Nghiên cứu về áp suất

Việc áp dụng chúng với những mục đích khác nhau trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện đã đẩy mạnh sự phát triển kỹ thuật chân không và ngày càng đòi hỏi tạo ra những chân không cao độ tức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA VẬT LÝ

o-o-o ĐỀ TÀI:

THỰC HIỆN ÁP SUẤT THẤP

SỰ ĐO ÁP SUẤT THẤP

Giảng viên hướng dẫn: Ths: Nguyễn Thanh Loan Các thành viên trong nhóm:

2 Nguyễn Thị Thu Trang K38.102.126

3 Nguyễn Trần Lý Trung K38.105.156

4 Phạm Phương Huyền K39.105.068

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, các hệ thống điều khiển áp suất nói chung được áp dụng rất rộng rãi như các hệ thống điều khiển áp suất trong cung cấp nước sạch, duy trì áp suất trong lò hơi, trong bảo quản, chế biến thực phẩm, trong khai thác dầu, trong nhà máy bia, trong y tế…và sự thực hiện áp suất thấp hiện nay nói riêng đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ở phòng thí nghiệm cũng như trong kỹ thuật Việc áp dụng chúng với những mục đích khác nhau trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện đã đẩy mạnh sự phát triển kỹ thuật chân không và ngày càng đòi hỏi tạo ra những chân không cao độ (tức là những chất khí ở áp suất rất thấp) Đó

là lý do chúng em chọn đề tài: “Thực hiện áp suất thấp Sự đo áp suất thấp” làm đề tài tiểu luận

Nhóm tác giả

Mục lục

I Áp suất chất khí

1 Định nghĩa

+ Theo quan điểm vĩ mô : lực nén của khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích

thành bình

p: áp suất chất khí ( N/m2)

F: lực nén của khí vuông góc với diện tích của thành bình (N)

+ Theo quan điểm vi mô : lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên 1 đơn vị

diện tích thành bình chính là áp suất chất khí

2 Công thức cơ bản của thuyết động học phân tử

Trong đó : n là mật độ phân tử khí

là động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử

Nhận xét:

• Áp suất thể hiện tính chất vĩ mô của tính chất chuyển động nhiệt của các phân tử

• Công thức trên đúng cho mọi trường hợp, kết quả hoàn toàn không phụ thuộc hình dạng

• Khảo sát áp suất trong bình, áp suất tại mọi điểm như nhau

3 Đơn vị của áp suất

• Trong hệ SI: áp suất gây nên bởi lực bằng 1 niutơn tác dụng vuông góc lên diện tích 1m2, đơn vị áp suất là niutơn trên mét vuông (kí hiệu là N/m2)

• Trong hệ CGS: đơn vị áp suất là dyn trên centimét vuông (kí hiệu là dyn/cm2)

1 N/m2 = 10 dyn/cm2

• Ngoài ra còn có các đơn vị áp suất ngoại hệ là átmốtphe kỹ thuật hoặc gọi tắt là átmốtphe (kí hiệu là at) Nếu dùng đơn vị lực là kilôgam lực (kG) và đơn vị diện tích

là cm2 thì:

1at = 1kG/cm2 = 9,81.104 N/m2

− Atmophe vật lý là áp suất gây nên bởi trọng lượng cột thủy ngân cao 760mm (kí hiệu

là atm)

− Tor hay milimet thủy ngân là áp suất gây nên bởi trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm (kí hiệu là tor hay mmHg)

1 torr = 1 mmHg = 133,322 N/m2

Vậy 1 atm = 760 mmHg = 1,013.105 N/m2=1,033 at

4 Nguyên lý đo áp suất

Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh Do vậy, đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h được xác định theo công thức:

p = p0 + ρgh Trong đó: p0 là áp suất khí quyển

ρ: khối lượng riêng của chất lưu

g: gia tốc trọng trường

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện

Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình Biến dạng này là hàm của xác suất

Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pd):

p = pt + pd

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động Áp suất động

do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất động được đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông thường việc đo hiệu áp suất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot (hình 1), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2) đo áp suất tĩnh

Hình 1: Đo áp suất động bằng ống

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau

của một màng đo (hình 2), như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa

áp suất tổng và áp suất tĩnh

Hình 2: Đo áp suất động bằng màng

5 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Phương trình xác định mối liên hệ giữa

ba thông số trạng thái của chất khí gọi

là phương trình trạng thái của khí lí

tưởng.

