1.2.1 压力的定义
压力的定义是垂直且均匀分布作用于表面上的力与表面面积之比。
\[p = \frac FA\]
| $p$ | 压力 | [Pa] |
| $F$ | 受力 | [N]; 1 N = 1 kg m s-2 |
| $A$ | 面积 | [m2] |
公式 1-3: 压力定义
在封闭的容器中，气体颗粒进行着持续的热运动。在其与容 器壁的相互作用中，原子和分子经受大量的的碰撞。每次碰 撞都会给容器壁施加作用力。如果封闭气体不受外界影响， 无论在容器内什么地方什么方向进行测量，无数碰撞所产生 的压力都是相同的。
图 1.2: 总压力的定义
实际上，只有一种气体的情况非常少见。不同气体组成的混 合物更为常见。这些气体的每个单一成分都会产生对应的压 力，该压力可进行单独测量，而与其他成分无关。由单一成 分气体所产生的压力被称为分压力。在理想气体中，各种成 分的分压力加起来等于总压力，且互不干扰。所有分压力之 和等于混合气体的总压力。
图 1.3: 分压的定义
我们的环境空气就是一个气体混合物的例子: 其分压力组成
如表
Table 1.1 [3] 所示。
| 气体类型 | 化学分子式 | 体积 % | 分压 [hPa] |
|---|---|---|---|
| 氮 | N2 | 78.09 | 780.9 |
| 氧 | O2 | 20.95 | 209.5 |
| 水蒸气 | H2O | < 2.3 | < 23.3 |
| 氩 | Ar | 9.3·10-1 | 9.3 |
| 二氧化碳 | CO2 | 3.0·10-2 | 3.0·10-1 |
| 氖 | Ne | 1.8·10-3 | 1.8·10-2 |
| 氢 | H2 | < 1·10-3 | < 1·10-2 |
| 氦 | He | 5.0·10-4 | 5.0·10-3 |
| 甲烷 | CH4 | 2.0·10-4 | 2.0·10-3 |
| 氪 | Kr | 1.1·10-4 | 1.1·10-3 |
| 一氧化碳 | CO | < 1.6·10-5 | < 1.6·10-4 |
| 氙 | Xe | 9.0·10-6 | 9.0 . 10-5 |
| 一氧化二氮 | N2O | 5.0·10-6 | 5.0·10-5 |
| 氨 | NH3 | 2.6·10-6 | 2.6·10-5 |
| 臭氧 | O3 | 2.0·10-6 | 2.0·10-5 |
| 过氧化氢 | H2O2 | 4.0·10-8 | 4.0·10-7 |
| 碘 | I2 | 3.5·10-9 | 3.5·10-8 |
| 氡 | Rn | 7.0·10-18 | 7.0·10-17 |
图 1.1: 大气的组成。所示分压是指 在大气压下的压力即1,000 hPa。 注意:水蒸气所表示的值是在 293 K (20°C) 时的饱和状态。 二氧化碳和一氧 化碳值的波动取决于时间和地点。 所示的一氧化碳是大城市的峰值。 其他来源 是指自然的氢浓度为 5 · 10-5% 且分压为 5 · 10-4 hPa。
| 压力范围 | 压力 hPa | 压力 Pa | 数密度/cm3 | 平均自由程 [m] |
|---|---|---|---|---|
| 气压 | 1,013.25 | 101,325 | 2.7·1019 | 6.8·10-8 |
| 低真空 (LV) | 300…1 | 30,000…100 | 1019…1016 | 10-8…10-4 |
| 中真空 (MV) | 1…10-3 | 100…10-1 | 1016 …1013 | 10-4…10-1 |
| 高真空 (HV) | 10-3…10-8 | 10-1…10-6 | 1013…108 | 10-1…104 |
| 超高真空 (UHV) | 10-8…10-11 | 10-6…10-9 | 108…105 | 104…107 |
| 极高真空 (XHV) | <10-11 | <10-9 | <105 | >107 |
图 1.2: 真空技术中的压力范围
| Pa | bar | hPa | µbar | torr | micron | atm | at | mm WC | psi | psf | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pa | 1 | 1·10-5 | 1·10-2 | 10 | 7.5·10-3 | 7.5 | 9.87·10-6 | 1.02·10-5 | 0.102 | 1.45·10-4 | 2.09·10-2 |
| bar | 1·105 | 1 | 1·103 | 1·106 | 750 | 7.5·105 | 0.987 | 1.02 | 1.02·104 | 14.5 | 2.09·103 |
| hPa | 100 | 1·10-3 | 1 | 1,000 | 0.75 | 750 | 9.87·10-4 | 1.02·10-3 | 10.2 | 1.45·10-2 | 2.09 |
| µbar | 0.1 | 1·10-6 | 1·10-3 | 1 | 7.5·10-4 | 0.75 | 9.87·10-7 | 1.02·10-6 | 1.02·10-2 | 1.45·10-5 | 2.09·10-3 |
| torr | 1.33·102 | 1.33·10-3 | 1.33 | 1,330 | 1 | 1,000 | 1.32·10-3 | 1.36·10-3 | 13.6 | 1.93·10-2 | 2.78 |
| micron | 0.133 | 1.33·10-6 | 1.33·10-3 | 1.33 | 1·10-3 | 1 | 1.32·10-6 | 1.36·10-6 | 1.36·10-2 | 1.93·10-5 | 2.78·10-3 |
| atm | 1.01·105 | 1.013 | 1,013 | 1.01·106 | 760 | 7.6·105 | 1 | 1.03 | 1.03·104 | 14.7 | 2.12·103 |
| at | 9.81·104 | 0.981 | 981 | 9.81·105 | 735.6 | 7.36·105 | 0.968 | 1 | 1·10-4 | 14.2 | 2.04·103 |
| mm WC | 9.81 | 9.81·10-5 | 9.81·10-2 | 98.1 | 7.36·10-2 | 73.6 | 9.68·10-5 | 1·10-4 | 1 | 1.42·10-3 | 0.204 |
| psi | 6.89·103 | 6.89·10-2 | 68.9 | 6.89·104 | 51.71 | 5.17·104 | 6.8·10-2 | 7.02·10-2 | 702 | 1 | 144 |
| psf | 47.8 | 4.78·10-4 | 0.478 | 478 | 0.359 | 359 | 4.72·10-4 | 4.87·10-4 | 4.87 | 6.94·10-3 | 1 |
图 1.3: 压力单位换算表
在宇宙空间中，取决于靠近星系的程度，10-18 hPa 以下的压 力占主导地位。在地球上，已经报道技术上产生的压力低于 10-16 hPa。低至 10-16 hPa 的气压范围涵盖 19个数量级。 根 据不同真空获得设备和测量设备所能达到的真空度， 我们又 把真空范围根据真空度进行了分类，如表1.2 所示。
计量压力的单位是帕斯卡。该单位是以法国数学家、物理学 家、 作家兼哲学家布莱兹·帕斯卡（1623 – 1662 年）的名字 命名。根据公式 1-3，SI 单位帕斯卡是由 Pa = N m-2 组成。 单位 mbar、torr 以及表 1.3 中所示的单位是实际使用中常见 的。
