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1. Vakuumphysik und –technik:Grundlagen

1Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Vakuum• Vakuum (von lat. vacuus (leer, frei)) wird in

verschiedenen Bedeutungen gebraucht:

• Umgangssprachlich: Vakuum ist ein materiefreier

Raum.

• Technik und Klassische Physik: Vakuum bezeichnet den Zustand eines Fluides in einem Volumen bei einem Druck, der deutlich geringer ist als der Atmosphärendruck bei Normalbedingungen.

[ Wikipedia ]

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Druck

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Druckeinheiten

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[ Pfeiffer Vakuum ]

Umrechnungen

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[Pfeiffer Vak.]6

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[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

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GasEine Substanz wird als „Gas“ im engeren Sinne bezeichnet, wenn sie bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 1 atm (sog. Standardbedingungen) im gasförmigen Aggregatzustand vorliegt. Allgemeiner bezeichnet man auch den gasförmigen Zustand einer Substanz selbst als Gas, unabhängig von der Temperatur. Zusammen mit den Flüssigkeiten zählt man Gase im Sinne eines gasförmigen Zustandes zu den Fluiden.

[ Wikipedia ]

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Normalbedingungen• Normalbedingungen (auch STP genannt vom

englischen Begriff "Standard Temperature andPressure") für die Angabe von Eigenschaften von Gasen sind:

• Temperatur T = 273,15 K ≙ 0 °C

Und

• Druck p = 101325 Pa = 101325 N/m² = 1013,25 hPa = 101,325 kPa = 1013,25 mbar

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Zustandsgleichung ideales Gas

• p V = n R T (univ. Gaskonst.)

• p V = m RS T (spez. Gaskonst.)

• p V = N kB T (N Teilchenzahl)

• p Vm = R T (molares Volumen)

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Maxwell-Boltzmann-VerteilungGeschwindigkeitsverteilung des idealen Gases

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[ H. Stöcker ]

Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilungen für verschiedene Gase und verschiedene Temperaturen. Auf der Ordinate: % der Moleküle mit im Bereich von 10m/s um die angegebene Geschwindigkeit

Zustandsgleichung reales Gas

• Van der Waals Gleichung

• Binnendruck und

Eigenvolumen

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[ H. Stöcker ]

Maxwell-Konstruktion

[ H. Stöcker ]

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Phasenkoexistenz

[ H. Stöcker ]

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Dampf

Gas, das im Allgemeinen noch in Kontakt mit der flüssigen bzw. festen Phase steht, aus der es durch Verdampfung bzw. Sublimation hervorgegangen ist. Mit der Zeit und sofern keine Störung auftritt, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem genau so viele Teilchen der flüssigen bzw. festen Phase in die gasförmige Phase übertreten, wie umgekehrt aus dem Gas zurückwechseln. Der Dampf ist dann gesättigt. Wie viele Teilchen von einer in die andere Phase wechseln, hängt unter anderem stark von Druck und Temperatur ab.

[ Wikipedia ]

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Phasendiagramme

[ Heintz ]

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p-V-T-Diagramm Wasser

[ wikipedia ]

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Dichte feuchter Luft

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Clausius-Clapeyron-Gleichung, eine Differentialgleichung für den Dampfdruck p(T), wenn Entropie und Volumen pro Teilchen in Abhängigkeit von T und p bekannt sind.

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Dampf p ( T)

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Relative Luftfeuchtigkeit

Sinkt die Temperatur bis zum Taupunkt , so tritt Kondenswasserbildung auf:

PD = PS

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Dampfdruckkurve

[ H. Stöcker ]

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ps(T) von Vakuum-fetten (Silicon 3) und Picein (4)

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Dampfdruck von Elastomeren

1 Perbunan2 Silikongummi3 Teflon

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Entspannungsverdampfung

• Druckabsenkung führt zur Überhitzung der Flüssigkeit • Neuer Druck verbreitet sich mit Schallgeschwindigkeit im Behälter • Temperaturänderung wird durch Wärme- und Stoffübergange an den

Phasengrenzen verlangsamt • Thermodynamische Gleichgewicht liegt nicht mehr vor • Überhitzung wird durch Energieübertrag an Siedekeime und vorhandene

Dampfblasen abgebaut • Enegieeintrag in Siedekeime und Blasen führt zum Blasenwachstum und

Aufstieg der Blasen • Ausspeichern von Masse in Form von Dampf entzieht dem System die

Temperatur • Neuer thermodynamischer Gleichgewichtszustand wird erreicht

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Entspannungsverdampfung

1 gesättigt siedender Anfangszustand

2a gesättigt siedendeFlüssigkeit

2b Sattdampf

[ Wikipedia ]

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Wirkungen, die durch den Vakuumzustand

hervorgerufen werden :

Kraftwirkungen:

• Hebe-und Spannvorrichtungen

• Tiefziehen von Kunststoffen

• Förderung von Flüssigkeiten

• Vakuumfiltration

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Wirkungen, die durch den Vakuumzustand

hervorgerufen werden :

Beseitigung gasförmiger Materie:

• Vakuumimprägnierung

• Vakuumschmelzen

• Vakuumröhren

• Elektronenmikroskop

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Wirkungen, die durch den Vakuumzustand

hervorgerufen werden :

Schaffung einer inerten Umgebung:

• Vakuumschmelzen

• Glühkatoden

• Vakuumbedampfung

• Vakuumlöten

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Wirkungen, die durch den Vakuumzustand

hervorgerufen werden :

Beeinflussung unmittelbar druckabhängiger Prozesse:

• Siedepunkterniedrigung

• Gasentladung

• Verringerung der Wärmeleitung

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Strömungsmechanik

• Saugvermögen: An einer Vakuumpumpe definiert man das Saugvermögen S, als das pro Zeiteinheit geförderte Gasvolumen:

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[ Pfeiffer Vakuum ]

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Strömungsmechanik

• Volumendurchfluss qv [l/s]

• Gasmenge (pV-Wert) [mbar l], [Nm]

• pV-Strom (Durchfluss) [mbar l / s] ist dann „Massenstrom“

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Strömungsmechanik

• Saugleistung: Die Saugleistung Q bei einem Druck pa an der Saugseite der Pumpe, ist definiert als:

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Strömungsleitwert

• Analog zum Ohm’schen Gesetz kann man auch einen Strömungswiderstand W und einen Strömungsleitwert L = 1/W definieren. Die Druckdifferenz Δp übernimmt dabei die Rolle der Spannung/Potentialdifferenz U und Q, als Volumenfluss entspricht dem Strom I = dQ/dt. Es gilt dann:

• Kirchhoff’schen Regeln gelten !

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pA S = pR Seff ,

Q = L ( p R – pA ) = pA S

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Grundgleichung der Vakuumtechnik

LSSeff

111 +=

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[Kays, London ]

Strömung in rundenRohren

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Schema zur Belüftung eines evakuierten Behälters

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