Cara menghitung laju aliran dan jenis aliran dalam fisika vakum

Bagikan lewat

Jenis aliran

Tiga jenis aliran terutama ditemukan dalam teknologi vakum: aliran kental atau berkelanjutan, aliran molekuler, dan, pada transisi antara keduanya, aliran Knudsen.

Aliran kental atau kontinu

Ini hampir secara eksklusif ditemukan dalam kisaran vakum kasar. Karakteristik jenis aliran ini ditentukan oleh interaksi molekul. Oleh karena itu, gesekan internal, yakni viskositas zat yang mengalir, merupakan faktor utama. Jika gerakan pusaran muncul dalam proses aliran, ini disebut aliran turbulen. Jika berbagai lapisan media yang mengalir bergeser satu sama lain, maka istilah aliran laminar atau fluks lapisan dapat diterapkan.

Aliran laminar dalam tabung melingkar dengan distribusi kecepatan parabolis dikenal sebagai aliran Poiseuille. Kasus khusus ini sering ditemukan dalam teknologi vakum. Aliran kental umumnya ditemukan di mana jalur bebas rata-rata molekul jauh lebih pendek daripada diameter pipa: λ « d.

Kuantitas karakteristik yang menggambarkan keadaan aliran kental adalah nomor Reynolds tanpa dimensi Re. Re adalah produk dari diameter pipa, kecepatan aliran, massa jenis, dan nilai timbal balik viskositas (gesekan internal) gas yang mengalir. Alirannya turbulen di mana Re > 2200, laminar di mana Re < 2200.

Fenomena aliran tersedak juga dapat diamati dalam situasi aliran kental. Produk ini berperan saat mengosongkan dan mengevakuasi bejana vakum dan saat terjadi kebocoran.

Gas akan selalu mengalir di mana ada perbedaan tekanan

Δp = (p₁ - p₂ ) > 0. Intensitas aliran gas, yaitu, jumlah gas yang mengalir selama periode waktu, meningkat seiring dengan diferensial tekanan. Namun, dalam kasus aliran kental, hal ini hanya akan terjadi hingga kecepatan aliran, yang juga meningkat, mencapai kecepatan suara. Ini selalu terjadi pada diferensial tekanan tertentu dan nilai ini dapat dikarakterisasi sebagai "kritis":

(1,22)

Peningkatan lebih lanjut pada Δp > Δp _krit tidak akan mengakibatkan peningkatan lebih lanjut pada aliran gas; peningkatan apa pun dicegah. Untuk udara pada suhu 68°F (20°C), teori dinamika gas mengungkapkan nilai kritis

(1,23)

Diagram pada Gbr. 1,1 secara skematis mewakili ventilasi (atau ventilasi) wadah yang dikosongkan melalui bukaan di selubung (katup ventilasi), memungkinkan udara sekitar pada p = 1000 mbar masuk. Sesuai dengan informasi yang diberikan di atas, tekanan kritis yang dihasilkan adalah Δp _krit = 1000 · (1- 0,528) mbar ≈ 470 mbar; yaitu, di mana Δp > 470 mbar, laju aliran akan tersedak; di mana Δp < 470 mbar, aliran gas akan menurun.

Gambar 1,1 Representasi skematis ventilasi bejana yang dikosongkan.

1 - Laju aliran gas qm tersedak = konstan (nilai maksimum)

2 - Aliran gas tidak terhambat, qm turun ke Δp = 0

Aliran molekuler

Aliran molekuler mendominasi dalam kisaran vakum tinggi dan ultratinggi. Dalam rezim ini, molekul dapat bergerak bebas, tanpa adanya gangguan satu sama lain. Aliran molekuler terjadi di mana panjang jalur bebas rata-rata partikel jauh lebih besar daripada diameter pipa: λ >> d.

Aliran Knudsen

kisaran transisi antara aliran kental dan aliran molekuler disebut aliran Knudsen. Hal ini terjadi pada kisaran vakum sedang: λ ≈ d.

Produk tekanan p dan diameter pipa d untuk gas tertentu pada suhu tertentu dapat berfungsi sebagai kuantitas karakteristik untuk berbagai jenis aliran. Menggunakan nilai numerik yang disediakan dalam Tabel III, ada hubungan setara berikut untuk udara pada suhu 68°F (20°C):

Tabel III Jalur bebas rata-rata l Nilai produk c* jalur bebas rata-rata λ (dan tekanan p untuk berbagai gas pada suhu 68°F (20°C.)

