Vacuum er et rom der det ikke er noe materie. I anvendt fysikk og teknologi betyr det et medium der en gass er inneholdt ved et trykk som er mindre enn atmosfærisk trykk. Hva var sjeldne gasser da de først ble oppdaget?
Historiesider
Ideen om tomhet har vært et stridspunkt i århundrer. Sjeldne gasser prøvde å analysere de gamle greske og romerske filosofene. Demokritos, Lucretius, deres elever trodde: hvis det ikke var ledig plass mellom atomene, ville deres bevegelse være umulig.
Aristoteles og hans tilhengere tilbakeviste dette konseptet, etter deres mening burde det ikke være noen "tomhet" i naturen. I middelalderen i Europa ble ideen om "frykt for tomrommet" en prioritet, den ble brukt til religiøse formål.
Mekanikken i antikkens Hellas, da de skapte tekniske enheter, var basert på luftforekomst. For eksempel dukket det opp vannpumper som fungerte når et vakuum ble opprettet over stempelet på Aristoteles' tid.
Den sjeldne tilstanden til gass, luft, har blitt grunnlaget for produksjon av stempelvakuumpumper, som for tiden er mye brukt i teknologi.
Prototypen deres var den berømte stempelsprøyten til Heron of Alexandria, laget av hamå trekke ut puss.
I midten av det syttende århundre ble det første vakuumkammeret utviklet, og seks år senere klarte den tyske vitenskapsmannen Otto von Guerick å finne opp den første vakuumpumpen.
Denne stempelsylinderen pumpet lett luft ut av en forseglet beholder, og skapte et vakuum der. Dette gjorde det mulig å studere hovedkarakteristikkene til den nye staten, for å analysere dens operasjonelle egenskaper.
Teknisk støvsuger
I praksis kalles luftens sjeldne tilstand teknisk vakuum. I store volumer er det umulig å oppnå en slik ideell tilstand, siden materialene ved en viss temperatur har en mettet damptetthet som ikke er null.
Årsaken til umuligheten av å oppnå et ideelt vakuum er også overføring av gassformige stoffer gjennom glass, metallvegger i kar.
I små mengder er det fullt mulig å få tak i sjeldne gasser. Som et mål på sjeldenhet brukes den frie banen til gassmolekyler som kolliderer tilfeldig, samt den lineære størrelsen på fartøyet som brukes.
Teknisk vakuum kan betraktes som en gass i en rørledning eller et fartøy med en trykkverdi som er mindre enn i atmosfæren. Et lavt vakuum oppstår når atomene eller molekylene i en gass slutter å kollidere med hverandre.
Et forvakuum plasseres mellom høyvakuumpumpen og atmosfærisk luft, som skaper et foreløpig vakuum. I tilfelle av en påfølgende reduksjon i trykkkammeret, observeres en økning i veilengden til gassformige partikler.stoffer.
Når trykket er fra 10 -9 Pa, skapes et ultrahøyt vakuum. Det er disse sjeldne gassene som brukes til å utføre eksperimenter med et skanningstunnelmikroskop.
Det er mulig å oppnå en slik tilstand i porene til noen krystaller selv ved atmosfærisk trykk, siden diameteren til porene er mye mindre enn den frie banen til en fri partikkel.
Vakuumbaserte apparater
Gassens sjeldne tilstand brukes aktivt i enheter som kalles vakuumpumper. Getters brukes til å suge gasser og oppnå en viss grad av vakuum. Vakuumteknologi inkluderer også en rekke enheter som er nødvendige for å kontrollere og måle denne tilstanden, samt for å kontrollere objekter, for å utføre ulike teknologiske prosesser. De mest komplekse tekniske enhetene som bruker sjeldne gasser er høyvakuumpumper. For eksempel opererer diffusjonsanordninger på grunnlag av bevegelsen av gjenværende gassmolekyler under påvirkning av en arbeidsgassstrøm. Selv ved et ideelt vakuum er det lite termisk stråling når den endelige temperaturen er nådd. Dette forklarer hovedegenskapene til sjeldne gasser, for eksempel utbruddet av termisk likevekt etter et visst tidsintervall mellom kroppen og veggene i vakuumkammeret.
Sjelden monatomisk gass er en utmerket termisk isolator. I den utføres overføringen av termisk energi bare ved hjelp av stråling, termisk ledningsevne og konveksjon er ikkeblir observert. Denne egenskapen brukes i Dewar-kar (termoser), som består av to beholdere, mellom hvilke det er et vakuum.
Vacuum har funnet bred anvendelse i radiorør, for eksempel magnetroner til kinescopes, mikrobølgeovner.
Fysisk vakuum
I kvantefysikk betyr en slik tilstand bakken (laveste) energitilstanden til kvantefeltet, som er karakterisert ved nullverdier av kvantetall.
I denne tilstanden er ikke en monoatomisk gass helt tom. I følge kvanteteorien oppstår og forsvinner virtuelle partikler systematisk i det fysiske vakuumet, som forårsaker null svingninger av felt.
Teoretisk sett kan flere forskjellige støvsugere eksistere samtidig, som er forskjellige i energitetthet, så vel som andre fysiske egenskaper. Denne ideen ble grunnlaget for inflasjonær big bang-teori.
Falsk vakuum
Det betyr tilstanden til feltet i kvanteteori, som ikke er en tilstand med minimumsenergi. Den er stabil over en viss tidsperiode. Det er en mulighet for å "tunnele" en falsk tilstand inn i et sant vakuum når de nødvendige verdiene for de fysiske hovedmengdene er nådd.
