Вакуумна стойност. Какво е физически вакуум? Теоретично обосноваване на понятието етер

Много често при нас идват хора, които искат да си купят вакуумна помпа, но нямат представа какво е вакуум.
Нека се опитаме да разберем какво е то.

По дефиниция вакуумът е пространство, свободно от материя (от латинската дума “vacuus” - празно).
Има няколко определения за вакуум: технически вакуум, физически вакуум, космически вакуум и др.
Ще разгледаме техническия вакуум, който се определя като силно разреден газ.

Нека да разгледаме пример за това какво е вакуум и как се измерва.
На нашата планета има атмосферно налягане, взето като едно (една атмосфера). Той се променя в зависимост от времето, надморската височина и морското равнище, но ние няма да вземем това предвид, тъй като това по никакъв начин няма да повлияе на разбирането на концепцията за вакуум.
И така, имаме налягане на повърхността на земята, равно на 1 атмосфера. Всичко под 1 атмосфера (в затворен съд) се нарича технически вакуум.

Да вземем съд и да го затворим с херметичен капак. Налягането в съда ще бъде 1 атмосфера. Ако започнем да изпомпваме въздух от съд, в него ще възникне вакуум, който се нарича вакуум.
Нека да разгледаме пример: в левия съд има 10 кръга. Нека е 1 атмосфера.
„изпомпваме“ половината - получаваме 0,5 atm, оставяме една - получаваме 0,1 atm.

Тъй като в съда има само една атмосфера, тогава максималният възможен вакуум, който можем да получим (теоретично) е нула атмосфери.
"Теоретично" - защото Почти невъзможно е да се уловят всички въздушни молекули от съда.
Следователно във всеки съд, от който е изпомпван въздух (газ), винаги остава някакво минимално количество от него. Това се нарича „остатъчно налягане“, т.е. налягането, което остава в съда след изпомпване на газове от него.
Има специални помпи, които могат да достигнат дълбок вакуум до 0,00001 Ра, но все пак не до нула.
В обикновения живот рядко се изисква вакуум, по-дълбок от 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Има няколко възможности за измерване на вакуум, в зависимост от избора на референтна точка:
1. Единицата е атмосферно налягане. Всичко под едно е вакуум.
Тоест скалата на вакуумметъра е от 1 до 0 атм (1…0.9…0.8…0.7…..0.2…0.1….0).
2. Атмосферното налягане се приема за нула. Тоест вакуум - всички отрицателни числа са по-малки от 0 и до -1.
Тоест скалата на вакуумметъра е от 0 до -1 (0, -0.1...-0.2...., -0.9,...-1).
Също така скалите могат да бъдат в kPa, mBar, но всичко това е подобно на скалите в атмосфери.

На снимката са показани вакуумметри с различни скали, които показват един и същ вакуум:

От всичко казано по-горе става ясно, че величината на вакуума не може да бъде по-голяма от атмосферното налягане.

Почти всеки ден с нас се свързват хора, които искат да получат вакуум от -2, -3 атм и т.н.
И са много изненадани, когато разберат, че това е невъзможно (между другото, всеки втори от тях казва, че „ти самият нищо не знаеш“, „но със съседа е така“ и т.н., и т.н.)

Всъщност всички тези хора искат да формоват части под вакуум, но така че налягането върху детайла да е повече от 1 kg/cm2 (1 атмосфера).
Това може да се постигне чрез покриване на продукта с филм, изпомпване на въздуха отдолу (в този случай, в зависимост от създадения вакуум, максималното налягане ще бъде 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), и след това поставяне на всичко това в автоклав, в който ще се създаде излишно налягане. Тоест, за да се създаде налягане от 2 kg / cm2, е достатъчно да се създаде свръхналягане от 1 atm в автоклава.

Сега няколко думи за това колко клиенти измерват вакуум на изложението Ampika Pumps LLC в нашия офис:
включете помпата, поставете пръста си (длан) върху смукателния отвор на вакуумната помпа и веднага направете заключение за големината на вакуума.

Обикновено всеки наистина обича да сравнява съветската вакуумна помпа 2NVR-5DM и нейния аналог VE-2100, който предлагаме.
След такава проверка винаги казват едно и също - вакуумът на 2NVR-5DM е по-висок (въпреки че всъщност и двете помпи произвеждат едни и същи параметри на вакуум).

Каква е причината за тази реакция? И както винаги – в непознаването на законите на физиката и какво е налягането като цяло.

Малко образователна информация: налягането "P" е сила, която действа върху определена повърхност, насочена перпендикулярно на тази повърхност (отношението на силата "F" към повърхността "S"), тоест P = F/ С.
С прости думи, това е сила, разпределена върху повърхност.
От тази формула може да се види, че колкото по-голяма е повърхността, толкова по-ниско ще бъде налягането. Освен това силата, необходима за повдигане на ръка или пръст от входа на помпата, е право пропорционална на повърхността (F=P*S).
Диаметърът на смукателния отвор на вакуумната помпа 2NVR-5DM е 25 mm (площ на повърхността 78,5 mm2).
Диаметърът на смукателния отвор на вакуумната помпа VE-2100 е 6 mm (площ на повърхността 18,8 mm2).
Тоест, за да се повдигне ръка от дупка с диаметър 25 mm, е необходима сила 4,2 пъти по-голяма от тази за дупка с диаметър 6 mm (при същото налягане).
Ето защо, когато вакуумът се измерва с пръсти, се получава такъв парадокс.
Налягането "P" в този случай се изчислява като разликата между атмосферното налягане и остатъчното налягане в съда (т.е. вакуумът в помпата).

