Vacuum är ett utrymme där det inte finns någon materia. Inom tillämpad fysik och teknik betyder det ett medium i vilket en gas finns vid ett tryck som är lägre än atmosfärstrycket. Vad var förädlade gaser när de först upptäcktes?
Historiksidor
Idén om tomhet har varit en stridspunkt i århundraden. Sällsynta gaser försökte analysera de antika grekiska och romerska filosoferna. Demokritos, Lucretius, deras elever trodde: om det inte fanns något fritt utrymme mellan atomerna skulle deras rörelse vara omöjlig.
Aristoteles och hans anhängare motbevisade detta koncept, enligt deras åsikt borde det inte finnas någon "tomhet" i naturen. Under medeltiden i Europa blev idén om "rädsla för tomrummet" en prioritet, den användes för religiösa ändamål.
Mekaniken i det antika Grekland, när man skapade tekniska anordningar, baserades på luftförsörjning. Till exempel, vattenpumpar som fungerade när ett vakuum skapades ovanför kolven dök upp på Aristoteles tid.
Det försålda tillståndet av gas, luft, har blivit grunden för tillverkningen av kolvvakuumpumpar, som för närvarande används mycket inom tekniken.
Deras prototyp var den berömda kolvsprutan från Heron of Alexandria, skapad av honomatt dra ut pus.
I mitten av 1600-talet utvecklades den första vakuumkammaren, och sex år senare lyckades den tyske vetenskapsmannen Otto von Guerick uppfinna den första vakuumpumpen.
Denna kolvcylinder pumpade lätt ut luft ur en förseglad behållare och skapade ett vakuum där. Detta gjorde det möjligt att studera de viktigaste egenskaperna hos den nya staten, att analysera dess operativa egenskaper.
Tekniskt vakuum
I praktiken kallas det försålda tillståndet av gas, luft tekniskt vakuum. I stora volymer är det omöjligt att få ett sådant idealiskt tillstånd, eftersom materialen vid en viss temperatur har en mättad ångdensitet som inte är noll.
Anledningen till omöjligheten att få ett idealiskt vakuum är också överföringen av gasformiga ämnen genom glas, metallväggar i kärl.
I små mängder är det fullt möjligt att få tag i förtärnade gaser. Som ett mått på sällsynthet används den fria vägen för gasmolekyler som slumpmässigt kolliderar, såväl som den linjära storleken på kärlet som används.
Tekniskt vakuum kan betraktas som en gas i en rörledning eller ett kärl med ett tryckvärde som är lägre än i atmosfären. Ett lågt vakuum uppstår när atomerna eller molekylerna i en gas slutar kollidera med varandra.
Ett förvakuum placeras mellan högvakuumpumpen och atmosfärisk luft, vilket skapar ett preliminärt vakuum. I fallet med en efterföljande minskning av tryckkammaren observeras en ökning av väglängden för gasformiga partiklar.substanser.
När trycket är från 10 -9 Pa skapas ett ultrahögt vakuum. Det är dessa försålda gaser som används för att utföra experiment med ett scanning tunnelmikroskop.
Det är möjligt att erhålla ett sådant tillstånd i porerna i vissa kristaller även vid atmosfärstryck, eftersom diametern på porerna är mycket mindre än den fria vägen för en fri partikel.
Vakuumbaserade apparater
Gasens försålda tillstånd används aktivt i enheter som kallas vakuumpumpar. Getters används för att suga upp gaser och få en viss grad av vakuum. Vakuumteknik inkluderar också många enheter som är nödvändiga för att kontrollera och mäta detta tillstånd, såväl som för att kontrollera objekt, för att utföra olika tekniska processer. De mest komplexa tekniska enheterna som använder förädlade gaser är högvakuumpumpar. Exempelvis fungerar diffusionsanordningar på basis av rörelsen av kvarvarande gasmolekyler under inverkan av ett arbetsgasflöde. Även i fallet med ett idealiskt vakuum finns det lite värmestrålning när sluttemperaturen uppnås. Detta förklarar huvudegenskaperna hos försålda gaser, till exempel inträdet av termisk jämvikt efter ett visst tidsintervall mellan kroppen och vakuumkammarens väggar.
Sällsynt monatomisk gas är en utmärkt värmeisolator. I den utförs överföringen av termisk energi endast med hjälp av strålning, värmeledningsförmåga och konvektion är inteobserveras. Denna egenskap används i Dewar-kärl (termoser), som består av två behållare, mellan vilka det finns ett vakuum.
Vacuum har funnit bred användning i radiorör, till exempel magnetroner i kineskop, mikrovågsugnar.
Fysiskt vakuum
I kvantfysiken betyder ett sådant tillstånd kvantfältets markenergitillstånd (lägsta) som kännetecknas av nollvärden av kvanttal.
I detta tillstånd är en monoatomisk gas inte helt tom. Enligt kvantteorin uppstår och försvinner virtuella partiklar systematiskt i det fysiska vakuumet, vilket orsakar nollsvängningar av fält.
Teoretiskt kan flera olika vakuum existera samtidigt, som skiljer sig i energitäthet, såväl som andra fysiska egenskaper. Den här idén blev grunden för den inflationära big bang-teorin.
