Ciência e Tecnologia de Vácuo Aula 4

Fluxos a serem bombeados em um sistema de vácuo

Qg+ Qd + Qf

• Qg - fluxo devido aos gases livres na câmara• Qd - fluxo devido à degaseificação dos materiais• Qf - fluxo devido à vazamentos no sistema de vácuo

Fluxos existentes num sistema de vácuo

Fluxos existentes num sistema de vácuo

Degaseificação = desprendimento de moléculas das paredes internas de uma câmara de vácuo.

As moléculas que contribuem para pressão de um sistema são aquelas que estiverem livres.

Degaseificação em sistemas de vácuo

Sorção

• Em teoria cinética é assumido que as interações entre as moléculas do gás e as paredes do recipiente são colisões elásticas.

• Outros tipos de interação ocorrem, e possuem profundo efeito no grau de vácuo obtido.

• As moléculas do gás podem ser retidas pelas paredes do recipiente e esses fenômenos são classificados como: Adsorção e Absorção

Adsorção e Dessorção

Dentro de uma câmara existem moléculas que estão livres no espaço e outras que se encontram presas na superfície dos materiais. As moléculas livres são facilmente bombeadas por bombas de vácuo, mas as adsorvidas na superfície levam algum tempo para desorverem da superfície.

Adsorção

física - a interação se dá entre dipolos moleculares, foças de Van der Walls (ligação fraca - iônica)

química - existe a troca de elétrons entre as moléculas e a superfície (ligação forte - covalente)

Tipos de adsorção

•Uma superfície sólida exibe forças de atração para as moléculas do gás, e quando essas colidem com a superfície são adsorvidas.

•Quando a pressão de um sistema for muito baixa (alto vácuo) as moléculas adsorvidas nas paredes do recipiente são mais numerosas do que aquelas no volume.

•Analogamente, moléculas de gás podem ser removidas do volume utilizando-se do fenômeno de adsorção, por exemplo, resfriando-se as paredes da câmara.

•O fenômeno de adsorção pode ser representado, esquematicamente, pelo diagrama energia potencial vs. distância de uma molécula com relação às paredes do recipiente.

Adsorção

AdsorçãoE

nerg

ia (E

)

Distância da Superfície (r)

Ha=E

D

Molécula de gás presa à parede da câmara

AdsorçãoE

nerg

ia (E

)

Distância da Superfície (r)

Ha=E

D

•O tempo de dessorção de moléculas de uma superfície depende da natureza do gás e da superfície.

•Gases inertes desorvem muito rapidamente, enquanto moléculas polares levam mais tempo para dessorverem.

•Observamos que a energia cinética mínima para que a molécula escape do potencial de interação é ED, energia de dessorção.ED = Ha

Dessorção

• O tempo médio de permanência de uma molécula na superfície varia exponencialmente com a energia de desorção.

•Como exemplo, nitrogênio em ferro: (20oC)

ts = 107 séculos

DERT

st e-13 período de oscilação de um molécula ~10 s

Taxa de Dessorção

• A taxa de dessorção dN/dt é proporcional ao número de moléculas adssorvidas por unidade de área e inversamente proporcional ao tempo médio de permanência ts.

DEkT

s

dN N N edt t

Degaseificação por Dessorção

• Multiplicando ambos os lados da equação anterior por KT encontramos a “Taxa de degaseificação devido à dessorção”

2.

.

DEkT

DdP N Torr LV q kT e

cm sdt

Variação no tempo da pressão num sistema de vácuo

• Admite-se que a velocidade de bombeamento não varia de ponto a ponto no volume a se bombear, e que se mantém constante no intervalo de pressões considerado.

g d fQ Q Qp

S

• Caso 1: O sistema é bombeado a partir da pressão atmosférica. O fluxo Qg predomina sobre os outros dois• (Qg >> Qd + Qf )

• Devido à ação do bombeamento a pressão diminui à razão dp/dt:

;o o

p t

gp t

dp dp SQ V pS dtdt p V

gpS Q

Comportamento de sistemas de vácuo reais

• Manipulando esta última equação temos:

po-pressão inicial no instante t=0

• O tempo que uma bomba leva para passar da pressão inicial p0 para p é dado por:

0

StVp p e

0lnpVt

S p

• Caso 2: As contribuições de Qf e Qd são importantes com relação a Qg. Isto acontece passada a primeira fase de bombeamento (pré-vácuo).

• Se considerar-mos que Qd + Qf = Qo é aproximadamente constante, teremos, Q0=p0S:

d fdppS V Q Qdt

0dppS V Qdt

22 1

1

lnp p S t tp p V

• Caso 3: Sistema de vácuo isolado já em vácuo

• Nesta condição temos, S = 0 e Qg = 0, portanto a variação da pressão será devida apenas a Qd e Qf.

• se a degaseificação for muito importante depois de se isolar o sistema, Qo = Qd.

00 dpV Qdt

0i

Qp p t

V

0 dpV ft gdt

sendo que Qo = - ft + g, [f e g são constantes particulares de cada material, e, este equação foi obtida empiricamente.]

O monitoramento da variação da pressão com o tempo permitiria distinguir entre uma degaseificação importante (significativa), variação em t2, e um vazamento, variação em t.

2

2 if gp t t pV V