Vakum kasar - Aliran kental

Vakum sedang - aliran Knudsen

Vakum tinggi dan ultratinggi - Aliran molekuler

Dalam kisaran aliran kental, arah kecepatan yang disukai untuk semua molekul gas akan sama dengan arah aliran makroskopik untuk gas. Penyelarasan ini dipaksa oleh fakta bahwa partikel gas padat dan akan bertabrakan satu sama lain jauh lebih sering daripada dengan dinding batas perangkat. Kecepatan makroskopik gas adalah "kecepatan kelompok" dan tidak sama dengan "kecepatan termal" molekul gas.

Dalam rentang aliran molekuler, di sisi lain, dampak partikel dengan dinding mendominasi. Akibat pantulan (tapi juga desorpsi setelah periode residensi tertentu di dinding wadah), partikel gas dapat bergerak ke arah mana pun dalam vakum tinggi; tidak lagi memungkinkan untuk berbicara tentang "aliran" dalam arti makroskopis.

Tidak masuk akal untuk mencoba menentukan kisaran tekanan vakum sebagai fungsi dari situasi pengoperasian geometris dalam setiap kasus. Batas untuk masing-masing rezim tekanan (lihat Tabel IX) dipilih sedemikian rupa sehingga saat bekerja dengan peralatan laboratorium berukuran normal, tabrakan partikel gas satu sama lain akan mendominasi dalam kisaran vakum kasar, sedangkan pada kisaran vakum tinggi dan ultratinggi, dampak partikel gas pada dinding wadah akan mendominasi.

Tabel IX Rentang Tekanan yang digunakan dalam teknologi vakum dan karakteristiknya (angka dibulatkan ke daya penuh sepuluh)

Pada kisaran vakum tinggi dan ultratinggi, sifat dinding wadah vakum akan sangat penting karena di bawah 10-3 mbar akan ada lebih banyak molekul gas di permukaan daripada di dalam ruang itu sendiri. Jika ada asumsi lapisan monomolekuler yang diserap pada dinding dalam bola yang dikosongkan dengan volume 1 l, maka rasio jumlah partikel yang diserap terhadap jumlah molekul bebas di dalam ruang adalah sebagai berikut:

pada 1 mbar 10 ^-2

pada 10-6 mbar 10 ⁺⁴

pada 10-11 mbar 10 ⁺⁹

Oleh karena itu, waktu pembentukan lapisan tunggal τ digunakan untuk mengkarakterisasi vakum ultratinggi dan untuk membedakan rezim ini dari kisaran vakum tinggi. Waktu pembentukan lapisan tunggal τ hanya sepersekian detik dalam kisaran vakum tinggi sementara pada kisaran vakum ultratinggi memanjang selama beberapa menit atau jam. Oleh karena itu, permukaan bebas gas hanya dapat dicapai (dan dipertahankan dalam jangka waktu yang lebih lama) dalam kondisi vakum ultratinggi.

Properti fisik lainnya berubah seiring perubahan tekanan. Misalnya, konduktivitas termal dan gesekan internal gas dalam kisaran vakum sedang sangat sensitif terhadap tekanan. Dalam rejimen vakum kasar dan tinggi, sebaliknya, kedua sifat ini hampir independen dari tekanan. Oleh karena itu, tidak hanya pompa yang diperlukan untuk mencapai tekanan ini dalam berbagai kisaran vakum berbeda, tetapi juga pengukur vakum yang berbeda akan diperlukan. Susunan pompa dan instrumen pengukuran yang jelas untuk masing-masing kisaran tekanan ditampilkan pada Gambar 9,16 dan 9.16a.

Gambar 9,16 Kisaran kerja umum pompa vakum

Gambar 9.16a Rentang pengukuran pengukur vakum umum

Satuan dan definisi

Volume V (l, m³, cm³)

Istilah volume digunakan untuk menunjukkan

a) isi volumetrik murni geometris, biasanya ditentukan sebelumnya, dari ruang vakum atau sistem vakum lengkap termasuk semua pipa dan ruang sambungan (volume ini dapat dihitung);

b) volume gas atau uap tergantung tekanan yang, misalnya, dipindahkan oleh pompa atau diserap oleh agen adsorpsi.

