المحاضرة الاولى / تقنيات فراغ

ماذا يقصد بالفراغ Vacuum)) ؟
ان الفراغ من الناحية التطبيقية يمكن ان يعرف على انه ظروف الغاز تحت ضغط اقل من الضغط الجوي. الجدول( 1)
يبين تصنيف معدلات الفراغ .يبين تصنيف معدلات الفراغ .
جدول (1) يبين تصنيفات الفراغ حسب الضغط.
تعتمد تكنولوجيا الفراغ على خلق بيئة تجرى تحتها العملية المطلوبة)ترسيب الاغشية الرقيقة، لحام الحزمة الالكترونية، ....الخ)
هذا يجرى عادة" عن طريق ازالة الهواء من نظام الى قيمة مقبولة تحت الضغط الجوي باستخدام بعض انواع اجهزة مضخات الفراغ.
الجو (air) غطاء من الغازات يحيط بسطح الارض ويتسع الى الخارج الى مسافة 25 ميل ويشار اليه بالهواء :(atmosphere) الجو
هذا الخليط من الغازات يولد ضغط يؤثر بشكل متساوي على جميع الاشياء الموجودة على سطح الارض. هذا الضغط هو حوالي 15 باوند لكل انج مربع عند مستوى سطح البحر. الجدول (2) يوضح تركيب الهواء الجاف.




جدول( ( 2 يبين مكونات الهواء الجاف

خواص الانظمة تحت الفراغ :( Properties of systems under vacuum)
اذا تم ازالة كمية معينة من غاز الجو من حاوية فراغ خالية من النضوح فاننا نستطيع ان نولد بيئة تختلف بشكل كبير من النواحي الميكانيكية، الكيمياوية والفيزياوية. فما هي هذه التاثيرات؟ هذا ماسوف نستعرضه هنا.
التاثيرات الميكانكية :(Mechanical effects)
اذا وضعت قنينة بلاستيكية حجمها 2 لتر مملوئة الى نصفها بسائل في ثلاجة، نلاحظ بعد فترة من التبريد ان جوانب العبوة البلاستيكية تطعجت نحو الداخل. الذي حصل هنا هو انك خلقت ظروف جعلت الضغط الداخلي للعبوة اقل من الضغط الخارجي. لقد كان المهندسين الميكانيكين على دراية بهذا التاثير ولذلك فقد صمموا العبوات لتتحمل ضغط خارجي مقداره14.7 عند مستوى سطح البحر ) عند غياب الضغط الداخلي المعوض. Ib/in2
التاثيرات الكيمياوية ( :( Chemical effects
يسبب ازالة الغازات من الحاوية تقليل عدد ذرات الغاز التي يمكن ان تتداخل مع المواد داخل الحاوية لهذا السبب فان العديد من المواد المحببة hydroscopic للماء أي التي لها القابلية على امتصاص الماء من الجو يتم حفظها في حاوية تحت الفراغ. يمكن ايضا" حفظ المواد التي تتاكسد بسهولة تحت الفراغ او بوجود غازات خاملة مثل النتروجين بعد ازالة الغاز من
الحاوية.
التاثيرات الفيزياوية . :(Physical effects)
تتأثر العديد من الخواص الفيزياوية للغازات بقوة بضغط الغاز. الامثلة على هذه الخواص التوصيلية الحرارية، التوصيلية الكهربائية، انتشار الصوت، الانتقال البصري والامتصاص البصري. بالاضافة الى ذلك فان تاثير انخفاض الضغط على الخواص الفيزياوية للغازات كما ان تاثير الفراغ موجود على المواد الصلبة والسائلة ايضا". سوائل مثل الماء يمكن ان تصل
الى درجة الغليان في حاوية فراغ مفرغة بدون الحاجة الى استخدام الحرارة. يحصل هذا التاثير حالما يزيد الضغط البخاري للماء على ضغط
محيط الفراغ. وبشكل مشابه فان ذرات المواد الصلبة تحت الفراغ يمكن ان تغادر بشكل تلقائي سطح المادة الصلبة. ان معدل تبخر المادة تحت الفراغ هي دالة للضغط في النظام وللضغط البخاري للمادة.
قوانين الغازات :(Gas laws)
ان الغازات تتكون من ذرات او جزيئات تتحرك بشكل عشوائي ومستقل وتتسع بشكل تلقائي لتملئ الحاوية التي تحويها. ان سلوك هذه الذرات او الجزيئات في حجم الحاوية يمكن ان يوصف عندما تعرف في ثلاثة من الكميات التالية
1- الضغط :(Pressure) القدرة المؤثرة على وحدة المساحة للغاز الوحدات الشائعة هي
Torr ) atm, )
2- الحجم:(Volume) (السعة الداخلية للحاوية (الوحدات المستخدمة هي liter
3- درجة الحرارة:(Temperature)
درجة حرارة الغاز هي دالة لطاقتها الحركية والتي فيها تتذبذب ذرات الغاز بشكل قوي. ان درجة
وهي بوحدات )الكلفن.(K الحرارة يجب ان تحدد بمصطلح درجة الحرارة المطلقة(Absolute temperature)
4- الكمية :(amount)عدد ذرات الغاز في حجم (توصف بمصطلح الذرات او المولات ، اذ ان مول واحد من المادة يحوي 6.02 ×1023 جزيئة.


