​氮气的相对分子质量（科普关于氮气的化学知识）

氮气的相对分子质量（科普关于氮气的化学知识）

真空技术中几个重要的概念

一个大气压下，空气的分子密度n=2.7×1019个/cm3。

空气是混合气体，其相对分子质量由构成的气体分子按比例计算。氮气的相对分子质量28.016，体积比78.1%;氧气的相对分子质量32，体积比20.93%;氩气的相对分子质量39.944，体积比0.933%。

相对分子质量的平均值=(28.016×78.1+32×20.93+39.944×0.933)/(78.1+20.93+0.933)=28.96

由气体分子运动论，压强的计算式为

p=nkT

采用国际标准单位时(压强Pa，体积 m3)，玻尔兹曼常数k为1.38×10-23 J/K。

气体分子的密度为

n=p/(kT) (1-4)

压强为1Pa，温度为27℃时，气体分子的密度n为

n=1/(1.38×10-23×(273+27))=2.4×1020个/m3

因此，即使真空度达到10-9 Pa的极高真空状态，每立方米的空间内仍有1011个气体分子存在。

1、气体分子的平均自由程

气体是由大量的分子构成的，0℃一个大气压的情况下，22.4L的空间里有1摩尔(6.02×1023个)分子。这些分子在室温下以500～1500m/s的速度运动和其他分子碰撞后，改变运动方向和速度，之后再和另外的分子碰撞。两次碰撞之间的飞行距离，称之为平均自由程。

平均自由程λ[m]、压强p[Pa]、温度T[K]以及分子的直径D[m]之间的关系为

λ=3.11×10-24T/pD2(1-5)

因此，气体分子的平均自由程与压强成反比例、与温度成正比例、与分子直径的2次方成反比例关系。

温度为25℃的空气，压强和分子平均自由程的实际数据，1Pa为7mm、10-1Pa为7cm、10-2Pa为70cm、10-3Pa为7m、10-4Pa为70m。记住这些数字，对真空度的感觉能更直观一些。

2、真空中的热传导

空间中两个位置如果存在温度差，则会发生热传导。气体分子为黏性流的情况，压强变化后，传递热量的分子密度和分子的平均自由程也发生变化。由于分子的平均自由程和分子密度对热传导的影响起着相反的作用，因此，对黏性流来讲，气体对热传导的贡献和压强的关系可忽略不计。

气体分子为分子流的情况，如果气体分子的平均自由程比真空两侧间距还长，获得热能的气体分子将直接穿过真空而运动到另一侧。因此，通过气体分子传递的热量和气体的分子密度有关。气体的分子密度和压强成正比例，所以气体分子传递的热量和压强成正比例。但是，处于分子流的分子密度非常低，实际的热传导也可忽略。

对真空环境来说，分子流状态的热传导主要是辐射。在真空容器中进行薄膜生长时，为了提高薄膜质量，通常要对衬底进行加热，加热主要就是利用热辐射来实现。