Để lập phương trình này, ta xét một

lượng khí từ trạng thái 1 (p1, V1, T1)

sang trạng thái 2 (p2, V2, T2) qua trạng

thái trung gian 1' (p', V2, T1) bằng các

đẳng quá trình đã học trong các bài

trước (hình 3)

+ Áp dụng định luật Boyle – Mariote

cho quá trình chuyển trạng thái từ (1)

sang (1’):

p1V1 = p’V2 (*)

+ Áp dụng định luật Charles cho quá

trình chuyển từ trạng thái (1’) sang (2):

 thế vào (*):

Ta dễ dàng chứng minh được:

hay

Phương trình trên

(Clapeyron, 1799 - 1864) đưa ra năm 834 và được gọi

là phương trình trạng thái của khí lý tưởng hay phương trình

Cla-pê-rôn

Hình 3

6 Các định luật của khí lý tưởng

a Định luật Boyle-Mariotte (1662-1672)

• Điều kiện: T = const

• Phương trình: p.V = const

• Phát biểu: Trong quá trình đẳng nhiệt của

một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ

nghịch với thể tích

• Đường đẳng nhiệt: Đường biểu diễn sự

biến thiên của áp suất theo thể tích khi

nhiệt độ không đổi

• Đồ thị:

b.

Định luật Charles (1787)

• Điều kiện: V = const

• Phương trình:

• Phát biểu: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

• Đường đẳng tích: Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi

• Đồ thị:

c Định luật Gay- Lussac (1802)

• Điều kiện: p = const

• Phương trình:

• Phát biểu: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

• Đường đẳng áp: Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi

• Đồ thị:

II Áp suất thấp

1 Định nghĩa

Các hiện tượng truyền cũng như các hiện tượng khác trong chất khí liên quan chặt chẽ với

sự va chạm giữa các phân tử Ta biết rằng 4 2 2.

kT

r p

λ

π

=

, , nếu p giảm thì λ tăng, muốn

p giảm thì ta phải giảm mật độ khí trong bình (p = nkT) bằng cách hút bớt khí trong bình Càng hút bớt khí thì p càng giảm, càng tăng cho đến khi > d (d là kích thước của bình) Lúc bấy giờ các phân tử khí chỉ va chạm vào thành bình và không hề va chạm nhau trong quá trình chuyển động nhiệt Áp suất giảm đến mức ấy gọi là áp suất thấp

Trạng thái khí ở áp suất thấp (trạng thái khí kém) sao cho > d (d là khoảng cách giữa 2 thành bình) được gọi là chân không

Ví dụ: p = 10-6 mmHg, bình 1m3, bằng vài chục mét Bình có áp suất thấp như vậy gọi là bình chân không

Như vậy, khái niệm chân không chỉ có tính chất tương đối vì việc quy định trong bình đã thiết lập được chân không hay chưa còn tùy thuộc vào kích thước của bình

7 Tính chất

Các hiện tượng truyền trong khí kém sẽ khác so với trường hợp ở áp suất bình thường Để

cụ thể hơn ta sẽ xét hiện tượng dẫn nhiệt ở khí kém

Giả sử, ta lấy 2 tấm song song A1 và A2 (với nhiệt độ tương ứng là T1 > T2) đặt cách nhau khoảng d Giữa hai tấm có khí dẫn nhiệt từ tấm A1 đến tấm A2 Chừng nào > d thì sự dẫn nhiệt vẫn xảy ra như đã mô tả ở trên: các phân tử chuyển động hỗn loạn truyền động năng

từ lớp này qua lớp kia Lúc này, hệ số dẫn nhiệt D không phụ thuộc áp suất p

Khi áp suất được giảm xuống khá thấp sao cho ≥ d thì hiện tượng dẫn nhiệt xảy ra khác hẳn: phân tử khí va chạm vào tấm A1 sẽ có động năng tương ứng với nhiệt độ T1 Phân tử khí này bay sang va chạm A2 và lại những phân tử ấy bật từ tấm A2 trở lại, truyền bớt động năng để còn lại Phân tử đó tiếp tục bay về tận A1 và lấy ở đó một phần năng lượng để lại

có động năng Vậy sự dẫn nhiệt là do các phân tử trực tiếp nhận động năng của các phân tử

ở thành bình A1 và chuyển phần động năng đó cho các phân tử ở thành bình A2 Số phân tử ngày càng giảm (tức p giảm) tức tác nhân gây truyền nhiệt ngày càng ít thì sự truyền nhiệt càng kém Vậy trong chân không D phụ thuộc d Thực nghiệm cho thấy đối với áp suất thấp, hệ số dẫn nhiệt D phụ thuộc áp suất

III Thực hiện áp suất thấp

Dưới đây là sơ lược các phương pháp thực hiện chân không vẫn thường dùng trong kỹ thuật chân không hiện đại

1 Bơm dầu (bơm thứ cấp)

a Giới thiệu

Trong kỹ thuật người ta thường gọi với cái tên bơm sơ cấp, trong các loại máy tạo ra chân không thì bơm dầu là loại thông dụng Nhưng nó thường chỉ cho chân không vào khoảng

10-2 – 10-4 mmHg nên muốn tạo ra chân không cao hơn thì phải ghép nhiều tầng bơm chân không mà trong đó tầng đầu tiên là bơm dầu

d Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm dầu.