Как да изчислим силата на притискане на част към повърхност?
Много просто. Можете да използвате формулата, дадена по-горе, но нека се опитаме да я обясним по-просто.
Например, да кажем, че трябва да разберете с каква сила може да се натисне част с размери 10x10 cm, когато под нея се създаде вакуум с помпа VVN 1-0,75.

Вземаме остатъчното налягане, което създава тази вакуумна помпа от серията BBH.
По-конкретно, за тази водна пръстеновидна помпа VVN 1-0,75 е 0,4 atm.
1 атмосфера е равна на 1 kg/cm2.
Площта на повърхността на частта е 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Тоест, ако създадете максимален вакуум (т.е. налягането върху частта ще бъде 1 atm), тогава частта ще бъде натисната със сила от 100 kg.
Тъй като имаме вакуум от 0,4 atm, налягането ще бъде 0,4x100 = 40 kg.
Но това е на теория, при идеални условия, ако няма изтичане на въздух и т.н.
В действителност трябва да вземете това предвид и налягането ще бъде с 20...40% по-малко в зависимост от вида на повърхността, скоростта на изпомпване и т.н.

Сега няколко думи за механичните вакуумметри.
Тези устройства показват остатъчно налягане в диапазона от 0,05...1 atm.
Тоест няма да показва по-дълбок вакуум (винаги ще показва „0“). Например във всяка вакуумна помпа с ротационни лопатки, след достигане на нейния максимален вакуум, механичният вакуумметър винаги ще показва „0“. Ако е необходимо визуално показване на стойностите на остатъчното налягане, тогава трябва да инсталирате електронен вакуумметър, например VG-64.

Често при нас идват клиенти, които формоват части под вакуум (например части, изработени от композитни материали: въглеродни влакна, фибростъкло и др.), Това е необходимо, така че по време на формоването газът да излиза от свързващото вещество (смола) и по този начин да подобрява свойствата на крайният продукт, както и частта се притиска към матрицата с филм, от който се изпомпва въздух.
Възниква въпросът каква вакуумна помпа да използвам - едностепенна или двустепенна?
Те обикновено смятат, че тъй като вакуумът на двустепенния е по-висок, частите ще бъдат по-добри.

Вакуумът за едностъпална помпа е 20 Pa, за двустепенна помпа е 2 Pa. Изглежда, че тъй като разликата в налягането е 10 пъти, тогава частта ще бъде натисната много по-силно.
Но наистина ли е така?

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
Това означава, че разликата в налягането на филма при вакуум от 20 Pa и 2 Pa ще бъде 0,00018 kg/cm2 (ако не ви мързи, можете сами да направите изчисленията).

Тоест на практика няма да има разлика, защото... увеличаването на силата на затягане от 0,18 g няма да промени времето.

Как да изчислим колко време ще отнеме на вакуумната помпа да изпомпва вакуумна камера?
За разлика от течностите, газовете заемат целия наличен обем и ако вакуумната помпа е изпомпала половината от въздуха във вакуумната камера, останалият въздух ще се разшири отново и ще заеме целия обем.
По-долу е формулата за изчисляване на този параметър.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Където

t е времето (в часове), необходимо за изпомпване на вакуумния обем от налягане p1 до налягане p2
V - обем на изпомпвания резервоар, m3
S - скорост на работа на вакуумната помпа, m3/час
p1 - ​​първоначално налягане в изпомпвания контейнер, mbar
p2 - крайно налягане в изпомпвания резервоар, mbar
ln - натурален логаритъм

F - коефициент на корекция, зависи от крайното налягане в резервоара p2:
- p2 от 1000 до 250 mbar F=1
- p2 от 250 до 100 mbar F=1,5
- p2 от 100 до 50 mbar F=1,75
- p2 от 50 до 20 mbar F=2
- p2 от 20 до 5 mbar F=2,5
- p2 от 5 до 1 mbar F=3

С две думи това е.
Надяваме се, че тази информация ще помогне на някой да направи правилния избор на вакуумно оборудване и да покаже знанията си на чаша бира...

По обем идеалният вакуум е недостижим на практика, тъй като при крайна температура всички материали имат ненулева плътност на наситените пари. В допълнение, много материали (по-специално дебел метал, стъкло и други стени на съдове) позволяват преминаването на газовете. IN микроскопиченобеми, но постигането на идеален вакуум е принципно възможно.

Високият вакуум в микроскопичните пори на някои кристали и в ултратънките капиляри се постига още при атмосферно налягане, тъй като диаметърът на порите/капилярите става по-малък от свободния път на молекулата, който е равен на ~60 нанометра във въздух при нормални условия .

Струва си да се отбележи, че дори в перфектен вакуум при крайна температура винаги има малко топлинно излъчване (газ от фотони). По този начин тяло, поставено в идеален вакуум, рано или късно ще влезе в топлинно равновесие със стените на вакуумната камера поради обмена на топлинни фотони.

Вакуумът е добър топлоизолатор; Преносът на топлинна енергия в него се извършва само поради топлинно излъчване, конвекцията и топлопроводимостта са изключени. Това свойство се използва за топлоизолация в термоси (дюарови колби), състоящи се от контейнер с двойни стени, пространството между които е вакуумирано.

Вакуумът се използва широко в електрически вакуумни устройства - радиолампи (например магнетрони на микровълнови печки), електронно-лъчеви тръби и др.

