1. Vakuumphysik und technik: Grundlagen. Prof. Dr. Paul Seidel VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

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Edmund Blau
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1 1. Vakuumphysik und technik: Grundlagen 1

2 Vakuum Vakuum(von lat. vacuus(leer, frei)) wird in verschiedenen Bedeutungen gebraucht: Umgangssprachlich: Vakuumist ein materiefreier Raum. Technik und Klassische Physik: Vakuumbezeichnet den Zustand eines Fluides in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen. [ Wikipedia ] 2

3 Druck 3

4 Druckeinheiten 4

5 Umrechnungen [ Pfeiffer Vakuum ] 5

6 [Pfeiffer Vak.] 6

7 7

8 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 8

9 Gas Eine Substanz wird als Gas im engeren Sinne bezeichnet, wenn sie bei einer Temperatur von 20 C und einem Druck von 1 atm(sog. Standardbedingungen) im gasförmigen Aggregatzustand vorliegt. Allgemeiner bezeichnet man auch den gasförmigen Zustand einer Substanz selbst als Gas, unabhängig von der Temperatur. Zusammen mit den Flüssigkeiten zählt man Gase im Sinne eines gasförmigen Zustandes zu den Fluiden. [ Wikipedia ] 9

10 Normalbedingungen Normalbedingungen(auch STP genannt vom englischen Begriff "Standard Temperature and Pressure") für die Angabe von Eigenschaften von Gasen sind: Temperatur T= 273,15 K 0 C Und Druck p= Pa= N/m² = 1013,25 hpa= 101,325 kpa= 1013,25 mbar 10

11 Zustandsgleichung ideales Gas p V = n R T (univ. Gaskonst.) p V = m R S T (spez. Gaskonst.) p V = N k B T (N Teilchenzahl) p V m = R T (molares Volumen) 11

12 Maxwell-Boltzmann-Verteilung Geschwindigkeitsverteilung des idealen Gases Maxwell-Boltzmann- Geschwindigkeitsverteilungen für verschiedene Gase und verschiedene Temperaturen. Auf der Ordinate: % der Moleküle mit im Bereich von 10m/s um die angegebene Geschwindigkeit [ H. Stöcker ] 12

13 Zustandsgleichung reales Gas Van der Waals Gleichung Binnendruck und Eigenvolumen [ H. Stöcker ] 13

14 Maxwell-Konstruktion [ H. Stöcker ] 14

15 Phasenkoexistenz [ H. Stöcker ] 15

16 Dampf Gas, das im Allgemeinen noch in Kontakt mit der flüssigen bzw. festen Phase steht, aus der es durch Verdampfung bzw. Sublimation hervorgegangen ist. Mit der Zeit und sofern keine Störung auftritt, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genau so viele Teilchen der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige Phase übertreten, wie umgekehrt aus dem Gas zurückwechseln. Der Dampf ist dann gesättigt. Wie viele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängt unter anderem stark von Druck und Temperatur ab. [ Wikipedia ] 16

17 Phasendiagramme [ Heintz ] 17

18 p-v-t-diagramm Wasser [ wikipedia ] 18

19 Dichte feuchter Luft 19

20 Clausius-Clapeyron-Gleichung, eine Differentialgleichung für den Dampfdruck p(t), wenn Entropie und Volumen pro Teilchen in Abhängigkeit von T und p bekannt sind. 20

21 Dampf p ( T) 21

22 Relative Luftfeuchtigkeit Sinkt die Temperatur bis zum Taupunkt, so tritt Kondenswasserbildung auf: P D = P S 22

23 Dampfdruckkurve [ H. Stöcker ] 23

24 24

25 25

26 26

27 p s (T) von Vakuumfetten (Silicon 3) und Picein (4) 27

28 Dampfdruck von Elastomeren 1 Perbunan 2 Silikongummi 3 Teflon 28

29 Entspannungsverdampfung Druckabsenkung führt zur Überhitzung der Flüssigkeit Neuer Druck verbreitet sich mit Schallgeschwindigkeit im Behälter Temperaturänderung wird durch Wärme-und Stoffübergange an den Phasengrenzen verlangsamt Thermodynamische Gleichgewicht liegt nicht mehr vor Überhitzung wird durch Energieübertrag an Siedekeime und vorhandene Dampfblasen abgebaut Enegieeintragin Siedekeime und Blasen führt zum Blasenwachstum und Aufstieg der Blasen Ausspeichern von Masse in Form von Dampf entzieht dem System die Temperatur Neuer thermodynamischer Gleichgewichtszustand wird erreicht 29

30 Entspannungsverdampfung 1 gesättigt siedender Anfangszustand 2a gesättigt siedende Flüssigkeit 2b Sattdampf [ Wikipedia ] 30

31 Wirkungen, die durch den Vakuumzustand Kraftwirkungen: hervorgerufen werden : Hebe-und Spannvorrichtungen Tiefziehen von Kunststoffen Förderung von Flüssigkeiten Vakuumfiltration 31

32 Wirkungen, die durch den Vakuumzustand hervorgerufen werden : Beseitigung gasförmiger Materie: Vakuumimprägnierung Vakuumschmelzen Vakuumröhren Elektronenmikroskop 32

33 Wirkungen, die durch den Vakuumzustand hervorgerufen werden : Schaffung einer inerten Umgebung: Vakuumschmelzen Glühkatoden Vakuumbedampfung Vakuumlöten 33

34 Wirkungen, die durch den Vakuumzustand hervorgerufen werden : Beeinflussung unmittelbar druckabhängiger Prozesse: Siedepunkterniedrigung Gasentladung Verringerung der Wärmeleitung 34

35 Strömungsmechanik Saugvermögen: An einer Vakuumpumpe definiert man das Saugvermögen S, als das pro Zeiteinheit geförderte Gasvolumen: 35

36 [ Pfeiffer Vakuum ] 36

37 Strömungsmechanik Volumendurchfluss q v [l/s] Gasmenge (pv-wert) [mbar l], [Nm] pv-strom (Durchfluss) [mbar l / s] ist dann Massenstrom 37

38 Strömungsmechanik Saugleistung: Die Saugleistung Q bei einem Druck p a an der Saugseite der Pumpe, ist definiert als: 38

39 Strömungsleitwert Analog zum Ohm schengesetz kann man auch einen Strömungswiderstand W und einen Strömungsleitwert L = 1/W definieren. Die Druckdifferenz Δp übernimmt dabei die Rolle der Spannung/Potentialdifferenz U und Q, als Volumenfluss entspricht dem Strom I = dq/dt. Es gilt dann: Kirchhoff schen Regeln gelten! 39

40 p A S = p R S eff, Q = L ( p R p A ) = p A S 40

41 Grundgleichung der Vakuumtechnik 1 Seff = 1 S + 1 L 41

42 Strömung in runden Rohren [Kays, London ] 42

43 43

44 Schema zur Belüftung eines evakuierten Behälters 44

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Vakuum und Gastheorie Jan Krieger 9. März 2005 1 INHALTSVERZEICHNIS 0.1 Formelsammlung.................................... 2 0.1.1 mittlere freie Weglänge in idealen Gasen................... 3 0.1.2 Strömungsleitwerte