A vákuum egy olyan tér, amelyben nincs anyag. Az alkalmazott fizikában és technológiában olyan közeget jelent, amelyben a légköri nyomásnál kisebb nyomású gáz van. Mik voltak a ritka gázok, amikor először felfedezték őket?
Előzményoldalak
Az üresség gondolata évszázadok óta vita tárgya. A ritka gázok az ókori görög és római filozófusokat próbálták elemezni. Démokritosz, Lucretius, tanítványaik úgy vélték: ha nem lenne szabad tér az atomok között, lehetetlen lenne a mozgásuk.
Arisztotelész és követői cáfolták ezt az elképzelést, véleményük szerint a természetben nem szabadna "ürességnek" lennie. A középkorban Európában az „űrtől való félelem” gondolata prioritássá vált, vallási célokra használták.
Az ókori Görögország mechanikája a műszaki eszközök létrehozásakor a levegő ritkításán alapult. Például Arisztotelész idejében megjelentek azok a vízszivattyúk, amelyek akkor működtek, amikor a dugattyú felett vákuum keletkezett.
A gáz, a levegő ritka állapota vált a dugattyús vákuumszivattyúk gyártásának alapjává, amelyeket jelenleg széles körben használnak a technológiában.
Prototípusuk Alexandriai Heron híres dugattyús fecskendője volt, amelyet ő készítettgennyet kihúzni.
A tizenhetedik század közepén fejlesztették ki az első vákuumkamrát, és hat évvel később Otto von Guerick német tudósnak sikerült feltalálnia az első vákuumszivattyút.
Ez a dugattyús henger könnyedén kiszívta a levegőt egy lezárt tartályból, és vákuumot hozott létre. Ez lehetővé tette az új állapot főbb jellemzőinek tanulmányozását, működési tulajdonságainak elemzését.
Technikai porszívó
A gyakorlatban a gáz, a levegő ritkított állapotát műszaki vákuumnak nevezik. Nagy mennyiségben lehetetlen ilyen ideális állapotot elérni, mivel egy bizonyos hőmérsékleten az anyagok telített gőzsűrűsége nem nulla.
Az ideális vákuum elérhetetlenségének oka az is, hogy a gáznemű anyagok átjutnak üvegen, edények fémfalain.
Kis mennyiségben nagyon is lehetséges ritka gázok előállítása. A ritkulás mértékeként a véletlenszerűen ütköző gázmolekulák szabad útját, valamint a használt edény lineáris méretét használják.
A műszaki vákuum egy csővezetékben vagy tartályban lévő gáznak tekinthető, amelynek nyomásértéke kisebb, mint a légkörben. Alacsony vákuum akkor lép fel, amikor a gáz atomjai vagy molekulái már nem ütköznek egymással.
Egy elülső vákuumot helyeznek el a nagyvákuumszivattyú és a légköri levegő közé, amely előzetes vákuumot hoz létre. A nyomáskamra utólagos csökkenése esetén a gáznemű részecskék úthosszának növekedése figyelhető meg.anyagok.
Ha a nyomás 10 -9 Pa, ultranagy vákuum jön létre. Ezeket a ritka gázokat használják pásztázó alagútmikroszkóppal végzett kísérletekhez.
Egyes kristályok pórusaiban légköri nyomáson is ilyen állapotot lehet elérni, mivel a pórusok átmérője sokkal kisebb, mint egy szabad részecske szabad útja.
Vákuum alapú készülékek
A gáz ritkított állapotát aktívan használják a vákuumszivattyúknak nevezett berendezésekben. A gettereket gázok szívására és bizonyos fokú vákuum elérésére használják. A vákuumtechnológia számos olyan eszközt is tartalmaz, amelyek ezen állapot szabályozásához, méréséhez, valamint tárgyak vezérléséhez, különféle technológiai folyamatok végrehajtásához szükségesek. A legösszetettebb, ritka gázokat használó műszaki eszközök a nagyvákuumszivattyúk. Például a diffúziós eszközök a maradék gázmolekulák mozgása alapján működnek egy működő gázáram hatására. A végső hőmérséklet elérésekor még ideális vákuum esetén is kevés a hősugárzás. Ez magyarázza a ritkított gázok fő tulajdonságait, például a termikus egyensúly létrejöttét egy bizonyos idő elteltével a test és a vákuumkamra falai között.
A ritka egyatomos gáz kiváló hőszigetelő. Ebben a hőenergia átvitele csak sugárzás segítségével történik, a hővezető képesség és a konvekció nemmegfigyelik. Ezt a tulajdonságot a Dewar edényekben (termoszok) használják, amelyek két tartályból állnak, amelyek között vákuum van.
A vákuum széles körben alkalmazható rádiócsövekben, például kineszkópok magnetronjaiban, mikrohullámú sütőkben.
Fizikai vákuum
A kvantumfizikában ez az állapot a kvantumtér alap (legalacsonyabb) energiájú állapotát jelenti, amelyet a kvantumszámok nulla értéke jellemez.
Ebben az állapotban a monoatomi gáz nem teljesen üres. A kvantumelmélet szerint a virtuális részecskék szisztematikusan jelennek meg és tűnnek el a fizikai vákuumban, ami a mezők nulla rezgését okozza.
Elméletileg több különböző vákuum létezhet egyidejűleg, amelyek energiasűrűségükben, valamint egyéb fizikai jellemzőikben különböznek egymástól. Ez az ötlet lett az inflációs ősrobbanás elméletének alapja.
Hamis vákuum
A kvantumelméletben a mező állapotát jelenti, ami nem egy minimális energiájú állapot. Egy bizonyos ideig stabil. Lehetőség van a hamis állapot valódi vákuumba való "alagútba" helyezésére, amikor a fő fizikai mennyiségek szükséges értékeit elérik.