Aliran volumetrik (volume aliran) q_v (l/dtk, m³/jam, cm³/dtk)

Istilah "volume aliran" merujuk pada volume gas yang mengalir melalui elemen pipa dalam satuan waktu, pada tekanan dan suhu yang berlaku pada saat tertentu. Di sini, Anda harus menyadari bahwa meskipun aliran volumetrik mungkin sama, jumlah molekul yang bergerak mungkin berbeda, tergantung pada tekanan dan suhu.

Kecepatan pemompaan S (l/dtk, m³/jam, cm³/dtk)

Kecepatan pemompaan adalah aliran volumetrik melalui port pengisapan pompa.

(1.8a)

Jika S tetap konstan selama proses pemompaan, maka quotient perbedaan dapat digunakan sebagai ganti quotient diferensial:

(1.8b)

(Tabel konversi untuk berbagai satuan pengukuran yang digunakan bersama dengan kecepatan pemompaan disediakan dalam Tabel VI).

Tabel VI Konversi satuan kecepatan pemompaan (laju aliran volume)

Jumlah gas (nilai pV), (mbar Þ l)

Kuantitas gas dapat diindikasikan dengan massa atau beratnya dalam satuan pengukuran yang biasanya digunakan untuk massa atau berat. Namun, dalam praktiknya, produk p · V sering kali lebih menarik dalam teknologi vakum daripada massa atau berat sejumlah gas. Nilai mencakup dimensi energi dan ditentukan dalam milibar · liter (mbar · l) (Persamaan 1,7). Jika sifat gas dan suhunya diketahui, Anda dapat menggunakan Persamaan 1.7b untuk menghitung massa m untuk kuantitas gas berdasarkan produk p · V:

(1,7)

(1.7b)

Meskipun tidak sepenuhnya benar, dalam praktiknya sering kali dirujuk ke "kuantitas gas" p · V untuk gas tertentu. Spesifikasi ini tidak lengkap; suhu gas T, biasanya suhu ruang (293 K), biasanya diasumsikan secara implisit diketahui.

Contohnya:

Massa 100 mbar · l nitrogen (N₂) pada suhu ruangan (sekitar 300 K) adalah:

Analog dengan ini, pada T = 300 K:

1 mbar · l O₂ = 1,28 · 10 ^-3 g O2

70 mbar · l Ar = 1,31 · 10 ^-1 g Ar

Jumlah gas yang mengalir melalui elemen pipa selama satuan waktu - sesuai dengan dua konsep untuk jumlah gas yang dijelaskan di atas - dapat diindikasikan dengan dua cara, yaitu:

Aliran massa qm (kg/jam, g/dtk),

ini adalah kuantitas gas yang mengalir melalui elemen pipa, direferensikan dengan waktu

atau sebagai

aliran pV qpV (mbar · l · s ^-1 ).

Aliran pV adalah produk dari tekanan dan volume sejumlah gas yang mengalir melalui elemen pipa, dibagi dengan waktu, yaitu:

Aliran pV adalah ukuran aliran massa gas; suhu yang akan ditunjukkan di sini.

Output pompa q_pV

Kapasitas pemompaan (throughput) untuk pompa sama dengan aliran massa melalui port masuk pompa:

(1,9)

atau ke aliran pV melalui port aspirasi pompa:

Biasanya ditentukan dalam mbar · l · s ^-1. Di sini p adalah tekanan di sisi masuk pompa. Jika p dan V konstan di sisi pengisapan pompa, hasil pompa ini dapat dinyatakan dengan persamaan sederhana

(1.10a)

di mana S adalah kecepatan pemompaan pompa pada tekanan masuk p.

(Durasi pompa sering ditunjukkan dengan Q, juga.)

Konsep throughput pompa sangat penting dalam praktiknya dan tidak boleh bingung dengan kecepatan pemompaan! Throughput pompa adalah jumlah gas yang dipindahkan oleh pompa dalam satuan waktu, dinyatakan dalam mbar ≠ l/dtk; kecepatan pemompaan adalah "kapasitas transportasi" yang tersedia oleh pompa dalam satuan waktu tertentu, diukur dalam m³ /jam atau l/dtk.

Nilai throughput penting dalam menentukan ukuran pompa cadangan dalam kaitannya dengan ukuran pompa vakum tinggi yang dihubungkan secara seri untuk memastikan bahwa pompa cadangan dapat "mengambil" gas yang dipindahkan oleh pompa vakum tinggi.

Blog & Wiki Fundamental Physics of Vacuum Vacuum Fundamentals