Физически вакуум

В квантовата физика физическият вакуум се разбира като най-ниското (основно) енергийно състояние на квантовано поле, което има нулев импулс, ъглов импулс и други квантови числа. Освен това такова състояние не отговаря непременно на празнотата: полето в най-ниското състояние може да бъде например полето на квазичастиците в твърдо тяло или дори в ядрото на атом, където плътността е изключително висока. Физически вакуум също се нарича пространство, напълно лишено от материя, изпълнено с поле в това състояние. Това състояние не е абсолютна празнота. Квантовата теория на полето твърди, че в съответствие с принципа на неопределеността виртуалните частици постоянно се раждат и изчезват във физическия вакуум: възникват така наречените трептения на полето с нулева точка. В някои специфични теории на полето, вакуумът може да има нетривиални топологични свойства. На теория могат да съществуват няколко различни вакуума, които се различават по енергийна плътност или други физически параметри (в зависимост от използваните хипотези и теории). Израждането на вакуума при спонтанно нарушаване на симетрията води до съществуването на непрекъснат спектър от вакуумни състояния, различаващи се едно от друго по броя на бозоните на Голдстоун. Местните енергийни минимуми при различни стойности на всяко поле, различаващи се по енергия от глобалния минимум, се наричат ​​фалшив вакуум; такива състояния са метастабилни и са склонни да се разпадат с освобождаването на енергия, преминавайки в истински вакуум или в един от основните фалшиви вакууми.

Някои от тези прогнози на теорията на полето вече са успешно потвърдени чрез експеримент. По този начин ефектът на Казимир и изместването на Ламб на атомните нива се обясняват с нулеви колебания на електромагнитното поле във физическия вакуум. Съвременните физични теории се основават на някои други идеи за вакуума. Например съществуването на множество вакуумни състояния (фалшивият вакуум, споменат по-горе) е една от основните основи на инфлационната теория за Големия взрив.

Фалшив вакуум

Фалшив вакуум- състояние в квантовата теория на полето, което не е състояние с глобално минимална енергия, а съответства на нейния локален минимум. Това състояние е стабилно за определено време (метастабилно), но може да „тунелира“ в състояние на истински вакуум.

Вакуумът на Айнщайн

Вакуумът на Айнщайн- понякога използвано име за решения на уравненията на Айнщайн в общата теория на относителността за празно пространство-време без материя. Синоним - Пространството на Айнщайн.

Уравненията на Айнщайн свързват метриката пространство-време (метричен тензор жμν ) с тензора енергия-импулс. Като цяло те се пишат като

където е тензорът на Айнщайн Жμν е определена функция на метричния тензор и неговите частни производни, Р- скаларна кривина, Λ - космологична константа, Tμν - тензор енергия-импулс на материята, π - числото pi, ° С- скоростта на светлината във вакуум, Ж- Гравитационна константа на Нютон.

Вакуумните решения на тези уравнения се получават в отсъствието на материя, тоест когато тензорът енергия-импулс в разглежданата област на пространство-времето е идентично равен на нула: Tμν = 0 . Често ламбда членът също се приема за нула, особено когато се изучават локални (некосмологични) решения. Въпреки това, когато се разглеждат вакуумни решения с ненулев ламбда член ( ламбда вакуум) възникват такива важни космологични модели като модела на Де Ситер (Λ > 0) и модела анти-Де Ситер (Λ< 0 ).

Тривиалното вакуумно решение на уравненията на Айнщайн е плоското пространство на Минковски, т.е. метриката, разглеждана в специалната теория на относителността.

Други вакуумни решения на уравненията на Айнщайн включват, но не се ограничават до следните случаи:

• Космологичен модел на Милн (специален случай на метриката на Фридман с нулева енергийна плътност)
• Метрика на Шварцшилд, описваща геометрията около сферично симетрична маса
• Метрика на Кер, описваща геометрията около въртяща се маса
• Плоска гравитационна вълна (и други вълнови решения)

Пространство

Космическото пространство има много ниска плътност и налягане и е най-доброто приближение на физическия вакуум. Но вакуумът на космоса не е наистина съвършен; дори в междузвездното пространство има няколко водородни атома на кубичен сантиметър.

Звездите, планетите и спътниците държат своите атмосфери заедно чрез гравитация и като такава атмосферата няма ясно дефинирана граница: плътността на атмосферния газ просто намалява с разстоянието от обекта. Атмосферното налягане на Земята пада до около 3,2 × 10−2 Pa на 100 km надморска височина - на така наречената линия на Карман, която е общата дефиниция на границата с космическото пространство. Отвъд тази линия изотропното налягане на газа бързо става незначително в сравнение с радиационното налягане от Слънцето и динамичното налягане на слънчевия вятър, така че определянето на налягането става трудно за тълкуване. Термосферата в този диапазон има големи градиенти на налягане, температура и състав и е силно променлива поради космическото време.

Атмосферната плътност през първите няколкостотин километра над линията на Карман все още е достатъчна, за да осигури значително съпротивление на движението на изкуствените спътници на Земята. Повечето сателити работят в този регион, наречен ниска околоземна орбита, и трябва да задействат двигателите си на всеки няколко дни, за да поддържат стабилна орбита.

Космическото пространство е изпълнено с голям брой фотони, така нареченото космическо микровълново фоново лъчение, както и голям брой реликтови неутрино, които все още не могат да бъдат открити. Текущата температура на тези лъчения е около 3 K, или −270 °C.

