люссака, то к насыщенным парам их применять нельзя.
Например, если, сохраняя неизменной температуру насыщенного пара (и его источника), изменять объем пара, то при сжатии происходит частичная конденсация, а при расширении, наоборот, дополнительное испарение, причем в обоих случаях происходит такое уменьшение или увеличение массы пара, что его давление сохраняется неизменным.
Давление насыщенного пара можно изменять только путем изменения его температуры. Так, если насыщенный пар вместе с его источником подвергнуть нагреванию, то его давление повысится сильнее, чем по закону Бойля–Мариотта, так как масса пара увеличится за счет испарения источника. Обратно, при понижении температуры насыщенного пара и его источника давление будет понижаться сильнее, чем по закону Бойля—Мариотта, так как масса пара будет уменьшаться за счет его конденсации.

Чтобы правильно ориентироваться в тех практических случаях, с которыми приходится иметь дело в вакуумной технике, нужно иметь в виду следующее:

• если в различных участках вакуумной системы имеется разная температура, то давление насыщенного пара и имеющегося в ней источника стремится к значению, соответствующему температуре наиболее холодного участка;
•при этом в пространстве вакуумной системы, отделенном от источника пара наиболее холодным участком, давление насыщенного пара после достаточного промежутка времени устанавливается в соответствии с температурой самого холодного участка;
•в пространстве же между самым холодным участком и источником пара, пока последний не испарится полностью, происходит перегонка источника пара из более нагретого в наиболее охлажденный участок.