Vakuum je prostor, ve kterém není žádná hmota. V aplikované fyzice a technice to znamená prostředí, ve kterém je plyn obsažen pod tlakem nižším, než je tlak atmosférický. Co byly vzácné plyny, když byly poprvé objeveny?
Stránky s historií
Myšlenka prázdnoty byla po staletí předmětem sporu. Vzácné plyny se pokusili analyzovat starověcí řečtí a římští filozofové. Democritus, Lucretius, jejich studenti věřili: pokud by mezi atomy nebyl volný prostor, jejich pohyb by byl nemožný.
Aristoteles a jeho následovníci tento koncept vyvrátili, podle jejich názoru by v přírodě neměla být žádná „prázdnota“. Ve středověku v Evropě se myšlenka „strachu z prázdnoty“stala prioritou, používala se pro náboženské účely.
Mechanika starověkého Řecka byla při vytváření technických zařízení založena na vzácnosti vzduchu. Například vodní pumpy, které fungovaly, když se nad pístem vytvořilo vakuum, se objevily v době Aristotela.
Zředěný stav plynu, vzduchu, se stal základem pro výrobu pístových vývěv, které jsou v současné době široce používány v technologii.
Jejich prototypem byla slavná pístová stříkačka Herona Alexandrijského, kterou vytvořilvytáhnout hnis.
V polovině sedmnáctého století byla vyvinuta první vakuová komora a o šest let později se německému vědci Otto von Guerickovi podařilo vynalézt první vakuovou pumpu.
Tento pístový válec snadno pumpoval vzduch z utěsněné nádoby a vytvořil tam vakuum. To umožnilo studovat hlavní charakteristiky nového stavu, analyzovat jeho provozní vlastnosti.
Technické vakuum
V praxi se zředěný stav plynu, vzduchu, nazývá technické vakuum. Ve velkých objemech je nemožné dosáhnout takového ideálního stavu, protože při určité teplotě mají materiály nenulovou hustotu nasycených par.
Důvodem nemožnosti získat ideální vakuum je také prostup plynných látek sklem, kovovými stěnami nádob.
V malých množstvích je docela možné získat zředěné plyny. Jako míra řídkosti se používá volná dráha molekul plynu, které se náhodně srazí, a také lineární velikost použité nádoby.
Technické vakuum lze považovat za plyn v potrubí nebo nádobě s hodnotou tlaku nižší než v atmosféře. Nízké vakuum nastane, když se atomy nebo molekuly plynu přestanou navzájem srážet.
Mezi vysokovakuové čerpadlo a atmosférický vzduch je umístěno přední vakuum, které vytváří předběžné vakuum. V případě následného poklesu tlakové komory je pozorováno zvýšení délky dráhy plynných částic.látky.
Když je tlak od 10 -9 Pa, vzniká ultra vysoké vakuum. Právě tyto zředěné plyny se používají k provádění experimentů pomocí skenovacího tunelového mikroskopu.
Takový stav v pórech některých krystalů je možné získat i při atmosférickém tlaku, protože průměr pórů je mnohem menší než volná dráha volné částice.
Vakuové spotřebiče
Zředěný stav plynu se aktivně využívá v zařízeních zvaných vakuové pumpy. Getry se používají k nasávání plynů a získání určitého stupně vakua. Vakuová technika také zahrnuje četná zařízení, která jsou nezbytná k řízení a měření tohoto stavu, jakož i k řízení objektů, k provádění různých technologických procesů. Nejsložitějšími technickými zařízeními, která využívají zředěné plyny, jsou vysokovakuové vývěvy. Například difuzní zařízení fungují na základě pohybu molekul zbytkového plynu působením proudu pracovního plynu. I v případě ideálního vakua dochází při dosažení konečné teploty k malému tepelnému záření. To vysvětluje hlavní vlastnosti zředěných plynů, například nástup tepelné rovnováhy po určitém časovém intervalu mezi tělem a stěnami vakuové komory.
Rafinovaný monatomický plyn je vynikající tepelný izolant. V něm se přenos tepelné energie provádí pouze pomocí sálání, tepelná vodivost a konvekce nikolijsou dodržovány. Tato vlastnost se využívá u Dewarových nádob (termosek), skládajících se ze dvou nádob, mezi nimiž je vakuum.
Vakuum našlo široké uplatnění v rádiových trubicích, například magnetrony kineskopů, mikrovlnné trouby.
Fyzikální vakuum
V kvantové fyzice takový stav znamená základní (nejnižší) energetický stav kvantového pole, který je charakterizován nulovými hodnotami kvantových čísel.
V tomto stavu není monatomický plyn zcela prázdný. Podle kvantové teorie se virtuální částice systematicky objevují a mizí ve fyzickém vakuu, což způsobuje nulové oscilace polí.
Teoreticky může existovat několik různých vakuů současně, které se liší hustotou energie a dalšími fyzikálními vlastnostmi. Tato myšlenka se stala základem pro inflační teorii velkého třesku.
Falešné vakuum
Znamená stav pole v kvantové teorii, což není stav s minimální energií. Je stabilní po určitou dobu. Při dosažení požadovaných hodnot hlavních fyzikálních veličin existuje možnost „vytunelování“falešného stavu do skutečného vakua.