История на изследването на вакуума

Идеята за вакуум (празнота) е била предмет на дебат още от времето на древногръцките и римските философи. Атомистите - Левкип (ок. 500 г. пр. н. е.), Демокрит (ок. 460-370 г. пр. н. е.), Епикур (341-270 г. пр. н. е.), Лукреций (ок. 99 -55 г. пр. н. е.) и техните последователи приемат, че всичко, което съществува, е атоми и празнота между тях и без вакуум не би имало движение, атомите не биха могли да се движат, ако няма празно пространство между тях. Стратон (ок. 270 г. пр. н. е.) и много философи в по-късни времена вярват, че празнотата може да бъде „твърда“ ( вакуум коацерватум) и „разпръснати“ (в пространствата между частиците на материята, вакуумно разсейване).

Вакуумната помпа на Герике беше значително подобрена от Робърт Бойл, което му позволи да проведе редица експерименти за изясняване на свойствата на вакуума и неговия ефект върху различни обекти. Бойл откри, че във вакуум малките животни умират, огньовете изгасват и димът се спуска надолу (и следователно е също толкова засегнат от гравитацията, колкото и другите тела). Бойл също установи, че издигането на течност в капилярите също се случва във вакуум и по този начин опроверга преобладаващото тогава мнение, че налягането на въздуха е замесено в това явление. Напротив, изтичането на течност през сифона във вакуум спря, което доказа, че това явление е причинено от атмосферното налягане. Той показа, че по време на химични реакции (като гасене на вар), както и при взаимно триене на тела във вакуум се отделя топлина.

Ефект върху хора и животни

Хората и животните, изложени на вакуум, губят съзнание за секунди и умират от хипоксия за минути, но тези симптоми обикновено не са подобни на тези, показани в популярната култура и медии. Намаляването на налягането понижава точката на кипене, при която кръвта и другите телесни течности трябва да кипят, но еластичното налягане на кръвоносните съдове не позволява на кръвта да достигне точката на кипене от 37 °C. Въпреки че кръвта не кипи, ефектът от образуването на газови мехурчета в нея и други телесни течности при ниско налягане, известен като ебулизъм (въздушен емфизем), е сериозен проблем. Газът може да надуе тялото до два пъти нормалния му размер, но тъканите са достатъчно еластични, за да предотвратят разкъсване. Отокът и ебулизмът могат да бъдат предотвратени чрез носене на специален летателен костюм. Астронавтите на совалките носеха специално еластично облекло, т.нар Височинен защитен костюм на екипажа(CAPS), който предотвратява ебулизъм при налягане над 2 kPa (15 mmHg). Бързото изпарение на водата охлажда кожата и лигавиците до 0 °C, особено в устата, но това не представлява голяма опасност.

Опитите с животни показват, че след 90 секунди престой на тялото във вакуум обикновено настъпва бързо и пълно възстановяване на тялото, но по-продължителният престой във вакуум е фатален и реанимацията е безсмислена. Има само ограничени данни за въздействието на вакуума върху хората (обикновено се е случвало при злополуки), но те са в съответствие с данните, получени от експерименти с животни. Крайниците могат да останат във вакуум много по-дълго, ако дишането не е нарушено. Робърт Бойл беше първият, който показа, че вакуумът е смъртоносен за малки животни през 1660 г.

Измерване

Степента на вакуум се определя от количеството вещество, останало в системата. Вакуумът се определя основно от абсолютното налягане, а пълното характеризиране изисква допълнителни параметри като температура и химичен състав. Един от най-важните параметри е средният свободен път (MFP) на остатъчните газове, който показва средното разстояние, което една частица изминава по време на своя свободен път от един сблъсък до следващия. Ако плътността на газа намалее, MFP се увеличава. MFP във въздуха при атмосферно налягане е много къс, около 70 nm, а при 100 mPa (~ 1 × 10−3 Torr) MFP на въздуха е около 100 mm. Свойствата на разредения газ се променят значително, когато средният свободен път стане сравним с размера на съда, в който се намира газът.

Вакуумът е разделен на диапазони според технологията, необходима за постигането или измерването му. Тези диапазони нямат общоприети дефиниции, но типичното разпределение изглежда така:

Приложение

Вакуумът е полезен за много процеси и се използва в различни устройства. За първи път за стоки за масова употреба, той беше използван в лампи с нажежаема жичка за защита на нажежаемата жичка от химическо разлагане. Химическата инертност на материалите, осигурена от вакуума, също е от полза за заваряване с електронен лъч, студено заваряване, вакуумно опаковане и вакуумно пържене. Свръхвисокият вакуум се използва при изследване на атомно чисти субстрати, тъй като само много висок вакуум поддържа повърхностите чисти на атомно ниво за доста дълго време (от минути до дни). Високият и свръхвисокият вакуум елиминира съпротивлението на въздуха, позволявайки на лъчите от частици да отлагат или отстраняват материали без замърсяване. Този принцип е в основата на химическото отлагане на пари, вакуумното отлагане и сухото ецване, които се използват в производството на полупроводникови и оптични покрития и в повърхностната химия. Намалената конвекция осигурява топлоизолация в термосите. Високият вакуум понижава точката на кипене на течността и насърчава нискотемпературното дегазиране, което се използва при сушене чрез замразяване, приготвяне на лепило, дестилация, металургия и вакуумно почистване. Електрическите свойства на вакуума правят възможни електронните микроскопи и вакуумните тръби, включително електронно-лъчевите тръби. Вакуумните прекъсвачи се използват в електрически разпределителни уредби. Вакуумното разграждане е от промишлено значение за производството на определени видове стомана или материали с висока чистота. Премахването на въздушното триене е полезно за съхранение на енергия на маховика и ултрацентрофугата.