Bơm này gồm một khối kim loại hình trụ chuyển động lệch trục ở trong lòng hình trụ của thân bơm cũng làm bằng kim loại Hai thanh gạt đặt trong rãnh của khối trụ có lò xo đẩy ra, chia khoảng không gian giữa khối trụ và thành trong của thân bơm làm hai miền

Rotor 5 và satato 1 được thiết kế lệch tâm Trên rotor có hai rãnh Trong hai rãnh được lắp cách cánh gạt 3 và lò xo Lo xò đảm bảo các cánh gạt luôn tỳ vào thành stato Khi rotor quay tạo thành 3 khoang trong máy bơm, một khoang giãn, một khoang nén, một khoang giữa Ba khoang thay đổi một cách tuần hoàn khi rotor quay Tại khoang giãn do thể tích tăng lên nên sẽ hút một lượng khí hoặc hơi vào khoang này Rotor quay, khoang này trở thành khoang giữa, rồi thành khoang nén và khí hoặc hơi sẽ bị nén lại, khi áp suất tại khoang nén tăng tới một giá trị nhất định làm mở van xả 8, khí và hơi qua van xả 8 đi ra khỏi máy bơm Cả máy bơm được nhấn ngập trong thùng dầu Bằng cách đó dầu sẽ bít kín toàn bộ các khe hở của máy bơm ngăn không khí, hơi quay ngược trở lại, đồng thời bôi trơn, làm mát và nâng cao hiệu quả hoạt động của máy bơm Vì thế loại bơm này gọi là bơm dầu hay là bơm cơ học

8 Bơm khuếch tán

a Giới thiệu

Muốn tạo những áp suất thấp hơn những áp suất Hình 4: Cấu tạo của bơm dầu

e Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chính của bơm khuếch tán là một buồng đốt nhiều tầng Người ta sử dụng buồng đốt để đun sôi một loại dầu (gọi là dầu chân

dầu khi bay hơi lên sẽ hấp phụ các phân tử khí khuếch tán từ môi trường cần tạo chân không cao Sau khi hấp phụ, dầu được làm lạnh và bị rơi xuống, nhả các phân tử khí theo một đường khác (nhờ hệ bơm cơ học đi kèm) và quay trở lại buồng đốt

Thông thường các bơm khuếch tán được ghép nhiều tầng (phổ biến là dùng 2- 3 bơm khuếch tán) Các bơm khuếch tán hiện đại có thể tạo ra chân không với áp suất vào bật 10-9–10-11

thể tạo ra những áp suất thấp hơn nữa

khí và bình đựng khí) thật kín Để giúp cho việc

để duy trì chân không cao độ đã tạo được,

người ta còn đặt vào trong bình cần hút khí những chất “thu khí” như than Than hút những khí còn lại trong bình mà bơm khuếch tán không hút ra khỏi bình được Titan (Ti) có thể hút một khối lượng lớn khí Hyđrô Ngày nay, người ta còn dùng phương pháp ion hóa chất khí

IV Sự đo áp suất thấp

1 Áp kế Mắc Lêốt

Người ta chế tạo dụng cụ đo áp suất thấp dựa trên định luật nén ép đoạn nhiệt của khí lý tưởng

Đầu C của áp kế nối với bình phải đo áp suất Giả sử rằng áp suất phải đo bằng p1 Đầu tiên, chất khí có áp suất p1 chiếm đầy mọi phần của áp kế kể cả bầu E Khi nhấc bình A nối với phần còn lại của áp kế bằng ống cao su, thủy ngân dâng lên và cách ly bầu E cùng ống mao dẫn B khỏi bình phải đo áp suất Sau đó cho thủy ngân lên cao nữa cho tới một mức nhất định trong ống mao dẫn B và lúc ấy mực thủy ngân trong ống C cao hơn mực thủy ngân trong ống mao dẫn B một khoảng h nào đó

Hình 5: Cấu tạo của bơm khuếch tán

A

B

A

C

Áp dụng định luật Bôilơ Mariốt ta dễ dàng xác định được áp suất phải đo p1 nghĩa là áp suất của khí bị giam trong bầu E và ống mao dẫn B trước khi nó bị nén Nếu gọi thể tích tổng cộng của cả bầu E và ống mao dẫn B là V1 và thể tích của khí sau khi bị nén lại trong ống mao dẫn B là V2 thì ta có thể viết

trong đó p2: áp suất khí sau khi bị nén trong ống mao dẫn

Ta có: p2 = h + p1 nhưng vì p1 rất nhỏ so với h (p1<<h) nên tính gần đúng ta coi như p2≈ h Vậy