Ytre verdensrommet
Når vi diskuterer hva en foreldet gass betyr, er det nødvendig å dvele ved begrepet "kosmisk vakuum". Den kan betraktes som nær det fysiske vakuumet, men eksisterer i interstellarenrom. Planetene, deres naturlige satellitter, mange stjerner har visse attraktive krefter som holder atmosfæren på en viss avstand. Når du beveger deg bort fra overflaten til et stjerneobjekt, endres tettheten av sjeldne gasser.
For eksempel er det Karman-linjen, som regnes som en vanlig definisjon med det ytre rom av planetens grense. Bak den synker verdien av det isotropiske gasstrykket kraftig sammenlignet med solstråling og det dynamiske trykket til solvinden, så det er vanskelig å tolke trykket til en forseldet gass.
Ytre verdensrommet er fullt av fotoner, relikvietrinoer som er vanskelige å oppdage.
Målefunksjoner
Graden av vakuum bestemmes vanligvis av mengden stoff som er igjen i systemet. Hovedkarakteristikken ved målingen av denne tilstanden er det absolutte trykket, i tillegg er det tatt hensyn til den kjemiske sammensetningen av gassen og dens temperatur.
En viktig parameter for vakuum er gjennomsnittsverdien av veilengden til gassene som er igjen i systemet. Det er en inndeling av vakuum i visse områder i samsvar med teknologien som er nødvendig for målinger: falsk, teknisk, fysisk.
Vakuumforming
Dette er produksjon av produkter fra moderne termoplastiske materialer i varm form ved bruk av lavt lufttrykk eller vakuum.
Vakuumforming regnes som en tegnemetode, som et resultat av at plateplast varmes opp,plassert over matrisen, opp til en viss temperaturverdi. Deretter gjentar arket formen til matrisen, dette skyldes at det dannes et vakuum mellom det og plasten.
Elektrovakuumenheter
De er enheter som er designet for å skape, forsterke og konvertere elektromagnetisk energi. I en slik enhet fjernes luft fra arbeidsrommet, og et ugjennomtrengelig skall brukes til å beskytte mot miljøet. Eksempler på slike enheter er elektroniske vakuumenheter, hvor elektronene passer inn i et vakuum. Glødelamper kan også betraktes som vakuumenheter.
Gasser ved lavt trykk
En gass kalles foreldet hvis dens tetthet er ubetydelig, og lengden på molekylbanen er sammenlignbar med størrelsen på karet der gassen befinner seg. I en slik tilstand observeres en reduksjon i antall elektroner i forhold til tettheten til gassen.
Når det gjelder en svært foreldet gass, er det praktisk t alt ingen indre friksjon. I stedet oppstår ytre friksjon av den bevegelige gassen mot veggene, noe som forklares med endringen i molekylenes momentum når de kolliderer med fartøyet. I en slik situasjon er det en direkte proporsjonalitet mellom hastigheten til partikler og tettheten til gassen.
Ved lavt vakuum observeres hyppige kollisjoner mellom gasspartikler i fullt volum, som er ledsaget av en stabil utveksling av termisk energi. Dette forklarer overføringsfenomenet (diffusjon, termisk ledningsevne), som brukes aktivt i moderne teknologi.
Få sjeldne gasser
Vitenskapelig studie og utvikling av vakuumenheter begynte på midten av det syttende århundre. I 1643 klarte italieneren Torricelli å bestemme verdien av atmosfærisk trykk, og etter oppfinnelsen av en mekanisk stempelpumpe med en spesiell vannforsegling av O. Guericke, dukket det opp en reell mulighet for å gjennomføre en rekke studier av egenskapene til en sjeldne gass. Samtidig ble mulighetene for innvirkning av vakuum på levende vesener studert. Eksperimenter utført i vakuum med elektrisk utladning bidro til oppdagelsen av et negativt elektron, røntgenstråling.
Takket være den varmeisolerende evnen til vakuum, ble det mulig å forklare metodene for varmeoverføring, å bruke teoretisk informasjon for utvikling av moderne kryogen teknologi.
Using a vakuum
I 1873 ble den første elektrovakuumenheten oppfunnet. De ble en glødelampe, skapt av den russiske fysikeren Lodygin. Siden den gang har den praktiske bruken av vakuumteknologi utvidet seg, nye metoder for å oppnå og studere denne tilstanden har dukket opp.
Ulike typer vakuumpumper har blitt laget på kort tid:
- rotasjon;
- kryosorpsjon;
- molekylær;
- diffusjon.
På begynnelsen av det tjuende århundre klarte akademiker Lebedev å forbedre det vitenskapelige grunnlaget for vakuumindustrien. Inntil midten av forrige århundre tillot ikke forskere muligheten for å oppnå et trykk mindre enn 10-6 Pa.
BForeløpig er vakuumsystemer bygget helt i metall for å unngå lekkasje. Vakuumkryogene pumper brukes ikke bare i forskningslaboratorier, men også i ulike bransjer.
For eksempel, etter utviklingen av spesielle evakueringsmidler som ikke forurenser objektet som brukes, har det dukket opp nye utsikter for bruk av vakuumteknologi. I kjemi brukes slike systemer aktivt for kvalitativ og kvantitativ analyse av egenskapene til rene stoffer, separering av en blanding i komponenter og analyse av hastigheten til ulike prosesser.
