理论教育 如何准确测量真空?有助基础化学实验

如何准确测量真空?有助基础化学实验

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于真空度的范围宽达十几个数量级,因此只能用若干个不同的真空规来测量不同范围的真空度。麦氏真空规不能测量压缩时会凝聚的蒸气的压力,这是其缺点。

如何准确测量真空?有助基础化学实验

真空测量实际上就是测量低压下气体的压力。所用的量具通称为真空规。真空规可分为绝对真空规和相对真空规两类。前者可从它本身的仪器常数值以及测得的物理量直接算出压力的大小,后者所测得的量不能直接算出压力,而要用绝对真空规校准以后才能指示出相应的压力值。

由于真空度的范围宽达十几个数量级,因此只能用若干个不同的真空规来测量不同范围的真空度。常用的真空规有U型水银压力计、麦氏真空规、热偶真空规和电离真空规等。

1.麦克劳(麦氏)真空规

麦氏(McLeod)真空规是一种绝对真空规,其构造如图1-18所示。它利用波义耳定律,将被测真空系统中的一定的残余气体加以压缩,比较压缩前后体积、压力的变化,即能算出其真空度。

图1-18 麦氏真空规构造示意图

使用时,缓缓启开活塞,使真空规与被测真空系统相通,这时真空规中的气体压力,逐渐接近于被测系统的真空度。与此同时,将三通活塞开向辅助真空,对贮汞槽抽真空,不让汞槽中的汞上升。待玻璃泡和闭口毛细管中的气体压力与被测系统的压力达到稳定平衡后,可开始测量。将三通活塞小心缓慢地开向大气(此处可接一根毛细管,以防止空气瞬间大量冲入),使汞槽中汞缓慢上升,进入真空规上方。当汞面上升到切口处时,玻璃泡和毛细管即形成一个封闭体系,其体积是事先标定过的。令汞面继续上升,封闭体系中气体被不断压缩,压力不断增大,最后压缩到闭口毛细管内。毛细管R是开口通向被测真空系统的,其压力不随汞面上升而变化。因而随着汞面上升,R和闭口毛细管产生压差,其差值可从两个汞面在标尺上的位置直接读出。如果毛细管和玻璃泡的容积为已知,压缩到闭口毛细管中的气体体积也能从标尺上读出,就可算出被测系统的真空度。

通常,麦氏真空规已将真空度直接刻在标尺上,不再需要计算。使用时只要闭口毛细管中的汞面刚达零线,立即关闭活塞,停止汞面上升,这时开管R中的汞面所在位置的刻度线,即所求真空度。麦氏真空规的量程范围为10Pa~10-4Pa,若在闭口毛细管的入口处加接一小玻璃泡和一小段毛细管,则可将量程扩大至102Pa。麦氏真空规不能测量压缩时会凝聚的蒸气的压力,这是其缺点。在物理化学实验中常用一种小型的转式麦氏真空规,具有体积小、用汞量少(仅需8cm3汞)、吹制和操作都比较简便等优点。转式麦氏真空规的构造如图1-19所示。真空规通过磨口A与待测真空系统连接。真空规能以A为中心转动90°。测量前,真空规处于平放位置,如图1-19(b),此时系统内低压气体充满真空规。测量时,只需将真空规转到直立位置,如图1-19(a),这时汞自容器B流出,将CD段内体积为V的低压气体压缩到毛细管CE段内。调整毛细管F(其内径与CE闭管毛细管内径相同)内的汞面,使它正好对准闭管毛细管的末端,于是读出两毛细管间的汞面高度差,则按玻意耳定律得待测低压气体的压力。

(www.daowen.com)

图1-19 转式麦氏真空规示意图

式中:P为待测低压气体压力;

   a为毛细管截面积。

因a、V为常数,所以压力P可由上式算出。

2.热偶真空规和电离真空规

热偶真空规是利用低压时气体的导热能力与压力成正比的关系制成的真空测量仪,其量程范围为10Pa~10-1Pa。电离真空规是一只特殊的三极电离真空管,在特定的条件下根据正离子流与压力的关系,达到测量真空度的目的,其量程范围为10-1Pa~10-6Pa。在商品化的测量仪器中已将上述两种真空规复合配套,组成复合真空计。复合真空计除了两个独立的规管外,其他电源电子检测系统均组装在一起,其优点是把两种真空规的量程连接起来,在压力为10Pa~10-1Pa时使用热偶真空规,在压力低于10-1Pa时使用电离真空规。

在物理化学实验和科学研究中,使用复合真空计测量系统的真空度已相当普遍,但应该了解,无论热偶真空规还是电离真空规都是相对真空规,使用前需要进行核准。还要注意的是,用复合真空计测量系统真空度时,如果残留气体为氮气或干燥空气,则测量指示的数据即为真空度;如果系统残留的气体并非氮气或空气,那么测量数据需要乘以对应气体的校正系数,才是真空度。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