Como é calculado o caminho livre médio de moléculas de gás?
Definições de conceitos relacionados
Taxa de vazamento qL (mbar ·l · s–1)
De acordo com a definição acima formulada, é fácil entender que o tamanho de um vazamento de gás, ou seja, movimento através de passagens indesejadas ou elementos de "tubulação", também será dado em mbar · l · s–1. Uma taxa de vazamento é frequentemente medida ou indicada com a pressão atmosférica predominante em um lado da barreira e um vácuo no outro lado (p < 1 mbar). Se o hélio (que pode ser usado como gás traçador, por exemplo) passar através do vazamento exatamente nessas condições, então um se refere às "condições padrão do hélio". Para obter mais informações, consulte a seção sobre detecção de vazamento.
Desgaseificação (mbar · l)
O termo desgaseificação refere-se à liberação de gases e vapores das paredes de uma câmara de vácuo ou de outros componentes no interior de um sistema de vácuo. Essa quantidade de gás também é caraterizada pelo produto de p · V, onde V é o volume do reservatório no qual os gases são liberados e, por p, ou melhor Δp, o aumento de pressão resultante da introdução de gases nesse volume.
Taxa de desgaseificação (mbar · l · s–1)
Esta é a desgaseificação por um período de tempo, expressa em mbar · l · s–1.
Taxa de desgaseificação (mbar · l · s–1 · cm–2) (em relação à área de superfície)
Para estimar a quantidade de gás que terá de ser extraída, é importante conhecer o tamanho da superfície interior, o seu material e as caraterísticas da superfície, a sua taxa de desgaseificação em relação à superfície e o seu progresso ao longo do tempo.
Caminho livre médio das moléculas λ (cm) e taxa de colisão z (s-1)
O conceito de que um gás compreende muitas partículas distintas entre as quais, além das colisões, não há forças efetivas, levou a uma série de considerações teóricas que resumimos hoje sob a designação "teoria cinética dos gases".
Um dos primeiros e, ao mesmo tempo, mais benéficos resultados desta teoria foi o cálculo da pressão de gás p como função da densidade do gás e o quadrado médio da velocidade c2 para as moléculas de gás individuais na massa de moléculas mT:
(1.14)
onde
(1.15)
As moléculas de gás voam sobre e entre si, em todas as velocidades possíveis, e bombardeiam as paredes dos reservatórios e colidem (elasticamente) umas com as outras. Esse movimento das moléculas de gás é descrito numericamente com a ajuda da teoria cinética dos gases. Um número médio de colisões de uma molécula durante um determinado período de tempo, chamado índice de colisão z, e a distância do caminho livre médio que cada molécula de gás cobre entre duas colisões com outras moléculas, chamadas de comprimento do caminho livre médio λ, são descritas como mostrado abaixo como uma função da velocidade média da molécula c- o diâmetro da molécula 2r e o número de partículas de moléculas n – como uma boa aproximação:
onde
(1.16)
e
(1.18)
Assim, o comprimento do caminho livre médio a λ para a densidade do número de partículas n é, de acordo com a equação (1.1), inversamente proporcional à pressão p. Assim, a seguinte relação mantém, à uma temperatura constante T, para cada gás
(1.19)
λ ⋅ p = const (1,19)
A tabela III e fig. 9.1 são utilizadas para calcular o comprimento do caminho livre médio λ para quaisquer pressões arbitrárias e vários gases. As equações na cinética dos gases mais importantes para a tecnologia de vácuo também estão resumidas na Tabela IV.
Tabela III: Caminho livre médio l Valores do produto c* do caminho livre médio λ ou pressão p para vários gases a 20 °C ou 68 °F (veja também a Fig. 9.1)
Fig. 9.1 Variação do caminho livre médio λ (cm) com pressão para vários gases
Tabela IV Compilação de fórmulas importantes relativas à teoria cinética dos gases
Taxa de impacto zA(cm–2⋅ s–1) e tempo de formação de monocamada τ(s)
Uma técnica frequentemente usada para caracterizar o estado de pressão no regime de alto vácuo é o cálculo do tempo necessário para formar uma camada monomolecular ou monoatômica em uma superfície livre de gás, supondo que cada molécula irá aderir à superfície. Esse tempo de formação de monocamada está intimamente relacionado à taxa de impacto zA. Com um gás em repouso, a taxa de impacto indicará o número de moléculas que colidem com a superfície dentro do reservatório de vácuo por unidade de tempo e área de superfície:
(1.20)
Se a for o número de espaços, por unidade de área de superfície, que pode aceitar um gás específico, então o tempo de formação de monocamada será
(1.21)
Frequência de colisão zv (cm–3 · s–1)
Este é o produto da taxa de colisão z e a metade da densidade do número de partículas n, uma vez que a colisão de duas moléculas deve ser contada como apenas uma colisão:
(1.21a)
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