Вакуумно задвижвани машини

Вакуумът обикновено се използва за производство на засмукване, което има още по-широк спектър от приложения. Парната машина на Newcomen използва вакуум вместо налягане, за да задвижи буталото. През 19-ти век вакуумът е бил използван за тяга на експерименталната пневматична железопътна линия на Isambard Brunel. Някога вакуумните спирачки са били широко използвани във влаковете в Обединеното кралство, но с изключение на историческите железници, те са заменени от въздушни спирачки.

Тази помпа за плитък кладенец намалява атмосферното налягане в собствената си камера. Атмосферният вакуум се разширява надолу в кладенеца и принуждава водата да тече нагоре по тръбата в помпата, за да изравни пониженото налягане. Помпите с наземна камера са ефективни само до дълбочина от около 9 метра, поради теглото на водния стълб, изравняващо атмосферното налягане.

Вакуумът във всмукателния колектор може да се използва за управление на спомагателно оборудване на превозни средства. Най-известното приложение е като вакуумен усилвател за увеличаване на спирачната мощност. Преди това вакуумът е бил използван във вакуумните задвижвания на чистачките на предното стъкло Autovac и горивните помпи. Някои инструменти на самолета (индикатор за положение и индикатор за посока) обикновено се управляват от вакуум, като застраховка срещу повреда на всички (електрически) инструменти, тъй като ранните самолети често не са имали електрически системи и тъй като има два леснодостъпни източника на вакуум на движещ се самолет, двигателят и тръбата на Вентури. Вакуумното индукционно топене използва електромагнитна индукция във вакуум.

Поддържането на вакуум в кондензатора е важно за ефективната работа на парните турбини. За тази цел се използва парен инжектор или помпа с течен пръстен. Нормалният вакуум, поддържан в обема на парите на кондензатора при изпускателната тръба на турбината (наричан също налягане на кондензатора на турбината), е в диапазона от 5 до 15 kPa, в зависимост от типа на кондензатора и условията на околната среда.

Дегазиране

Изпаряването и сублимацията във вакуум се нарича дегазиране. Всички материали, твърди или течни, се изпаряват леко (възниква обгазяване) и тяхното дегазиране е необходимо, когато вакуумното налягане падне под налягането на техните пари. Плаващите материали във вакуум имат същия ефект като изтичането и могат да ограничат постижимия вакуум. Продуктите от изпарението могат да кондензират върху близките по-хладни повърхности, което може да причини проблеми, ако покрият оптични инструменти или реагират с други материали. Това създава големи трудности при летене в космоса, където затъмнен телескоп или слънчева клетка може да провали скъпа операция.

Най-често срещаният отпадъчен продукт във вакуумните системи е водата, абсорбирана от материалите на камерата. Количеството му може да се намали чрез изсушаване или нагряване на камерата и премахване на абсорбиращите материали. Изпаряващата се вода може да кондензира в маслото на ротационните лопаткови помпи и драстично да намали тяхната работна скорост, ако не се използва устройство за газов баласт. Системите с висок вакуум трябва да се поддържат чисти и без органични вещества, за да се сведе до минимум отделянето на газове.

Системите със свръхвисок вакуум обикновено се отгряват, за предпочитане под вакуум, за да се увеличи временно изпарението на всички материали и да се изпарят. След като повечето от изпарените материали бъдат изпарени и отстранени, системата може да бъде охладена, за да се намали изпарението на материалите и да се минимизират остатъчните газови емисии по време на оперативна работа. Някои системи се охлаждат значително под стайна температура с помощта на течен азот, за да спрат напълно отделянето на остатъчен газ и в същото време да създадат ефекта на криогенно изпомпване на системата.

Изпомпване и атмосферно налягане

Газовете изобщо не могат да бъдат изтласкани, така че чрез засмукване не може да се създаде вакуум. Всмукването може да разпространи и разреди вакуума, позволявайки високо налягане да въведе газове в него, но вакуумът трябва да бъде създаден, преди да може да се извърши засмукване. Най-лесният начин да създадете изкуствен вакуум е да разширите обема на камерата. Например мускулът на диафрагмата разширява гръдната кухина, което води до увеличаване на белодробния капацитет. Това разширяване намалява налягането и създава нисък вакуум, който скоро се запълва с въздух, нагнетен от атмосферното налягане.

За да продължите да изпразвате камерата за неопределено време, без постоянно да използвате нейното разширение, нейното вакуумно отделение може да бъде затворено, прочистено, разширено отново и така нататък много пъти. Това е принципът на работа на обемните (газопреносни) помпи, като ръчната водна помпа. Вътре в помпата механизъм разширява малка запечатана кухина, за да създаде вакуум. Поради разликата в налягането, част от течността от камерата (или кладенеца, в нашия пример) се изтласква в малката кухина на помпата. След това кухината на помпата се запечатва срещу камерата, отваря се към атмосферата и се компресира до минималния си размер, изхвърляйки течността.