Világűr
Amikor arról beszélünk, hogy mit jelent a ritkított gáz, meg kell időznünk a „kozmikus vákuum” fogalmán. A fizikai vákuumhoz közelinek tekinthető, de a csillagköziben létezikhely. A bolygók, természetes műholdaik, sok csillag rendelkezik bizonyos vonzó erőkkel, amelyek bizonyos távolságban tartják a légkört. Ahogy távolodsz egy csillagtárgy felszínétől, a ritkított gáz sűrűsége megváltozik.
Például ott van a Kármán-vonal, amely a bolygó határának külső űrével közös definíciónak számít. Mögötte az izotróp gáznyomás értéke meredeken csökken a napsugárzáshoz és a napszél dinamikus nyomásához képest, így nehéz értelmezni egy ritka gáz nyomását.
A világűr tele van fotonokkal, nehezen észlelhető neutrínókkal.
Mérési jellemzők
A vákuum mértékét általában a rendszerben maradt anyag mennyisége határozza meg. Ennek az állapotnak a mérésének fő jellemzője az abszolút nyomás, emellett figyelembe veszik a gáz kémiai összetételét és hőmérsékletét is.
A vákuum fontos paramétere a rendszerben maradó gázok úthosszának átlagos értéke. A mérésekhez szükséges technológiának megfelelően a vákuum bizonyos tartományokra van felosztva: hamis, műszaki, fizikai.
Vákuumos alakítás
Ez a termékek gyártása modern hőre lágyuló anyagokból forró formában alacsony légnyomás vagy vákuum alkalmazásával.
A vákuumformázást húzási módszernek tekintik, aminek eredményeként a műanyag lemezeket felmelegítik,a mátrix felett helyezkedik el, egy bizonyos hőmérsékleti értékig. Ezután a lap megismétli a mátrix alakját, ez annak köszönhető, hogy vákuum képződik közte és a műanyag között.
Elektrovákuumkészülékek
Ezek olyan eszközök, amelyeket elektromágneses energia létrehozására, erősítésére és átalakítására terveztek. Egy ilyen berendezésben a levegőt eltávolítják a munkatérből, és egy át nem eresztő héjat használnak a környezet elleni védelemre. Ilyen eszközök például az elektronikus vákuumkészülékek, ahol az elektronok vákuumban elférnek. Az izzólámpák is vákuumkészüléknek tekinthetők.
Gázok alacsony nyomáson
Egy gázt ritkítottnak nevezünk, ha sűrűsége elhanyagolható, és a molekulaút hossza összemérhető annak az edénynek a méretével, amelyben a gáz található. Ilyen állapotban az elektronok számának a gáz sűrűségével arányos csökkenése figyelhető meg.
Egy rendkívül ritka gáz esetében gyakorlatilag nincs belső súrlódás. Ehelyett megjelenik a mozgó gáz külső súrlódása a falakkal szemben, ami a molekulák lendületének változásával magyarázható az edénnyel való ütközéskor. Ilyen helyzetben egyenes arányosság van a részecskék sebessége és a gáz sűrűsége között.
Alacsony vákuum esetén a teljes térfogatú gázrészecskék között gyakori ütközések figyelhetők meg, amelyek a hőenergia stabil cseréjével járnak együtt. Ez magyarázza az átviteli jelenséget (diffúzió, hővezetőképesség), amelyet a modern technológia aktívan használ.
Ritkított gázok beszerzése
A vákuumkészülékek tudományos tanulmányozása és fejlesztése a tizenhetedik század közepén kezdődött. 1643-ban az olasz Torricellinek sikerült meghatároznia a légköri nyomás értékét, és miután O. Guericke feltalálta a speciális víztömítésű mechanikus dugattyús szivattyút, valódi lehetőség nyílt a ritkított gáz jellemzőinek számos vizsgálatára. Ezzel párhuzamosan a vákuum élőlényekre gyakorolt hatásának lehetőségeit is tanulmányozták. A vákuumban, elektromos kisüléssel végzett kísérletek hozzájárultak egy negatív elektron, a röntgensugárzás felfedezéséhez.
A vákuum hőszigetelő képességének köszönhetően lehetővé vált a hőátadás módszereinek magyarázata, az elméleti ismeretek felhasználása a modern kriogén technológia fejlesztéséhez.
Vákuum használata
1873-ban feltalálták az első elektrovákuumos készüléket. Izzólámpává váltak, amelyet Lodygin orosz fizikus alkotott meg. Azóta a vákuumtechnika gyakorlati alkalmazása bővült, új módszerek jelentek meg ennek az állapotnak a megszerzésére és tanulmányozására.
Rövid idő alatt különféle típusú vákuumszivattyúkat hoztak létre:
- forgó;
- krioszorpció;
- molekuláris;
- diffúzió.
A huszadik század elején Lebegyev akadémikusnak sikerült javítania a vákuumipar tudományos alapjain. A múlt század közepéig a tudósok nem tették lehetővé 10-6 Pa-nál kisebb nyomás elérését.
BJelenleg a vákuumrendszerek teljesen fémből készülnek, hogy elkerüljék a szivárgást. A vákuum-kriogén szivattyúkat nem csak kutatólaboratóriumokban használják, hanem különféle iparágakban is.
Például a speciális evakuálási eszközök kifejlesztése után, amelyek nem szennyezik a használt tárgyat, új távlatok jelentek meg a vákuumtechnológia alkalmazásában. A kémiában az ilyen rendszereket aktívan használják a tiszta anyagok tulajdonságainak kvalitatív és kvantitatív elemzésére, a keverék komponensekre történő szétválasztására és a különböző folyamatok sebességének elemzésére.
