Bagaimana cara menghitung jalur bebas rata-rata molekul gas?

Bagikan lewat

Definisi konsep terkait

Laju kebocoran q_L (mbar ·l · s ^-1)

Menurut definisi yang dirumuskan di atas, mudah dipahami bahwa ukuran kebocoran gas, yaitu pergerakan melalui saluran atau elemen "pipa" yang tidak diinginkan, juga akan diberikan dalam mbar · l · s ^-1. Laju kebocoran sering kali diukur atau diindikasikan dengan tekanan atmosfer yang berlaku di satu sisi penghalang dan vakum di sisi lain (p < 1 mbar). Jika helium (yang dapat digunakan sebagai gas peneliti, misalnya) melewati kebocoran dalam kondisi yang sama, maka hal ini disebut "kondisi helium standar". Untuk informasi selengkapnya, lihat bagian tentang deteksi kebocoran.

Pembuangan gas (mbar · l)

Istilah outgassing merujuk pada pelepasan gas dan uap dari dinding ruang vakum atau komponen lain di dalam sistem vakum. Jumlah gas ini juga ditandai dengan produk p · V, di mana V adalah volume bejana tempat gas dilepaskan, dan dengan p, atau Δp yang lebih baik, peningkatan tekanan yang dihasilkan dari pengenalan gas ke dalam volume ini.

Laju pengeluaran gas (mbar · l · s ^-1)

Ini adalah outgassing selama periode waktu, dinyatakan dalam mbar · l · s ^-1.

Laju pengeluaran gas (mbar · l · s ^-1 · cm ^-2 ) (berdasarkan luas permukaan)

Untuk memperkirakan jumlah gas yang harus diekstraksi, pengetahuan tentang ukuran area permukaan interior, bahan dan karakteristik permukaannya, laju outgassing yang direferensikan ke area permukaan, dan kemajuannya seiring waktu sangatlah penting.

Rata-rata jalur bebas molekul λ (cm) dan laju tabrakan z (s ^-1)

Konsep bahwa gas terdiri dari sejumlah besar partikel yang berbeda di antaranya - selain tabrakan - tidak ada gaya efektif, telah menyebabkan sejumlah pertimbangan teoretis yang kita ringkas hari ini dengan sebutan " teori kinetik gas ".

Salah satu hasil pertama dan pada saat yang sama paling bermanfaat dari teori ini adalah penghitungan tekanan gas p sebagai fungsi kepadatan gas dan kuadrat rata-rata kecepatan c2 untuk setiap molekul gas dalam massa molekul mT:

(1,14)

di mana

(1,15)

Molekul gas terbang di sekitar dan di antara satu sama lain, dengan setiap kecepatan yang mungkin, dan membombardir dinding bejana dan bertabrakan (elastis) satu sama lain. Gerakan molekul gas ini dijelaskan secara numerik dengan bantuan teori kinetik gas. Jumlah rata-rata tabrakan molekul selama periode waktu tertentu, yang disebut indeks tabrakan z, dan jarak jalur rata-rata yang dilalui setiap molekul gas antara dua tabrakan dengan molekul lain, yang disebut panjang jalur bebas rata-rata λ, dijelaskan sebagai fungsi kecepatan molekul rata-rata c- diameter molekul 2r dan molekul densitas nomor partikel n - sebagai perkiraan yang sangat baik:

di mana

(1,16)

dan

(1,18)

Dengan demikian, panjang jalur bebas rata-rata λ untuk densitas nomor partikel n adalah, sesuai dengan persamaan (1,1), proporsional terbalik terhadap tekanan p. Dengan demikian, hubungan berikut ini bertahan, pada suhu konstan T, untuk setiap gas

(1,19)

λ Þ p = konstan (1,19)

Tabel III dan gambar 9,1 digunakan untuk menghitung panjang jalur bebas rata-rata λ untuk tekanan sewenang-wenang dan berbagai gas. Persamaan dalam kinetik gas yang paling penting untuk teknologi vakum juga dirangkum dalam Tabel IV.

Tabel III Nilai jalur bebas rata-rata l produk c* jalur bebas rata-rata λ ( dan tekanan p untuk berbagai gas pada suhu 68°F atau 20°C (lihat juga Gbr. 9,1)

Fig 9.1 Variation of mean free path λ (cm) with pressure for various gases

Gambar 9,1 Variasi jalur bebas rata-rata λ (cm) dengan tekanan untuk berbagai gas

Tabel IV Kompilasi rumus penting yang terkait dengan teori kinetik gas

Laju impingement z_A (cm ^-2 Þ s ^-1 ) dan waktu pembentukan monolayer τ (s)

Teknik yang sering digunakan untuk mengkarakterisasi keadaan tekanan dalam rezim vakum tinggi adalah penghitungan waktu yang diperlukan untuk membentuk lapisan monomolekuler atau monoatomik pada permukaan bebas gas, dengan asumsi bahwa setiap molekul akan menempel pada permukaan. Waktu pembentukan lapisan tunggal ini berkaitan erat dengan laju impingement zA. Dengan gas diam, laju impingement akan menunjukkan jumlah molekul yang bertabrakan dengan permukaan di dalam bejana vakum per satuan waktu dan area permukaan:

(1,20)

Jika a adalah jumlah ruang, per unit area permukaan, yang dapat menerima gas tertentu, maka waktu pembentukan monolayer adalah

(1,21)

Frekuensi tabrakan z_v (cm ^-3 · s ^-1)

Ini adalah produk dari laju tabrakan z dan setengah dari densitas nomor partikel n, karena tabrakan dua molekul harus dihitung sebagai hanya satu tabrakan: