Вакуумът е пространство, в което няма материя. В приложната физика и технология това означава среда, в която се съдържа газ при налягане, по-ниско от атмосферното налягане. Какви са били разредените газове, когато са били открити за първи път?
Страници с история
Идеята за празнотата е била спорна точка от векове. Разредените газове се опитаха да анализират древните гръцки и римски философи. Демокрит, Лукреций, техните ученици вярвали: ако нямаше свободно пространство между атомите, тяхното движение би било невъзможно.
Аристотел и неговите последователи опровергаха тази концепция, според тях не трябва да има "празнота" в природата. През Средновековието в Европа идеята за "страх от празнотата" става приоритет, използвана е за религиозни цели.
Механиката на Древна Гърция, когато създава технически устройства, се основава на разреждането на въздуха. Например водни помпи, които функционираха, когато се създаде вакуум над буталото, се появиха по времето на Аристотел.
Разреденото състояние на газ, въздух, се превърна в основа за производството на бутални вакуумни помпи, които в момента се използват широко в технологиите.
Техният прототип беше известната бутална спринцовка на Херон от Александрия, създадена от негоза изтегляне на гной.
В средата на седемнадесети век е разработена първата вакуумна камера, а шест години по-късно немският учен Ото фон Герик успява да изобрети първата вакуумна помпа.
Този бутален цилиндър лесно изпомпва въздух от запечатан контейнер, създавайки там вакуум. Това даде възможност да се изследват основните характеристики на новата държава, да се анализират нейните експлоатационни свойства.
Tech vacuum
На практика разреденото състояние на газ, въздух се нарича технически вакуум. В големи обеми е невъзможно да се получи такова идеално състояние, тъй като при определена температура материалите имат ненулева плътност на наситените пари.
Причината за невъзможността за получаване на идеален вакуум е също предаването на газообразни вещества през стъкло, метални стени на съдове.
В малки количества е напълно възможно да се получат разредени газове. Като мярка за разреждане се използва свободният път на газовите молекули, които произволно се сблъскват, както и линейният размер на използвания съд.
Технически вакуум може да се счита за газ в тръбопровод или съд със стойност на налягане, по-ниска от тази в атмосферата. Нисък вакуум възниква, когато атомите или молекулите на газа престанат да се сблъскват един с друг.
Предвакуум се поставя между високовакуумната помпа и атмосферния въздух, което създава предварителен вакуум. В случай на последващо намаляване на камерата под налягане се наблюдава увеличаване на дължината на пътя на газообразните частици.вещества.
Когато налягането е от 10 -9 Pa, се създава свръхвисок вакуум. Именно тези разредени газове се използват за провеждане на експерименти с помощта на сканиращ тунелен микроскоп.
Възможно е да се получи такова състояние в порите на някои кристали дори при атмосферно налягане, тъй като диаметърът на порите е много по-малък от свободния път на свободна частица.
Уреди на базата на вакуум
Разреденото състояние на газа се използва активно в устройства, наречени вакуумни помпи. Геттерите се използват за засмукване на газове и получаване на определена степен на вакуум. Вакуумната технология включва и множество устройства, които са необходими за контрол и измерване на това състояние, както и за управление на обекти, за извършване на различни технологични процеси. Най-сложните технически устройства, които използват разредени газове, са високовакуумните помпи. Например, дифузионните устройства работят на базата на движението на молекулите на остатъчния газ под действието на работен газов поток. Дори в случай на идеален вакуум, има малко топлинно излъчване, когато се достигне крайната температура. Това обяснява основните свойства на разредените газове, например появата на топлинно равновесие след определен интервал от време между тялото и стените на вакуумната камера.
Разреденият едноатомен газ е отличен топлоизолатор. В него преносът на топлинна енергия се извършва само с помощта на радиация, топлопроводимостта и конвекцията не сасе наблюдават. Това свойство се използва в съдовете на Дюар (термози), състоящи се от два контейнера, между които има вакуум.
Вакуумът намери широко приложение в радиолампи, например магнетрони на кинескопи, микровълнови фурни.
Физически вакуум
В квантовата физика такова състояние означава основното (най-ниско) енергийно състояние на квантовото поле, което се характеризира с нулеви стойности на квантовите числа.
В това състояние едноатомният газ не е напълно празен. Според квантовата теория виртуалните частици систематично се появяват и изчезват във физическия вакуум, което причинява нулеви трептения на полетата.
Теоретично могат да съществуват няколко различни вакуума едновременно, които се различават по енергийна плътност, както и по други физически характеристики. Тази идея се превърна в основата на инфлационната теория за Големия взрив.
Фалшив вакуум
Означава състоянието на полето в квантовата теория, което не е състояние с минимална енергия. Той е стабилен за определен период от време. Има възможност за "тунелиране" на фалшиво състояние в истински вакуум, когато се достигнат необходимите стойности на основните физически величини.
