Конденсация и испарение

By Compressor Equipment On Окт 12, 2020

Конденсация и испарение

Вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в различных агрегатных состояниях. Для вакуумной техники наибольший интерес представляет область низких давлений, в которой возможны процессы перехода из парообразного состояния в жидкое (конденсация) и обратный процесс (испарение), из парообразного состояния в твердое (десублимация) и обратный процесс (сублимация).

На рис. 2.4 приведена диаграмма агрегатного состояния вещества, а критические параметры некоторых газов: критическая температура Т_Кр и параметры тройной точки Т₃ и р_в — даны в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Критические параметры некоторых газов

Параметры	Н₂О	Кг	со₂	n₂	о₂	Аг	Н₂	Ne
7р, К	647	209	304	126	155	151	33,2	44,4
Т_в, К	273	116	217	63,2	54,4	83,8	13,9	24,5
Рв, Па	560	7,7-10⁴	4,5-10⁵	1.2-10⁴	146	1,5-10⁴	7,2-10³	4,3-10⁴

Кривую abc на рис. 2.4, определяющую давление насыщенного пара при давлениях, меньших 100 Па, можно описать приближенным уравнением

Число скачков, которые совершит молекула за время адсорбции, определяется соотношением

Средний путь, который проходит молекула за время адсорбции в веществе, имеющем кристаллическую решетку,

где рт — давление насыщенного пара при температуре Т; М и N— константы, зависящие от рода вещества (табл. 2.5).

Более точные значения давления насыщенных паров различных веществ, определенные экспериментально, показаны на рис. 2.5.

Давления насыщенных паров различных органических и полимерных материалов, часто применяемых в вакуумной технике в качестве уплотнителя, при комнатной температуре приведены в табл. 2.6.

Давление насыщенных паров сплавов приближенно определяется законом Рауля

где р_А— давление насыщенных паров вещества A; p_As— давление насыщенных паров вещества А, являющегося растворителем вещества В п_А и п_в — количество молей веществ А и В в растворе.

Таблица 25

Константы уравнения (2.6)

Константы

Си

А1

n₂

ЛМО³

11,08

16,98

10,91

15,94

10,00

14,87

11,87

20,96

11,56

19,97

12,06

20,00

T a 6 j

24,1 8,9-10⁵

1ица 26

Давление насыщенных паров вакуумных масел при комнатной температуре

Характеристика	Трансформаторное масло при Т-307 К	Замазка Рамзая	Пицеин	BM-4	ВМ-1
Характеристика	Трансформаторное масло при Т-307 К	Т-293 К
Давление насыщенных паров, Па	ю-‘	ю-³	ю-⁶	5-Ю^-3	5-10-»

Содержание вещества А в растворе можно выразить в весовых процентах:

где М_А и М_в — молярные массы веществ А н В.

На рис. 2.6 показана в качестве примера температурная зависимость давления паров цинка для сплава цинка с медью при различных значениях молярной доли меди Хс_и— Как видно нз рисунка, при постоянной температуре увеличение молярной доли меди в сплаве существенно снижает давление паров цинка.

Массовый поток газа, падающий на единицу поверхности в единицу времени, равен произведению N_q из (1.13) на массу молекулы газа и может быть представлен в виде где р_г и Т_г — давление, Па, и температура газа, К,; и выражается в кг/(м²-с), если молекулярная масса Af — в кг/кмоль, a R= =8,31-10³ Дж/(кмоль-К).

Скорость конденсации где у — вероятность конденсации молекулы газа, взаимодействующей с поверхностью твердого тела.

Если известна теплота адсорбции ф_а молекулы на поверхности твердого тела, то коэффициент у можно определить как долю молекул, энергии которых меньше ф_а. Воспользовавшись интегральным распределением молекул по энергиям (1.21), запишем выражение для вероятности конденсации:

где х=<р_а/(£Т). Значения у(х) можно определить по табл. 1.3, воспользовавшись равенством y(x)—F(x).

При давлении насыщенного пара на поверхности существует динамическое равновесие процессов конденсации и испарения. Скорости конденсации G_K и испарения б_и вещества при этом одинаковы, что позволяет определить скорость испарения:

При р~>рт происходит осаждение, а при р<.рт — удаление вещества с поверхности тела.

Процессы сублимации — десублимации описываются такими же выражениями.

В табл. 2.7 приведены скорости испарения различных веществ, соответствующих давлению насыщенного пара 1,33 Па.

Таблица 2.7

Скорости испарения некоторых веществ

Свойство

Си

Ае

т, к

Скорость испарения, кг/(м²-с)

1545

1,2-Ю”³

1480 7,9-10-⁴

615 1,9-10-з

1670 1,1-10-з

1740 1,1-10-з

1665

IO"³

Конденсация вещества идет с выделением теплоты. Теплоты конденсации можно определить по константе N из урав

где рт — давление насыщенного пара при температуре Т.

Скорость массообмена на поверхности

При изучении молекулярных потоков в высоком вакууме важно знать направление испаряющихся молекул.

Испарение из точечного источника соответствует изотропному распределению, при котором вероятность вылета молекул внутри телесного угла dco

Если воспользоваться определением телесного угла dco = = 2nsinydy (рис. 2.7, а), то dP = sinydy/2, а полная вероятность

Эта формула широко применяется при математическом моделировании молекулярных потоков в высоковакуумных системах.

вылета молекул внутри сферы

Из (2.15) следует выражение для определения угла у, соответствующего заданной доле молекулярного потока g:

Таким образом, вероятность вылета молекул с поверхности равна удвоенному произведению относительного телесного угла на косинус угла между нормалью к поверхности и направлением вылета (косинусный закон).

Интегрируя (2.14) в пределах от 0 до у, при А —2 и dco = =2л sin у dy найдем долю молекул, вылетающих внутри угла у:

Вероятность вылета молекул с поверхности тела, как было доказано экспериментально, пропорциональна косинусу угла между нормалью к поверхности и направлением вылета (рис. 2.7, б):

вакуум