Vesmír
Když diskutujeme o tom, co znamená zředěný plyn, je nutné se pozastavit nad pojmem „kosmické vakuum“. Lze ji považovat za blízkou fyzikálnímu vakuu, ale existující v mezihvězdném prostoruprostor. Planety, jejich přirozené satelity, mnoho hvězd má určité přitažlivé síly, které udržují atmosféru v určité vzdálenosti. Jak se vzdalujete od povrchu hvězdného objektu, mění se hustota zředěného plynu.
Například existuje čára Karman, která je považována za běžnou definici s kosmickým prostorem hranice planety. Za ním hodnota izotropního tlaku plynu prudce klesá ve srovnání se slunečním zářením a dynamickým tlakem slunečního větru, takže je obtížné interpretovat tlak zředěného plynu.
Vesmír je plný fotonů, reliktních neutrin, která je obtížné detekovat.
Funkce měření
Stupeň vakua je obvykle určen množstvím látky, která zůstává v systému. Hlavní charakteristikou měření tohoto stavu je absolutní tlak, navíc se bere v úvahu chemické složení plynu a jeho teplota.
Důležitým parametrem pro vakuum je průměrná hodnota délky dráhy plynů zbývajících v systému. Existuje rozdělení vakua do určitých rozsahů v souladu s technologií, která je nezbytná pro měření: falešné, technické, fyzikální.
Vakuové tvarování
Jedná se o výrobu produktů z moderních termoplastických materiálů v horké formě za použití nízkého tlaku vzduchu nebo podtlaku.
Vakuové tvarování je považováno za metodu tažení, v důsledku čehož se plastová fólie zahřívá,umístěné nad matricí, do určité hodnoty teploty. Dále list opakuje tvar matrice, což je způsobeno vytvořením vakua mezi ní a plastem.
Elektrovakuová zařízení
Jsou to zařízení, která jsou navržena tak, aby vytvářela, zesilovala a převáděla elektromagnetickou energii. V takovém zařízení se z pracovního prostoru odvádí vzduch a k ochraně před okolím se používá nepropustný plášť. Příklady takových zařízení jsou elektronická vakuová zařízení, kde elektrony zapadají do vakua. Žárovky lze také považovat za vakuová zařízení.
Plyny při nízkých tlacích
Plyn se nazývá zředěný, pokud je jeho hustota zanedbatelná a délka molekulární dráhy je srovnatelná s velikostí nádoby, ve které se plyn nachází. V takovém stavu je pozorován pokles počtu elektronů v poměru k hustotě plynu.
V případě vysoce zředěného plynu prakticky nedochází k žádnému vnitřnímu tření. Místo toho se objevuje vnější tření pohybujícího se plynu o stěny, což se vysvětluje změnou hybnosti molekul při jejich srážce s nádobou. V takové situaci existuje přímá úměrnost mezi rychlostí částic a hustotou plynu.
V případě nízkého vakua jsou pozorovány časté srážky mezi částicemi plynu v plném objemu, které jsou doprovázeny stabilní výměnou tepelné energie. To vysvětluje fenomén přenosu (difúze, tepelná vodivost), který se aktivně využívá v moderní technologii.
Získávání zředěných plynů
Vědecké studium a vývoj vakuových zařízení začaly v polovině sedmnáctého století. V roce 1643 se Italovi Torricellimu podařilo určit hodnotu atmosférického tlaku a po vynálezu mechanického pístového čerpadla se speciální vodní ucpávkou od O. Guerickeho se objevila skutečná příležitost k provedení četných studií vlastností zředěného plynu. Zároveň byly studovány možnosti vlivu vakua na živé bytosti. Experimenty prováděné ve vakuu s elektrickým výbojem přispěly k objevu negativního elektronu, rentgenového záření.
Díky tepelně-izolační schopnosti vakua bylo možné vysvětlit způsoby přenosu tepla, využít teoretické poznatky pro vývoj moderní kryogenní technologie.
Použití vakua
V roce 1873 bylo vynalezeno první elektrovakuové zařízení. Stala se z nich žárovka, kterou vytvořil ruský fyzik Lodygin. Od té doby se praktické využití vakuové technologie rozšířilo, objevily se nové metody pro získání a studium tohoto stavu.
V krátké době byly vytvořeny různé typy vývěv:
- rotational;
- kryosorpce;
- molekulární;
- difúze.
Na začátku dvacátého století se akademikovi Lebeděvovi podařilo zlepšit vědecké základy vakuového průmyslu. Až do poloviny minulého století vědci nepřipouštěli možnost získat tlak menší než 10-6 Pa.
BV současné době jsou vakuové systémy stavěny celokovové, aby se zabránilo úniku. Vakuová kryogenní čerpadla se používají nejen ve výzkumných laboratořích, ale také v různých průmyslových odvětvích.
Například po vývoji speciálních evakuačních prostředků, které neznečišťují používaný objekt, se objevily nové perspektivy využití vakuové technologie. V chemii se tyto systémy aktivně používají pro kvalitativní a kvantitativní analýzu vlastností čistých látek, separaci směsi na složky a analýzu rychlosti různých procesů.
