真空度单位

真空度单位
真空度单位

真空度单位
真空是指低于1标准大气压的气态空间,建立这样一个气态环境,并在该环境中工艺制作、测量分析和科学试验等工作所需的理论及技术称之谓“真空科学与技术”.为保证真空科学与技术的发展和交流.准确、合理地选择和使用有关的计量单位,并实现国际间单位制的统一,是一个十分重要的方面.
用来标志量或数的大小的指标统称为单位,而标志可测量大小的单位称为计量单位.计量单位是一个有明确定义和名称,并有一个命其数值为1的固定量.由于真空技术这门学科发展的历史因素,表示“真空度”这样一个特征量的计量单位就经历了多种变化．单位名称可称得上五花八门,单位之间的换算繁琐不堪,有意或无意地变成了阻碍真空技术发展和交流的人为因素.为此,在当代科学技术的条件下,需要对“真空度”的计量单位给以一个科学、合理的定义,并通过国家法令形式予以肯定被提上了议事日程.
人所共知,真空的发现始于1643年,当意大利的物理学家托里拆里( E．Torricelli 1608～1647)将一端密封的长玻璃管注满了汞并倒置于盛有汞的槽里时,发现了汞柱顶端的空间即是真空.这也同时首先使人们知道我们人类竟居住在一个充满大气压力的环境空间之中!而大气的压力正等于高度为760毫米汞柱的重量.因此,人们最初就选用毫米汞柱(mmHg)这一奇特的“长度”单位来表示真空的程度,并一直沿袭使用下去,至今我们仍可在许多老式的真空仪表上看到它的存在.
随着科学技术的不断进步,人类对客观世界认识的不断深化,人们认识到所谓“真空度”实质上与气体压力是同一物理概念.真空度越高,即气体压力越小；反之真空度越低,即气体压力越大.真空度的上限就是一个标准大气压,即760毫米汞柱.l标准大气压又称物理大气压,指的是地球大气层的大气在海平面上的压力.其定义为在标准重力加速度 g=980.665厘米/秒2,温度T=273 K,760毫米高的汞所施加的压力.若把 273K下汞密度定义为13.59509克/厘米3,则该数值相当于101325牛顿/米2.根据计量单位的定义,需要有一个命名其数值为1的固定量的要求,以毫米汞柱为计量单位便可得到下面关系式：
l毫米汞柱= l/760标准大气压=133.322牛顿/米2
然而,人们看到以毫米汞柱(mmHg)作为真空度的计量单位是不尽科学合理的.首先它类似于长度的计量单位,没有体现压力这个物理量的概念,其次它依赖于汞密度的测量水平,并不是一个绝对单位,也不便于口述和书写.因此在 1958年第四届国际真空会议上决定采用“托”(Torr)来作为真空度的单位,以替代“毫米汞柱”,并以此来纪念著名的意大利物理学家,真空的发现者托里拆里.这样：
l托= l/760标准大气压= 133.322牛顿/米2,
这是一个绝对单位,其不随汞密度、温度和重力加速度而变化,又与长度单位明显区别开来.由上可见,“托”、“毫米汞柱”的差异主要是定义上的,而在数值上仅有约七百万分之一的微小差别,实际使用时完全可以忽略.
气体分子动力学理论的发展揭示了真空的本质.真空度实质上是气体分子对容纳其存在的容器壁上单位面积的总冲量（或动量变化）值的量度.因此,“真空度”、“气体压力”源于同一物理概念.对此,人们有充分理由提出为什么非要把真空度的计量单位从压力计量单位中独立出来,另立体系呢?为了消除多种单位并用的现象,便于人们在科研和生产活动中避免繁琐的单位制之间的换算及其带来的换算误差,有必要一致采用人们所公认的,并能清晰表达其物理概念的计量单位.作为制定国际单位制(SI)的权威机构是国际计量大会(CGPM),根据科学技术发展的需要,在1971年第十四届国际计量大会上针对压力计量单位规定了专门名称“帕”(Pa),并作为国际单位制的一个导出单位.帕斯卡(B·Pascal 1623～1662)是著名的法国数学家和物理学家.他利用汞气压计发现了汞柱随高度而变化,并创立了水压机的理论基础——帕斯卡定律而闻名于世.为了纪念这位杰出的科学家,压力、机械应力、声压、表面压力、真空度等量的SI单位就以他的名字来命名.
1984年2月27日我国国务院发布了《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》,明确规定了以国际单位制单位为基础的我国法定计量单位.其中关于压力、压强、应力包括真空度等物理量的计量单位规定采用国际单位制中具有专门名称的导出单位“帕斯卡”,单位符号为“ Pa”,定义1Pa等于垂直于面积为1m2的表面上均匀作用1N的压力,即：
l帕(Pa)= l牛顿/米2(N/m2)
这样,在真空技术中以往常用的如“托”/“毫米汞柱”/“毫巴”等真空度计量单位均应予以淘汰,表1列出了应予淘汰的计量单位和符号,以及它们与法定计量单位之间的换算关系.
表1 应予淘汰的压力计量单位和符号
应淘汰的压力单位的名称 单位符号 用法定计量单位表示的形式值
毫巴 mb 100 Pa
托 torr 133.322 Pa
标准大气压 atm 101325 Pa
工程大气压 at 98.0665 Pa
达因每平方厘米 dyn / cm2 0.1 Pa
毫米水柱 mm H2O 9.80665 Pa
毫米汞柱 mm Hg 133.322 Pa
磅力每平方英寸 PSI, P.S.I 6894.7 Pa
千克力每平方米 kgf/m2 9.80665 Pa
除此之外,应该还须指出在真空技术中另一个常用的表示气体流量或密封器件漏率的计量单位也必须作相应的更动.所谓气体流量指的是泵抽速率和入口压力的乘积,而漏率是单位时间内进入(或逸出)真空系统的气体量,它们的计量单位具有同一量纲.以往它的计量单位也相当混乱,常见的有托·升/秒、(流西克lusec)、标准大气压·米3/秒等.按照法定计量单位制的单位来说,它应该是功率的单位,即瓦(W),为了明显起见,仍可通用帕·升/秒的单位.