Vakum je prostor u kojem nema materije. U primijenjenoj fizici i tehnologiji označava medij u kojem se plin nalazi pod tlakom manjim od atmosferskog. Šta su bili razrijeđeni plinovi kada su prvi put otkriveni?
Stranice istorije
Ideja praznine je bila tačka sporenja vekovima. Razrijeđene plinove pokušali su analizirati drevni grčki i rimski filozofi. Demokrit, Lukrecije, njihovi učenici su vjerovali: da nema slobodnog prostora između atoma, njihovo kretanje bi bilo nemoguće.
Aristotel i njegovi sljedbenici opovrgnuli su ovaj koncept, po njihovom mišljenju, u prirodi ne bi trebalo biti "praznine". U srednjem vijeku u Evropi ideja "straha od praznine" postala je prioritet, korištena je u vjerske svrhe.
Mehanika antičke Grčke, prilikom stvaranja tehničkih uređaja, bila je zasnovana na razrjeđivanju zraka. Na primjer, pumpe za vodu koje su funkcionirale kada se stvorio vakuum iznad klipa pojavile su se u vrijeme Aristotela.
Razrijeđeno stanje plina, zraka, postalo je osnova za proizvodnju klipnih vakuum pumpi, koje se trenutno široko koriste u tehnici.
Njihov prototip bio je čuveni klipni špric Herona Aleksandrijskog, koji je kreirao onizvući gnoj.
Sredinom sedamnaestog veka razvijena je prva vakuumska komora, a šest godina kasnije, nemački naučnik Otto von Guerick uspeo je da izume prvu vakuum pumpu.
Ovaj klipni cilindar lako je pumpao vazduh iz zatvorene posude, stvarajući tamo vakuum. To je omogućilo da se prouče glavne karakteristike nove države, da se analiziraju njena operativna svojstva.
Tehnički usisivač
U praksi se razrijeđeno stanje plina, zraka naziva tehnički vakuum. U velikim količinama nemoguće je dobiti takvo idealno stanje, jer na određenoj temperaturi materijali imaju gustinu zasićene pare različitu od nule.
Razlog nemogućnosti postizanja idealnog vakuuma je i prenos gasovitih materija kroz staklo, metalne zidove posuda.
U malim količinama sasvim je moguće dobiti razrijeđene plinove. Kao mjera razrjeđivanja koristi se slobodni put molekula plina koji se nasumično sudaraju, kao i linearna veličina upotrijebljene posude.
Tehnički vakuum se može smatrati gasom u cjevovodu ili posudi čija je vrijednost tlaka manja nego u atmosferi. Nizak vakuum nastaje kada atomi ili molekuli gasa prestanu da se sudaraju jedan sa drugim.
Predvakum se postavlja između pumpe visokog vakuuma i atmosferskog vazduha, čime se stvara preliminarni vakuum. U slučaju naknadnog smanjenja tlačne komore, uočava se povećanje dužine puta plinovitih čestica.supstance.
Kada je pritisak od 10 -9 Pa, stvara se ultra-visok vakuum. Upravo ovi razrijeđeni plinovi se koriste za izvođenje eksperimenata pomoću skenirajućeg tunelskog mikroskopa.
U porama nekih kristala moguće je dobiti takvo stanje čak i pri atmosferskom pritisku, pošto je prečnik pora mnogo manji od slobodnog puta slobodne čestice.
Aparati na bazi vakuuma
Rarijeđeno stanje gasa se aktivno koristi u uređajima koji se nazivaju vakuum pumpe. Getteri se koriste za usisavanje gasova i postizanje određenog stepena vakuuma. Vakumska tehnologija uključuje i brojne uređaje koji su neophodni za kontrolu i mjerenje ovog stanja, kao i za upravljanje objektima, za izvođenje različitih tehnoloških procesa. Najsloženiji tehnički uređaji koji koriste razrijeđene plinove su visokovakumske pumpe. Na primjer, uređaji za difuziju rade na bazi kretanja molekula zaostalih plinova pod djelovanjem strujanja radnog plina. Čak iu slučaju idealnog vakuuma, postoji malo toplotnog zračenja kada se postigne konačna temperatura. Ovo objašnjava glavna svojstva razrijeđenih plinova, na primjer, početak termičke ravnoteže nakon određenog vremenskog intervala između tijela i zidova vakuumske komore.
Rafinisani jednoatomni gas je odličan toplotni izolator. U njemu se prijenos toplinske energije vrši samo uz pomoć zračenja, toplinska provodljivost i konvekcija nisuse posmatraju. Ovo svojstvo se koristi u Dewarovim posudama (termozama), koje se sastoje od dva kontejnera, između kojih postoji vakuum.
Vakum je našao široku primenu u radio cevima, na primer, magnetronima kineskopa, mikrotalasnim pećnicama.
Fizički vakuum
U kvantnoj fizici takvo stanje znači osnovno (najniže) energetsko stanje kvantnog polja, koje karakteriziraju nulte vrijednosti kvantnih brojeva.
U ovom stanju, jednoatomni gas nije potpuno prazan. Prema kvantnoj teoriji, virtuelne čestice se sistematski pojavljuju i nestaju u fizičkom vakuumu, što uzrokuje nulte oscilacije polja.
Teoretski, nekoliko različitih vakuuma može postojati istovremeno, koji se razlikuju po gustoći energije, kao i drugim fizičkim karakteristikama. Ova ideja je postala osnova za inflatornu teoriju velikog praska.
Lažni vakuum
To znači stanje polja u kvantnoj teoriji, koje nije stanje sa minimalnom energijom. Stabilan je tokom određenog vremenskog perioda. Postoji mogućnost "tuneliranja" lažnog stanja u pravi vakuum kada se dostignu tražene vrijednosti glavnih fizičkih veličina.
