Vakuum er et rum, hvor der ikke er noget. I anvendt fysik og teknologi betyder det et medium, hvori en gas er indeholdt ved et tryk, der er mindre end atmosfærisk tryk. Hvad var forædlede gasser, da de først blev opdaget?
Historiesider
Ideen om tomhed har været et stridspunkt i århundreder. Sjældne gasser forsøgte at analysere de gamle græske og romerske filosoffer. Democritus, Lucretius, deres elever troede: hvis der ikke var fri plads mellem atomerne, ville deres bevægelse være umulig.
Aristoteles og hans tilhængere tilbageviste dette koncept, efter deres mening burde der ikke være nogen "tomhed" i naturen. I middelalderen i Europa blev ideen om "frygt for tomrummet" en prioritet, den blev brugt til religiøse formål.
Mekanikken i det antikke Grækenland, da de skabte tekniske anordninger, var baseret på luftforurening. For eksempel dukkede vandpumper op, der fungerede, da der blev skabt et vakuum over stemplet på Aristoteles' tid.
Den sarte tilstand af gas, luft, er blevet grundlaget for fremstilling af stempelvakuumpumper, som i øjeblikket er meget udbredt inden for teknologi.
Deres prototype var den berømte stempelsprøjte fra Heron of Alexandria, skabt af hamat trække pus ud.
I midten af det syttende århundrede blev det første vakuumkammer udviklet, og seks år senere lykkedes det den tyske videnskabsmand Otto von Guerick at opfinde den første vakuumpumpe.
Denne stempelcylinder pumpede let luft ud af en forseglet beholder og skabte et vakuum der. Dette gjorde det muligt at studere de vigtigste karakteristika ved den nye stat, at analysere dens operationelle egenskaber.
Teknisk støvsuger
I praksis kaldes den forsædlede tilstand af gas, luft teknisk vakuum. I store volumener er det umuligt at opnå en sådan ideel tilstand, da materialerne ved en bestemt temperatur har en mættet damptæthed, der ikke er nul.
Årsagen til, at det er umuligt at opnå et ideelt vakuum, er også transmissionen af gasformige stoffer gennem glas, metalvægge i kar.
I små mængder er det meget muligt at opnå fordærvede gasser. Som et mål for sjældenhed anvendes den frie vej for gasmolekyler, der tilfældigt kolliderer, samt den lineære størrelse af det anvendte kar.
Teknisk vakuum kan betragtes som en gas i en rørledning eller et fartøj med en trykværdi, der er mindre end i atmosfæren. Et lavt vakuum opstår, når atomerne eller molekylerne i en gas holder op med at kollidere med hinanden.
Et forvakuum placeres mellem højvakuumpumpen og atmosfærisk luft, hvilket skaber et foreløbigt vakuum. I tilfælde af et efterfølgende fald i trykkammeret observeres en stigning i vejlængden af gasformige partikler.stoffer.
Når trykket er fra 10 -9 Pa, skabes et ultrahøjt vakuum. Det er disse fordærvede gasser, der bruges til at udføre eksperimenter ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop.
Det er muligt at opnå en sådan tilstand i porerne i nogle krystaller selv ved atmosfærisk tryk, da diameteren af porerne er meget mindre end den frie vej for en fri partikel.
Vakuumbaserede apparater
Gassens sjældne tilstand bruges aktivt i enheder kaldet vakuumpumper. Getters bruges til at suge gasser og opnå en vis grad af vakuum. Vakuumteknologi omfatter også adskillige enheder, der er nødvendige for at kontrollere og måle denne tilstand, såvel som for at kontrollere objekter, for at udføre forskellige teknologiske processer. De mest komplekse tekniske enheder, der bruger fordærvede gasser, er højvakuumpumper. For eksempel fungerer diffusionsanordninger på basis af bevægelsen af resterende gasmolekyler under påvirkning af en arbejdsgasstrøm. Selv i tilfælde af et ideelt vakuum er der kun lidt termisk stråling, når den endelige temperatur er nået. Dette forklarer hovedegenskaberne ved fordrænede gasser, for eksempel indtræden af termisk ligevægt efter et vist tidsinterval mellem kroppen og vakuumkammerets vægge.
Sjælden monoatomisk gas er en fremragende termisk isolator. I den udføres overførslen af termisk energi kun ved hjælp af stråling, termisk ledningsevne og konvektion er ikkebliver observeret. Denne egenskab bruges i Dewar-beholdere (termoser), der består af to beholdere, mellem hvilke der er et vakuum.
Vacuum har fundet bred anvendelse i radiorør, for eksempel magnetroner i kinescopes, mikrobølgeovne.
Fysisk vakuum
I kvantefysik betyder en sådan tilstand kvantefeltets (laveste) energitilstand, som er karakteriseret ved nulværdier af kvantetal.
I denne tilstand er en monoatomisk gas ikke helt tom. Ifølge kvanteteorien opstår og forsvinder virtuelle partikler systematisk i det fysiske vakuum, som forårsager nul-oscillationer af felter.
Teoretisk set kan flere forskellige støvsugere eksistere samtidigt, som er forskellige i energitæthed såvel som andre fysiske egenskaber. Denne idé blev grundlaget for inflationær big bang-teori.
Falsk vakuum
Det betyder feltets tilstand i kvanteteori, som ikke er en tilstand med et minimum af energi. Det er stabilt over en vis periode. Der er mulighed for at "tunnele" en falsk tilstand ind i et sandt vakuum, når de påkrævede værdier for de fysiske hovedstørrelser er nået.
