A fizika definíciója szerint a "vákuum" fogalma azt jelenti, hogy egy bizonyos térben nincs anyag és anyagelem, ebben az esetben abszolút vákuumról beszélünk. Részleges vákuum akkor figyelhető meg, ha az anyag sűrűsége a tér adott helyén kicsi. Nézzük meg közelebbről ezt a kérdést a cikkben.
Vákuum és nyomás
Az "abszolút vákuum" fogalmának meghatározásában az anyag sűrűségéről beszélünk. A fizikából ismert, hogy ha gáznemű anyagot vesszük figyelembe, akkor az anyag sűrűsége egyenesen arányos a nyomással. Ha viszont részleges vákuumról beszélünk, akkor az arra utal, hogy az anyagrészecskék sűrűsége egy adott térben kisebb, mint a normál légköri nyomású levegőé. Ezért a vákuum kérdése a kérdéses rendszerben uralkodó nyomás kérdése.
A fizikában az abszolút nyomás az erő arányával egyenlő mennyiség(newtonban (N) mérve), amely valamely felületre merőlegesen van felhordva, ennek a felületnek a területére (négyzetméterben mérve), azaz P=F / S, ahol P a nyomás, F az erő, S a felület. A nyomás mértékegysége pascal (Pa), tehát 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Részleges vákuum
Kísérletileg megállapították, hogy 20 °C-os hőmérsékleten a Föld felszínén a tengerszinten a légköri nyomás 101 325 Pa. Ezt a nyomást nevezzük 1. atmoszférának (atm.). Körülbelül azt mondhatjuk, hogy a nyomás 1 atm. egyenlő 0,1 MPa. Arra a kérdésre válaszolva, hogy hány atmoszféra van 1 pascalban, kiszámoljuk a megfelelő arányt, és azt kapjuk, hogy 1 Pa=10-5 atm. A részleges vákuum a vizsgált térben 1 atm-nél kisebb nyomásnak felel meg.
Ha a feltüntetett számokat a nyomás nyelvéről a részecskék számának nyelvére fordítjuk, akkor azt kell mondani, hogy 1 atm. 1 m3 levegő körülbelül 1025 molekulát tartalmaz. A molekulák nevezett koncentrációjának bármilyen csökkenése részleges vákuum kialakulásához vezet.
Vákuummérés
A kis vákuum mérésére a leggyakoribb eszköz a hagyományos barométer, amely csak akkor használható, ha a gáznyomás néhány tíz százaléka a légköri nyomásnak.
A magasabb vákuumértékek méréséhez Wheatstone-híddal ellátott elektromos áramkört használnak. A használat ötlete a mérésaz érzékelő elem ellenállása, amely a gázban lévő molekulák környező koncentrációjától függ. Minél nagyobb ez a koncentráció, annál több molekula éri az érzékelő elemet, és minél több hőt ad át nekik, ez az elem hőmérsékletének csökkenéséhez vezet, ami befolyásolja annak elektromos ellenállását. Ez az eszköz 0,001 atm nyomású vákuumot képes mérni.
Történelmi háttér
Érdekes megjegyezni, hogy az "abszolút vákuum" fogalmát a híres ókori görög filozófusok, például Arisztotelész teljesen elutasították. Ráadásul a légköri nyomás létezését csak a 17. század elejéig ismerték. Csak a New Age eljövetelével kezdtek kísérleteket végezni vízzel és higannyal töltött csövekkel, amelyek azt mutatták, hogy a Föld légköre nyomást gyakorol az összes környező testre. Különösen 1648-ban Blaise Pascal képes volt nyomást mérni higanybarométerrel 1000 méteres tengerszint feletti magasságban. A mért érték jóval alacsonyabbnak bizonyult, mint a tengerszinten, így a tudós bebizonyította a légköri nyomás létezését.
Az első kísérletet, amely egyértelműen demonstrálta a légköri nyomás erejét és a vákuum fogalmát is hangsúlyozta, Németországban végezték 1654-ben, ma Magdeburgi gömbkísérletként ismert. Otto von Guericke német fizikus 1654-ben képes volt szorosan összekapcsolni két mindössze 30 cm átmérőjű fém félgömböt, majd levegőt pumpálni a kapott szerkezetből, ezáltal létrehozva.részleges vákuum. A történet azt mondja, hogy két, egyenként 8 lóból álló csapat, amelyek ellentétes irányba húzódtak, nem tudták szétválasztani ezeket a szférákat.
Abszolút vákuum: létezik?
Más szóval, van-e olyan hely a térben, amely nem tartalmaz semmilyen anyagot. A modern technológiák lehetővé teszik 10-10 Pa és még ennél is kisebb vákuum létrehozását, de ez az abszolút nyomás nem jelenti azt, hogy a vizsgált rendszerben nem maradtak anyagrészecskék.
Kanyarodjunk most az Univerzum legüresebb terére – a nyílt űrre. Mekkora a nyomás a tér vákuumában? A nyomás a Föld körüli világűrben 10-8 Pa, ezen a nyomáson körülbelül 2 millió molekula van 1 cm térfogatban3. Ha intergalaktikus térről beszélünk, akkor a tudósok szerint még abban is van legalább 1 atom 1 cm térfogatban3. Sőt, Univerzumunkat elektromágneses sugárzás hatja át, melynek hordozói a fotonok. Az elektromágneses sugárzás olyan energia, amely a híres Einstein-képlet szerint (E=mc2) átalakítható a megfelelő tömeggé, vagyis az energia az anyaggal együtt az anyag állapota.. Ebből arra a következtetésre jutunk, hogy az Univerzumban nincs általunk ismert abszolút vákuum.