Falskt vakuum
Det betyder fältets tillstånd i kvantteorin, vilket inte är ett tillstånd med minimal energi. Det är stabilt under en viss tidsperiod. Det finns en möjlighet att "tunnla" ett falskt tillstånd till ett verkligt vakuum när de erforderliga värdena för de huvudsakliga fysiska storheterna uppnås.
Yttre rymden
När man diskuterar vad en förtärnad gas betyder, är det nödvändigt att uppehålla sig vid begreppet "kosmiskt vakuum". Det kan anses vara nära det fysiska vakuumet, men existerar i interstellärenPlats. Planeterna, deras naturliga satelliter, många stjärnor har vissa attraktionskrafter som håller atmosfären på ett visst avstånd. När du rör dig bort från ytan på ett stjärnobjekt ändras tätheten av förtärnad gas.
Till exempel finns det Karman-linjen, som anses vara en vanlig definition med yttre rymden av planetens gräns. Bakom den minskar värdet på det isotropiska gastrycket kraftigt i jämförelse med solstrålning och solvindens dynamiska tryck, så det är svårt att tolka trycket hos en förtärnad gas.
Yttre rymden är full av fotoner, relikneutriner som är svåra att upptäcka.
Mätningsfunktioner
Graden av vakuum bestäms vanligtvis av mängden ämne som finns kvar i systemet. Det huvudsakliga kännetecknet för mätningen av detta tillstånd är det absoluta trycket, dessutom tas hänsyn till gasens kemiska sammansättning och dess temperatur.
En viktig parameter för vakuum är medelvärdet av väglängden för de gaser som finns kvar i systemet. Det finns en uppdelning av vakuum i vissa områden i enlighet med den teknik som är nödvändig för mätningar: falskt, tekniskt, fysiskt.
Vacuum forming
Detta är tillverkning av produkter av moderna termoplastiska material i varm form med lågt lufttryck eller vakuum.
Vakuumformning anses vara en dragningsmetod, som ett resultat av att plastplåt värms upp,placerad ovanför matrisen, upp till ett visst temperaturvärde. Därefter upprepar arket formen på matrisen, detta beror på att det skapas ett vakuum mellan det och plasten.
Elektrovakuumenheter
De är enheter som är designade för att skapa, förstärka och omvandla elektromagnetisk energi. I en sådan anordning avlägsnas luft från arbetsutrymmet och ett ogenomträngligt skal används för att skydda mot miljön. Exempel på sådana anordningar är elektroniska vakuumanordningar, där elektronerna får plats i ett vakuum. Glödlampor kan också betraktas som vakuumanordningar.
Gaser vid låga tryck
En gas kallas för sällsynt om dess densitet är försumbar och längden på molekylvägen är jämförbar med storleken på kärlet där gasen befinner sig. I ett sådant tillstånd observeras en minskning av antalet elektroner i proportion till gasens densitet.
I fallet med en mycket förtärnad gas finns det praktiskt taget ingen intern friktion. Istället uppstår extern friktion av den rörliga gasen mot väggarna, vilket förklaras av förändringen i molekylernas rörelsemängd när de kolliderar med kärlet. I en sådan situation finns det en direkt proportionalitet mellan partiklarnas hastighet och gasens densitet.
I fallet med lågt vakuum observeras frekventa kollisioner mellan gaspartiklar i full volym, vilka åtföljs av ett stabilt utbyte av termisk energi. Detta förklarar överföringsfenomenet (diffusion, värmeledningsförmåga), som används aktivt i modern teknik.
Erhålla förädlade gaser
Den vetenskapliga studien och utvecklingen av vakuumanordningar började i mitten av 1600-talet. År 1643 lyckades italienaren Torricelli bestämma värdet på atmosfärstrycket, och efter uppfinningen av en mekanisk kolvpump med en speciell vattentätning av O. Guericke, dök en verklig möjlighet upp för att genomföra många studier av egenskaperna hos en förtärnad gas. Samtidigt studerades möjligheterna för vakuumets inverkan på levande varelser. Experiment utförda i vakuum med elektrisk urladdning bidrog till upptäckten av en negativ elektron, röntgenstrålning.
Tack vare vakuumets värmeisolerande förmåga blev det möjligt att förklara metoderna för värmeöverföring, att använda teoretisk information för utvecklingen av modern kryogen teknologi.
Using a vakuum
År 1873 uppfanns den första elektrovakuumanordningen. De blev en glödlampa, skapad av den ryske fysikern Lodygin. Sedan dess har den praktiska användningen av vakuumteknik utökats, nya metoder för att erhålla och studera detta tillstånd har dykt upp.
Olika typer av vakuumpumpar har skapats på kort tid:
- roterande;
- kryosorption;
- molecular;
- diffusion.
I början av 1900-talet lyckades akademikern Lebedev förbättra de vetenskapliga grunderna för vakuumindustrin. Fram till mitten av förra seklet tillät forskare inte möjligheten att erhålla ett tryck på mindre än 10-6 Pa.
BFör närvarande är vakuumsystem byggda helt i metall för att undvika läckage. Vakuumkryogena pumpar används inte bara i forskningslaboratorier utan även i olika industrier.
Till exempel, efter utvecklingen av särskilda evakueringsmedel som inte förorenar det använda föremålet, har nya möjligheter till användning av vakuumteknik dykt upp. Inom kemin används sådana system aktivt för kvalitativ och kvantitativ analys av egenskaperna hos rena ämnen, separering av en blandning i komponenter och analys av hastigheten för olika processer.