قانون بويل:(Boyle s law)
قانون بويل: تحت ظروف ثبوت درجة الحرارة فان قانون بويل يعطي العلاقة بين الحجم والضغط لكمية ثابته من الغاز.
×V_1=P_2×V_(2 ) P_1
. لغرض توضيح قانون بويل نجري التجربة التالية. تصور ان هناك نظام يتكون من حاويتان لاتنضح وكما هو مبين في الشكل 3.1

الشكل 3.1
نفرض ان درجة الحرارة ثابته في كل مكان في النظام واننا نستطيع قراءة الضغط بشكل دقيق في الحاويتان. نستطيع تطبيق قانون بويل لحساب حجم الحاوية 1 او 2

مثال: اذا كان حجم حاوية 1 هو120 liter وان ضغط الغاز فيها حوالي760 Torr وانه تم تفريغ حاوية 2 الى 10 mTorr. اذا تم فتح الصمام بين الحاويتين والسماح للغاز بالمرور لفترة من الزمن ليصل النظام الى حالة التوازن ، نستطيع بعدها قراءة الضغط في كل من TC 2 و TC 1 ليعطي 500 Torr. فما هو حجم الحاوية. 2
P1= 760 Torr
V1= 120 liter
×V_1=P_2×V_(2 ) P_1
(760 Torr) × (120 liter) = (500 Torr) × (V2 + 120 liter)
V2 = 62 liter


قانون جارلس :(Charle s law)
قانون جارلس: تحت ظروف ثبوت الحجم وثبوت كمية الغاز فان قانون جارلس يصف العلاقة بين درجة الحرارة وضغط الغاز.

حسب قانون جارلس اذا تم رفع درجة الحرارة في حاوية مغلقة غير قابلة للنضوح تحوي غاز بضغط اولي P1 فان الضغط سيرتفع الى P2 (انظر الشكل (1)





قانون الغاز المثالي :(The ideal gas law)
قانون الغاز المثالي: يعطي هذا القانون العلاقة بين الضغط، الحجم ، كمية الغاز ودرجة حرارة الغاز للغازات المثالية.
لحسن الحظ فان اغلب الغازات تسلك سلوك مثالي تحت ظروف الفراغ.
PV=nRT
حيث ان :
=P الضغط (atm)
=V الحجم(liter)
=n عدد مولات الغاز(mole)
= =R ثابت قانون الغاز المثالي ((0.08206 liter atm/K mole
=T درجة الحرارة المطلقة بوحدات الكلفن(K)
انظر الجدول(3) ادناه لتوضيح بعض الرموز والوحدات المستخدمة في تقنيات الفراغ
الجدول (3) يبين الرموز، الوحدات والكميات المستخدمة في تكنولوجيا الفراغ.