Ydre rum
Når vi diskuterer, hvad en fordærvet gas betyder, er det nødvendigt at dvæle ved begrebet "kosmisk vakuum". Det kan betragtes som tæt på det fysiske vakuum, men eksisterer i det interstellareplads. Planeterne, deres naturlige satellitter, mange stjerner har visse tiltrækkende kræfter, der holder atmosfæren på en vis afstand. Når du bevæger dig væk fra overfladen af et stjerneobjekt, ændres tætheden af forkælet gas.
For eksempel er der Karman-linjen, som betragtes som en fælles definition med det ydre rum af planetens grænse. Bagved falder værdien af det isotropiske gastryk kraftigt i sammenligning med solstråling og solvindens dynamiske tryk, så det er svært at fortolke trykket af en forældet gas.
Ydre rum er fyldt med fotoner, relikvietrinoer, der er svære at opdage.
Målefunktioner
Graden af vakuum bestemmes norm alt af mængden af stof, der forbliver i systemet. Hovedkarakteristikken ved målingen af denne tilstand er det absolutte tryk, derudover tages der hensyn til gassens kemiske sammensætning og dens temperatur.
En vigtig parameter for vakuum er den gennemsnitlige værdi af vejlængden for de gasser, der er tilbage i systemet. Der er en opdeling af vakuum i bestemte områder i overensstemmelse med den teknologi, der er nødvendig for målinger: falsk, teknisk, fysisk.
Vakuumformning
Dette er fremstilling af produkter af moderne termoplastiske materialer i varm form ved brug af lavt lufttryk eller vakuum.
Vakuumformning betragtes som en tegnemetode, som et resultat af, at pladeplast opvarmes,placeret over matrixen, op til en vis temperaturværdi. Dernæst gentager arket formen af matrixen, dette skyldes skabelsen af et vakuum mellem det og plastikken.
Elektrovakuum-enheder
De er enheder, der er designet til at skabe, forstærke og konvertere elektromagnetisk energi. I en sådan enhed fjernes luft fra arbejdsrummet, og en uigennemtrængelig skal bruges til at beskytte mod miljøet. Eksempler på sådanne enheder er elektroniske vakuumenheder, hvor elektronerne passer ind i et vakuum. Glødelamper kan også betragtes som vakuumenheder.
Gasser ved lavtryk
En gas kaldes forældet, hvis dens massefylde er ubetydelig, og længden af den molekylære vej er sammenlignelig med størrelsen af det kar, hvori gassen er placeret. I en sådan tilstand observeres et fald i antallet af elektroner i forhold til gassens tæthed.
Hvis der er tale om en meget forkælet gas, er der praktisk t alt ingen intern friktion. I stedet opstår ydre friktion af den bevægende gas mod væggene, hvilket forklares ved ændringen i molekylernes momentum, når de kolliderer med karret. I en sådan situation er der en direkte proportionalitet mellem partiklernes hastighed og gassens densitet.
I tilfælde af lavt vakuum observeres hyppige kollisioner mellem gaspartikler i fuld volumen, som er ledsaget af en stabil udveksling af termisk energi. Dette forklarer overførselsfænomenet (diffusion, termisk ledningsevne), som bruges aktivt i moderne teknologi.
Opnåelse af fordærvede gasser
Den videnskabelige undersøgelse og udvikling af vakuumanordninger begyndte i midten af det syttende århundrede. I 1643 formåede italieneren Torricelli at bestemme værdien af atmosfærisk tryk, og efter opfindelsen af en mekanisk stempelpumpe med en speciel vandtætning af O. Guericke, dukkede en reel mulighed op for at udføre talrige undersøgelser af egenskaberne ved en fordærvet gas. Samtidig blev mulighederne for vakuums påvirkning på levende væsener undersøgt. Eksperimenter udført i et vakuum med en elektrisk udladning bidrog til opdagelsen af en negativ elektron, røntgenstråling.
Takket være vakuumets varmeisolerende evne blev det muligt at forklare metoderne til varmeoverførsel, at bruge teoretisk information til udviklingen af moderne kryogen teknologi.
Brug af en støvsuger
I 1873 blev den første elektrovakuumanordning opfundet. De blev til en glødelampe, skabt af den russiske fysiker Lodygin. Siden dengang er den praktiske brug af vakuumteknologi udvidet, nye metoder til at opnå og studere denne tilstand er dukket op.
Forskellige typer vakuumpumper er blevet skabt på kort tid:
- rotations;
- kryosorption;
- molekylær;
- diffusion.
I begyndelsen af det tyvende århundrede lykkedes det akademiker Lebedev at forbedre det videnskabelige grundlag for vakuumindustrien. Indtil midten af forrige århundrede tillod videnskabsmænd ikke muligheden for at opnå et tryk på mindre end 10-6 Pa.
BI øjeblikket er vakuumsystemer bygget helt i metal for at undgå lækage. Vakuum kryogene pumper bruges ikke kun i forskningslaboratorier, men også i forskellige industrier.
For eksempel, efter udviklingen af særlige evakueringsmidler, der ikke forurener den brugte genstand, er der opstået nye muligheder for brug af vakuumteknologi. I kemi bruges sådanne systemer aktivt til kvalitativ og kvantitativ analyse af rene stoffers egenskaber, adskillelse af en blanding i komponenter og analyse af hastigheden af forskellige processer.