Горното обяснение е просто въведение в евакуацията и не е представително за набора от използвани помпи. Разработени са много варианти на обемни помпи и много дизайни на помпите се основават на коренно различни принципи. Импулсните трансферни помпи, които имат някои прилики с динамичните помпи, използвани при по-високо налягане, могат да осигурят много по-висококачествен вакуум от обемните помпи. Помпите за свързване на газ, способни да улавят газове в твърдо или абсорбирано състояние, често работят без движещи се части, без уплътнения и без вибрации. Нито една от тези помпи не е универсална; всеки тип има сериозни ограничения на приложението. Всеки изпитва затруднения при изпомпването на газове с ниска маса, особено водород, хелий и неон.

Вакуум(Английски) вакуум, Немски Вакуум, от лат. вакуум- празен) е полисемантичен физически термин, който в зависимост от контекста може да означава:

• Рядко състояние на газ. Такъв вакуум се нарича частично. Има висок, среден и нисък вакуум. Високосе нарича вакуум, при който свободният път на газовите молекули надвишава линейните размери на съда, съдържащ газа; ако свободният път на газовите молекули и линейните размери на съда са съизмерими стойности, тогава се нарича вакуум средно аритметичнои ако свободният път на газовите молекули е по-малък от линейните размери на съда - ниско.

• Идеализирана абстракция, пространство, в което няма никаква субстанция. Такъв вакуум се нарича идеален.
• Физическа система без частици и полеви кванти. Това е най-ниското състояние на квантовата система, в което нейната енергия е минимална, наречено вакуумно състояние. Съгласно принципа на неопределеността, за такъв вакуум определена част от физическите величини не могат да бъдат точно определени.

Частичният вакуум се използва широко в промишлеността с изобретяването на лампите с нажежаема жичка и вакуумните лампи в началото на 20 век. Значителен брой физически експерименти се провеждат във вакуум: липсата на въздух или атмосфера с различен състав позволява да се намалят нежеланите външни влияния върху обекта на изследване. Интересът към изследването на вакуума се увеличи след излизането на човека в космоса. Близкото и междупланетното пространство е много разреден газ, който може да се характеризира като вакуум.

Вакуумните изследвания започват със създаването на „Празнотата на Торичели“ (ru) от италианския физик Еванджелиста Торичели в средата на 17 век.

Технически вакуум

Техническинаречен частичен вакуум, образуван при земни условия. Наборът от инструменти, използвани в този случай, се нарича вакуумна технология. Основното място сред инструментите на вакуумната технология заемат помпи с различни конструкции и принципи на работа.

Основният инструмент за създаване нисък вакууме обемна помпа. Принципът на неговото действие е циклично да увеличава и намалява обема на газа в съда. По време на фазата на разширение, всмукване, газът в съда се разширява, за да запълни допълнителен обем, който след това се прекъсва и изхвърля.

Създаване ВисокоИ ултра висок вакууме сложен технически проблем. Когато във вакуумната камера има малко газови молекули, възникват проблеми, свързани със замърсяване на камерата с маслени молекули, недостатъчна плътност на уплътнението, обезгазяване на стените на съда и др.

За постигане на висок вакуум се използват дифузионни помпи. Принципът на работа на този тип помпа се основава на факта, че газовите молекули не дифундират срещу потока. Следователно дифузионните помпи използват струя за изтегляне на газови молекули от вакуумна камера.

Сифонните помпи ви позволяват да постигнете още по-високи вакууми. Тяхното действие може да се основава на различни физични и химични принципи: криогенните помпи използват ниска температура за кондензиране на газ в съд, в химическите помпи газовите молекули се свързват от химикали или се адсорбират върху повърхност, в йонизиращите помпи газът във вакуумна камера се йонизира. и извлечени с помощта на силни електрически полета.

Истинските вакуумни инсталации се състоят от комбинация от помпи от различни видове, всяка от които изпълнява своя собствена задача и работи при различна степен на разреждане на газа във вакуумната камера. Средствата на вакуумната технология включват и различни измервателни уреди, използвани за определяне на качеството на създадения вакуум.

Физически вакуум

Физически вакуумнаречена идеализирана концепция за пространство, в което няма частици. Невъзможно е да се постигне такова състояние експериментално; отделни атоми и йони съществуват дори в изключително разредено междугалактическо пространство. Абстрактното понятие за физически вакуум се използва например за дефиниране на скоростта на светлината като скоростта на разпространение на електромагнитното взаимодействие в празнота без частици.

Въпреки че може да изглежда, че празното пространство е най-простата физическа система, в действителност не е така. Развитието на квантовата механика показа, че вакуумът е сложен физически обект, чиито свойства все още не са напълно разбрани.

Първо, вакуум, вероятно изпълнен с нулеви колебания на електромагнитното поле. Квантите на електромагнитното поле са фотони, частици, принадлежащи към бозони. Вълновите функции на бозоните в ниско състояние не са нула. При квантуване на бозонното поле те се третират като хармонични осцилатори. В основното състояние бозоните имат не само ненулева вълнова функция, но и ненулева енергия. Така вакуумът се запълва с нулеви трептения на различни модове на електромагнитни и други бозонови полета с всички възможни вълнови вектори, посоки на разпространение и поляризации. Всеки от тези режими има енергия, където е обобщената константа на Планк, а? - циклична честота. Това поражда проблема с енергията на вакуума, тъй като има безкрайно много такива режими и общата енергия на вакуума трябва да бъде безкрайна. Физическите експерименти обаче, по-специално изместването на Ламб и ефектът на Казимир, показват, че нулевите колебания на електромагнитното поле са реалност и че могат да взаимодействат с други физически обекти.