V1 và V2 là những thể tích được xách định từ trước, vì vậy

α là hằng số phụ thuộc cấu trúc của áp kế Mắc Lêốt Áp kế Mắc Lêốt cho phép ta đo được các áp suất từ 0.1 đến 10-6 mmHg nhưng có những nhược điểm sau:

• Không đo được áp suất của hơi bão hòa có thể có mặt trong hệ thống chân không Hơi bão hòa này khi bị nén thì ngưng tụ lại và không thay đổi áp suất

• Hơi thủy ngân dùng trong áp kế làm hại sức khỏe

• Không cho phép ta theo dõi liên tục sự biến thiên của áp suất

9 Áp kế ion hóa

Hình 6: Áp kế Mắc Lêốt

là khối lượng khí bị ion hóa trong một đơn vị thời gian không đổi) thì cường độ dòng ion tỷ

lệ với áp suất i = γp

Sơ đồ của áp kế ion hóa được biểu thị như trên hình 7 Đèn 3 cực Đ nối liền với bình cầu đo áp suất khí Khi đốt nóng catốt K của đèn Đ thì các electron thoát ra từ catốt K được tăng tốc độ bởi điện trường giữa catốt K và lưới G Các electron này xuyên qua lưới G và ion hóa các phân tử khí nằm giữa cực góp C và lưới G Điện thế C âm so với điện thế G do đó các ion được tạo thành do các sự va chạm của các electron vào các phân tử khí sẽ chuyển động thành dòng đi về C trong khi các electron phải quay trở lại G Cường độ của dòng ion i được đo bằng điện kế g1 (i = γp) Bảng chia độ ở điện kế g1 được ghi trực tiếp theo đơn vị áp suất Như vậy phải xác định hệ số tỷ lệ

γ Muốn thế phải đo i với một vài giá trị đã biết của p (các giá trị p này được xác định bằng các

áp kế khác ví dụ bằng áp kế Mắc Lêốt) Muốn cho công suất ion hóa của đèn có giá trị xác định và không đổi (điều này được kiểm tra bằng điện kế g2 nó cho biết dòng electron có được giữ ở một giá trị xác định và không đổi hay không) thì ta điều chỉnh dòng đốt catốt K bằng biến trở R

Áp kế ion hóa cho phép ta đo áp suất chất khí trong khoảng từ 10-3 đến 10-12 mmHg Tuy nhiên, áp kế này có nhược điểm là các số ghi trên bảng đo áp suất của nó phụ thuộc thành phần cấu tạo của chất khí (hệ số tỷ lệ γ khác nhau đối với các khí khác nhau)

10.Áp kế nhiệt điện

Để đo áp suất trong khoảng từ 0.1 đến 10-3 mmHg, người ta thường dùng áp kế nhiệt điện dựa trên cơ sở phụ thuộc độ dẫn nhiệt của khí vào áp suất Trong khoảng áp suất từ 0.1 đến 0.001 mmHg thì độ dẫn nhiệt gần đúng là tỷ lệ với áp suất

Trong bình thủy tinh hình trụ L có đặt một cặp nhiệt điện T (pin nhiệt điện) Bình này nối với bình khí có áp suất thấp cần đo bằng ống C Chỗ mối hàn T của cặp nhiệt điện được đun nóng do dính sát vào điểm A của sợi dây kim loại hình chữ V có dòng điện chạy qua Cường độ dòng điện nung nóng sợi dây kim loại được giữ không đổi nhờ biến trở R và đo được nhờ điện kế g1 Do một đầu mối hàn của cặp nhiệt điện bị nung nóng nên xuất hiện một thế điện động và nó được đo bằng một milivôn kế g2 (mà thực chất cũng là một điện kế) Giá trị của thế điện động này liên hệ với áp suất của khí qua nhiệt độ của sợi dây kim loại, vì rằng nhiệt độ của sợi dây kim loại sẽ càng lớn (do đó thế điện động sinh ra càng lớn) nếu độ dẫn nhiệt của khí càng nhỏ mà như ta đã biết độ dẫn nhiệt gần như tỷ lệ với áp suất

Chúng ta cũng đang xây dựng một nhà máy sử dụng kỹ thuật chân không đó là “các máy bóng đèn phích nước Rạng Đông” Nhà máy này đã sử dụng rộng rãi các loại bơm chân không Tùy theo từng sản phẩm người ta đã sử dụng những loại bơm khác nhau Thí dụ như đối với việc sản xuất bóng đèn điện thường (có dây tóc bị đốt nóng) hay phích nước chỉ đòi Hình 7: Sơ đồ của áp kế ion hóa