Svemirski prostor
Kada se raspravlja o tome šta znači razrijeđeni plin, potrebno je zadržati se na konceptu "kosmičkog vakuuma". Može se smatrati da je blizak fizičkom vakuumu, ali postoji u međuzvjezdanom prostorusvemir. Planete, njihovi prirodni sateliti, mnoge zvijezde imaju određene privlačne sile koje drže atmosferu na određenoj udaljenosti. Kako se udaljavate od površine zvjezdanog objekta, gustina razrijeđenog plina se mijenja.
Na primjer, postoji Karmanova linija, koja se smatra uobičajenom definicijom s vanjskim prostorom granice planete. Iza toga, vrednost izotropnog pritiska gasa naglo opada u poređenju sa sunčevim zračenjem i dinamičkim pritiskom sunčevog vetra, tako da je teško protumačiti pritisak razređenog gasa.
Svemirski prostor je pun fotona, reliktnih neutrina koje je teško otkriti.
Funkcije mjerenja
Stepen vakuuma se obično određuje količinom supstance koja ostaje u sistemu. Glavna karakteristika mjerenja ovog stanja je apsolutni pritisak, osim toga, uzimaju se u obzir hemijski sastav gasa i njegova temperatura.
Važan parametar za vakuum je prosječna vrijednost dužine puta gasova preostalih u sistemu. Postoji podjela vakuuma na određene opsege u skladu sa tehnologijom koja je neophodna za mjerenja: lažni, tehnički, fizički.
Vakumsko oblikovanje
Ovo je proizvodnja proizvoda od modernih termoplastičnih materijala u vrućem obliku uz pomoć niskog zračnog pritiska ili vakuumskog djelovanja.
Vakumsko oblikovanje se smatra metodom izvlačenja, zbog čega se limova plastika zagrijava,koji se nalazi iznad matrice, do određene temperaturne vrijednosti. Zatim, list ponavlja oblik matrice, to je zbog stvaranja vakuuma između njega i plastike.
Elektrovakuum uređaji
To su uređaji koji su dizajnirani da stvaraju, pojačavaju i pretvaraju elektromagnetnu energiju. U takvom uređaju se iz radnog prostora uklanja zrak, a za zaštitu od okoliša koristi se nepropusna školjka. Primjeri takvih uređaja su elektronički vakuum uređaji, gdje se elektroni uklapaju u vakuum. Lampe sa žarnom niti se takođe mogu smatrati vakuumskim uređajima.
Gasovi pri niskom pritisku
Gas se naziva razređenim ako je njegova gustina zanemarljiva, a dužina molekularne putanje uporediva sa veličinom posude u kojoj se gas nalazi. U takvom stanju, smanjenje broja elektrona se opaža proporcionalno gustini gasa.
U slučaju jako razrijeđenog plina, praktično nema unutrašnjeg trenja. Umjesto toga, pojavljuje se vanjsko trenje pokretnog plina o zidove, što se objašnjava promjenom količine gibanja molekula kada se sudare sa posudom. U takvoj situaciji postoji direktna proporcionalnost između brzine čestica i gustine gasa.
U slučaju niskog vakuuma primećuju se česti sudari između čestica gasa u punoj zapremini, koji su praćeni stabilnom razmenom toplotne energije. Ovo objašnjava fenomen transfera (difuzija, toplotna provodljivost), koji se aktivno koristi u modernoj tehnologiji.
Dobivanje razrijeđenih plinova
Naučno proučavanje i razvoj vakuumskih uređaja počelo je sredinom sedamnaestog veka. Italijan Torricelli je 1643. godine uspio odrediti vrijednost atmosferskog tlaka, a nakon izuma mehaničke klipne pumpe sa posebnim vodenim zatvaračem od strane O. Guerickea, ukazala se prava prilika za sprovođenje brojnih istraživanja karakteristika razrijeđenog plina. Istovremeno, proučavane su mogućnosti uticaja vakuuma na živa bića. Eksperimenti izvedeni u vakuumu sa električnim pražnjenjem doprineli su otkriću negativnog elektrona, rendgenskog zračenja.
Zahvaljujući toplotnoizolacionoj sposobnosti vakuuma, postalo je moguće objasniti metode prenosa toplote, koristiti teorijske informacije za razvoj moderne kriogene tehnologije.
Upotreba usisivača
1873. godine izumljen je prvi elektrovakuum uređaj. Postale su lampa sa žarnom niti, koju je stvorio ruski fizičar Lodygin. Od tog vremena, praktična upotreba vakuumske tehnologije se proširila, pojavile su se nove metode za dobijanje i proučavanje ovog stanja.
U kratkom vremenskom periodu stvorene su različite vrste vakuum pumpi:
- rotacijski;
- kriosorpcija;
- molekularni;
- difuzija.
Početkom dvadesetog veka, akademik Lebedev je uspeo da unapredi naučne osnove vakuumske industrije. Sve do sredine prošlog veka naučnici nisu dozvoljavali mogućnost dobijanja pritiska manjeg od 10-6 Pa.
BTrenutno su vakuumski sistemi izrađeni od potpunog metala kako bi se izbjeglo curenje. Vakumske kriogene pumpe se koriste ne samo u istraživačkim laboratorijama, već iu raznim industrijama.
Na primjer, nakon razvoja specijalnih sredstava za evakuaciju koja ne zagađuju objekt koji se koristi, pojavile su se nove perspektive za korištenje vakuumske tehnologije. U hemiji se takvi sistemi aktivno koriste za kvalitativnu i kvantitativnu analizu svojstava čistih supstanci, razdvajanje smeše na komponente i analizu brzine različitih procesa.