Друга идея, която допълнително усложнява разбирането на вакуума, е свързана с уравнението на Дирак, което описва релативистка квантова частица, по-специално уравнението на Дирак за свободен електрон има четири решения, две от които с отрицателна енергия. Пол Дирак показа, че с помощта на операцията за конюгиране на заряда, тези отделяния могат да се интерпретират като отделяния с положителна енергия, но за частица с противоположен, положителен заряд, т.е. електронни античастици. Такава античастица е открита експериментално и е наречена позитрон.

Интерпретацията на Дирак е подобна на теорията на полупроводниците. Частиците, електроните, са подобни на електроните на проводимостта, докато античастиците, позитроните, са подобни на дупките, всички енергийни състояния с отрицателна енергия са запълнени позитронът съответства на незапълненото състояние.

Когато се разглеждат взаимодействията между частиците в квантовата електродинамика, често е необходимо да се вземе предвид възможността за образуване на виртуални двойки електрон-позитрон от вакуума.

Вакуум, област с изключително ниско налягане. Междузвездното пространство е висок вакуум със средна плътност по-малка от 1 молекула на кубичен сантиметър. Най-редкият вакуум, създаден от човека, е под 100 000 молекули на кубичен сантиметър. Смята се, че първият вакуум е създаден в живачния БАРОМЕТЪР от Еванджелиста Торичели. През 1650 г. немският физик Ото фон Герике (1602-86) изобретява първата вакуумна помпа. Вакуумът се използва широко в научните изследвания и индустрията. Пример за такова приложение е вакуумното опаковане на хранителни продукти. 22

В класическата физика се използва понятието празно пространство, тоест определена пространствена област, в която няма частици и полета. Такова празно пространство може да се счита за синоним на вакуума на класическата физика. Вакуумът в квантовата теория се определя като състояние с най-ниска енергия, в което отсъстват всички реални частици. Оказва се, че това състояние не е състояние без поле. Несъществуването като отсъствие както на частици, така и на полета е невъзможно. Във вакуум физическите процеси протичат с участието не на реални, а на краткотрайни (виртуални) полеви кванти. Във вакуум само средните стойности на физическите величини са нула: напрегнатост на полето, брой електрони и др. Самите тези стойности непрекъснато се колебаят (осцилират) около тези средни стойности. Причината за флуктуациите е квантово-механичната зависимост на неопределеността, според която неопределеността в стойността на енергията е толкова по-голяма, колкото по-кратко е времето на нейното измерване. 23

Физически вакуум

В момента във физиката се формира принципно ново направление на научните изследвания, свързано с изучаването на свойствата и възможностите на физическия вакуум. Това научно направление става доминиращо и в приложен аспект може да доведе до пробивни технологии в областта на енергетиката, електрониката и екологията. 24

За да разберем ролята и мястото на вакуума в настоящата картина на света, ще се опитаме да оценим как вакуумната материя и материята корелират в нашия свят.

В тази връзка интересни са разсъжденията на Я.Б. Зелдович. 25

„Вселената е огромна. Разстоянието от Земята до Слънцето е 150 милиона километра. Разстоянието от Слънчевата система до центъра на Галактиката е 2 милиарда пъти по-голямо от разстоянието от Земята до Слънцето. На свой ред размерът на наблюдаваната Вселена е милион пъти по-голям от разстоянието от Слънцето до центъра на нашата Галактика. И цялото това огромно пространство е изпълнено с невъобразимо голямо количество материя. 26

Масата на Земята е повече от 5,97·10 27 g. Това е толкова голяма стойност, че е трудно дори да се разбере. Масата на Слънцето е 333 хиляди пъти по-голяма. Само в наблюдаваната област на Вселената общата маса е около десет на 22-ра степен от масата на Слънцето. Цялата необятност на космоса и приказното количество материя в него удивлява въображението.” 27

От друга страна, атомът, който е част от твърдо тяло, е многократно по-малък от всеки познат ни обект, но многократно по-голям от ядрото, разположено в центъра на атома. Почти цялата материя на атома е концентрирана в ядрото. Ако увеличите атома така, че ядрото да има размер на маково семе, тогава размерът на атома ще се увеличи до няколко десетки метра. На разстояние десетки метри от ядрото ще има многократно увеличени електрони, които все още трудно се виждат с окото поради малкия им размер. И между електроните и ядрото ще остане огромно пространство, незапълнено с материя. Но това не е празно пространство, а специален вид материя, която физиците нарекоха физически вакуум. 28

Самата концепция за „физически вакуум“ се появи в науката като следствие от осъзнаването, че вакуумът не е празнота, не е „нищо“. Той представлява изключително значимо „нещо“, което ражда всичко в света и задава свойствата на субстанцията, от която е изграден околният свят. Оказва се, че дори вътре в солиден и масивен обект вакуумът заема неизмеримо повече пространство от материята. Така стигаме до извода, че материята е най-рядкото изключение в огромното пространство, изпълнено с субстанцията на вакуума. В газова среда подобна асиметрия е още по-изразена, да не говорим за космоса, където наличието на материя е по-скоро изключение, отколкото правило. Човек може да види колко изумително огромно е количеството вакуумна материя във Вселената в сравнение дори с баснословно голямото количество материя в нея. В момента учените вече знаят, че материята дължи своя произход на материалната субстанция на вакуума и всички свойства на материята се определят от свойствата на физическия вакуум. 29