Отвън космос
Когато обсъждаме какво означава разреден газ, е необходимо да се спрем на концепцията за "космически вакуум". Може да се счита за близък до физическия вакуум, но съществуващ в междузвезднияпространство. Планетите, техните естествени спътници, много звезди имат определени привличащи сили, които поддържат атмосферата на определено разстояние. Когато се отдалечавате от повърхността на звезден обект, плътността на разредения газ се променя.
Например, има линията на Карман, която се счита за общо определение с космическото пространство на границата на планетата. Зад него стойността на изотропното газово налягане намалява рязко в сравнение със слънчевата радиация и динамичното налягане на слънчевия вятър, така че е трудно да се интерпретира налягането на разреден газ.
Отвън космоса е пълно с фотони, реликтни неутрино, които са трудни за откриване.
Функции за измерване
Степента на вакуум обикновено се определя от количеството вещество, което остава в системата. Основната характеристика на измерването на това състояние е абсолютното налягане, освен това се вземат предвид химическият състав на газа и неговата температура.
Важен параметър за вакуума е средната стойност на дължината на пътя на газовете, оставащи в системата. Има разделяне на вакуума на определени диапазони в съответствие с технологията, която е необходима за измервания: фалшиви, технически, физически.
Вакуумно формиране
Това е производството на продукти от съвременни термопластични материали в гореща форма с помощта на ниско въздушно налягане или вакуумно действие.
Вакуумното формоване се счита за метод на изтегляне, в резултат на което листовата пластмаса се нагрява,разположени над матрицата, до определена температурна стойност. След това листът повтаря формата на матрицата, това се дължи на създаването на вакуум между него и пластмасата.
Електровакуумни устройства
Те са устройства, които са предназначени да създават, усилват и преобразуват електромагнитна енергия. В такова устройство въздухът се отстранява от работното пространство и се използва непропусклива обвивка за защита от околната среда. Примери за такива устройства са електронни вакуумни устройства, където електроните се побират във вакуум. Лампите с нажежаема жичка също могат да се считат за вакуумни устройства.
Газове при ниско налягане
Газът се нарича разреден, ако неговата плътност е незначителна, а дължината на молекулярния път е сравнима с размера на съда, в който се намира газът. В такова състояние се наблюдава намаляване на броя на електроните пропорционално на плътността на газа.
В случай на силно разреден газ практически няма вътрешно триене. Вместо това се появява външно триене на движещия се газ срещу стените, което се обяснява с промяната в импулса на молекулите, когато те се сблъскат със съда. В такава ситуация има пряка пропорционалност между скоростта на частиците и плътността на газа.
В случай на нисък вакуум се наблюдават чести сблъсъци между газови частици в пълен обем, които са придружени от стабилен обмен на топлинна енергия. Това обяснява феномена на трансфер (дифузия, топлопроводимост), който се използва активно в съвременните технологии.
Получаване на разредени газове
Научното изследване и разработване на вакуумни устройства започва в средата на седемнадесети век. През 1643 г. италианецът Торичели успява да определи стойността на атмосферното налягане и след изобретяването на механична бутална помпа със специално водно уплътнение от О. Герике се появява реална възможност за провеждане на множество изследвания на характеристиките на разреден газ. В същото време бяха изследвани възможностите за въздействие на вакуума върху живите същества. Експерименти, проведени във вакуум с електрически разряд, допринесоха за откриването на отрицателен електрон, рентгеново лъчение.
Благодарение на топлоизолационната способност на вакуума, стана възможно да се обяснят методите за пренос на топлина, да се използва теоретична информация за развитието на съвременната криогенна технология.
Използване на вакуум
През 1873 г. е изобретено първото електровакуумно устройство. Те се превърнаха в лампа с нажежаема жичка, създадена от руския физик Лодигин. Оттогава практическото използване на вакуумната технология се разшири, появиха се нови методи за получаване и изучаване на това състояние.
Различни типове вакуумни помпи са създадени за кратък период от време:
- ротационен;
- криосорбция;
- молекулярна;
- дифузия.
В началото на ХХ век академик Лебедев успява да подобри научните основи на вакуумната индустрия. До средата на миналия век учените не допускаха възможността за получаване на налягане по-малко от 10-6 Pa.
BВ момента вакуумните системи са изградени изцяло от метал, за да се избегне изтичане. Вакуумните криогенни помпи се използват не само в изследователските лаборатории, но и в различни индустрии.
Например, след разработването на специални евакуационни средства, които не замърсяват използвания обект, се появиха нови перспективи за използване на вакуумна технология. В химията такива системи се използват активно за качествен и количествен анализ на свойствата на чистите вещества, разделяне на сместа на компоненти и анализ на скоростта на различни процеси.