Науката навлиза все по-дълбоко в същността на вакуума. Разкрива се фундаменталната роля на вакуума във формирането на законите на материалния свят. Вече не е изненадващо, че някои учени твърдят, че „всичко е от вакуум и всичко около нас е вакуум“. Физиката, след като направи пробив в описанието на същността на вакуума, постави условията за практическото му използване при решаването на много проблеми, включително енергийни и екологични проблеми. тридесет

Според изчисленията на Нобеловия лауреат Р. Файнман и Дж. Уилър енергийният потенциал на вакуума е толкова огромен, че „във вакуума, съдържащ се в обема на обикновена електрическа крушка, има толкова голямо количество енергия, че би било достатъчно, за да заври всички океани на Земята. Въпреки това, досега традиционната схема за получаване на енергия от материята остава не само доминираща, но дори се смята за единствено възможна. Околната среда все още упорито продължава да се разбира като материя, от която има толкова малко, забравяйки за вакуума, от който има толкова много. Именно този стар „материален” подход е довел до факта, че човечеството, буквално плуващо в енергия, изпитва енергиен глад. 31

Новият "вакуумен" подход изхожда от факта, че околното пространство, физически вакуум, е неразделна част от системата за преобразуване на енергия. В същото време възможността за получаване на вакуумна енергия намира естествено обяснение, без да се отклонява от физичните закони. Открива се път за създаване на енергийни централи със свръхенергиен баланс, при който получената енергия надвишава енергията, изразходвана от първичния енергиен източник. Енергийните инсталации със свръхенергиен баланс ще могат да отворят достъп до огромната вакуумна енергия, съхранявана от самата природа. 32

Какво стана вакуум? На този въпрос обикновено се отговаря: „пространство с разреден въздух“ или „пространство в съд, от който е изпомпван въздух“. Но дали всяка степен на разреждане е вакуум и има ли вакуум връзка с това?

Някои предпоставки за емпиричното изследване на вакуума са съществували още в древността. Древногръцката механика създава различни технически устройства, базирани на разреждане на въздуха. Например водните помпи, работещи чрез създаване на вакуум под бутало, са били известни още по времето на Аристотел. Емпиричното изследване на вакуума започва едва през 17 век, с края на Ренесанса и началото на научната революция на новото време. По това време отдавна е известно, че смукателните помпи могат да повдигат вода на височина не повече от 10 метра.

На практика силно разреденият газ се нарича технически вакуум. В макроскопични обеми идеалният вакуум е непостижим на практика, тъй като при крайна температура всички материали имат ненулева плътност на наситените пари. В допълнение, много материали (включително дебел метал, стъкло и други стени на съдове) позволяват преминаването на газовете. В микроскопични обеми обаче постигането на идеален вакуум е принципно възможно.

Строго погледнато, техническият вакуум е газ в съд или тръбопровод с налягане, по-ниско от това в околната атмосфера. Обикновено между атмосферния въздух и високовакуумната помпа има така наречената форвакуумна помпа, създаваща предварителен вакуум, поради което ниският вакуум често се нарича форвакуум. С по-нататъшно намаляване на налягането в камерата средният свободен път на газовите молекули се увеличава. В този случай газовите молекули се сблъскват със стени много по-често, отколкото една с друга. В този случай се говори за висок вакуум. Високият вакуум в микроскопичните пори на някои кристали се постига още при атмосферно налягане, тъй като диаметърът на порите е много по-малък от свободния път на молекулата.

Космическото пространство има много ниска плътност и налягане и е най-близкото приближение на физическия вакуум. Но вакуумът на космоса не е наистина съвършен; дори в междузвездното пространство има няколко водородни атома на кубичен сантиметър.

Наистина, нека приемем, че въздухът в цилиндъра е разреден 10 000 пъти в сравнение с неговата плътност при нормално атмосферно налягане, т.е. налягането вътре в цилиндъра е 0,076 mm. rt. Изкуство.

Ще има ли вакуум в цилиндъра? И можем ли да продължим да приемаме, че има вакуум в цилиндъра, ако този цилиндър се издигне на височина 100 km над повърхността на земята, където налягането на въздуха е само 0,007 mm. rt. Изкуство. Наистина, в този случай плътността на въздуха вътре в цилиндъра ще стане 10 пъти по-голяма от външната! Тогава къде ще е вакуума - вътре в цилиндъра или отвън?

Съвременната физика свързва вакуума не с размера на налягането извън или вътре в съда, а със свободния път на газовите молекули вътре в него. Газовите молекули са в непрекъснато хаотично топлинно движение; при стайна температура скоростта на топлинно движение на молекулите на въздуха е приблизително 450 m/s, т.е. тя се доближава до скоростта. Движейки се във всички посоки, молекулите непрекъснато се сблъскват една с друга. Колкото по-плътен е въздухът, толкова повече молекули има в единица обем и толкова по-често молекулите се сблъскват.

Ако въздухът е по-рядък, молекулите ще се сблъскват по-рядко. Средно те ще трябва да изминат по-дълго разстояние между два сблъсъка, което се нарича среден свободен път.

От физическа гледна точка, вакуумът е разреждане, при което средният свободен път е средно по-голям от размера на съда. Когато сблъсъците на молекули във вакуумен съд са редки, повечето от молекулите при движението си от едната стена на съда към другата няма да срещнат други молекули.

Вакуумът е добър топлоизолатор; Преносът на топлинна енергия в него се извършва само поради топлинно излъчване, конвекцията и топлопроводимостта са изключени. Това свойство се използва за топлоизолация в термоси, състоящи се от контейнер с двойни стени, пространството между които е вакуумирано.