Tyhjiöarvo. Mikä on fyysinen tyhjiö? Eetterin käsitteen teoreettinen perustelu

Hyvin usein meille tulee ihmisiä, jotka haluavat ostaa tyhjiöpumpun, mutta heillä ei ole aavistustakaan mitä tyhjiö on.
Yritetään selvittää, mikä se on.

Määritelmän mukaan tyhjiö on aineesta vapaa tila (latinan sanasta "vacuus" - tyhjä).
Tyhjiöllä on useita määritelmiä: tekninen tyhjiö, fyysinen tyhjiö, kosminen tyhjiö jne.
Tarkastellaan teknistä tyhjiötä, joka määritellään erittäin harvinaiseksi kaasuksi.

Katsotaanpa esimerkkiä siitä, mitä tyhjiö on ja miten se mitataan.
Planeetallamme ilmakehän paine otetaan yhdeksi (yhdeksi ilmakehäksi). Se vaihtelee säästä, korkeudesta ja merenpinnasta riippuen, mutta emme ota tätä huomioon, koska se ei vaikuta millään tavalla tyhjiön käsitteen ymmärtämiseen.
Joten meillä on paine maan pinnalla, joka on yhtä suuri kuin 1 ilmakehä. Kaikkea alle 1 ilmakehän (suljetussa astiassa) kutsutaan tekniseksi tyhjiöksi.

Otetaan astia ja suljetaan se ilmatiiviillä kannella. Paine astiassa on 1 ilmakehä. Jos alamme pumpata ilmaa ulos astiasta, siihen syntyy tyhjiö, jota kutsutaan tyhjiöksi.
Katsotaanpa esimerkkiä: vasemmassa aluksessa on 10 ympyrää. Olkoon se 1 tunnelma.
Pumppaa ulos puolikas - saamme 0,5 atm, jätä yksi - saamme 0,1 atm.

Koska astiassa on vain yksi ilmakehä, suurin mahdollinen alipaine, jonka voimme saada (teoreettisesti), on nolla ilmakehää.
"Teoreettisesti" - koska Kaikkia ilmamolekyylejä on lähes mahdotonta saada aluksesta kiinni.
Siksi jokaiseen astiaan, josta ilmaa (kaasua) on pumpattu ulos, jää aina jonkin verran vähimmäismäärää sitä jäljellä. Tätä kutsutaan "jäännöspaineeksi", toisin sanoen paineeksi, joka säilyy astiassa sen jälkeen, kun kaasut on pumpattu pois siitä.
On olemassa erikoispumppuja, jotka voivat saavuttaa jopa 0,00001 Pa:n syvätyhjiön, mutta eivät silti nollaan.
Normaalissa elämässä vaaditaan harvoin yli 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm) syvempi tyhjiö.

Tyhjiön mittaamiseen on useita vaihtoehtoja vertailupisteen valinnasta riippuen:
1. Laitteen katsotaan olevan ilmakehän paine. Kaikki alle yhden on tyhjiötä.
Eli tyhjiömittarin asteikko on 1 - 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. Ilmanpaine on nolla. Eli tyhjiö - kaikki negatiiviset luvut ovat pienempiä kuin 0 ja enintään -1.
Eli tyhjiömittarin asteikko on 0 - -1 (0, -0,1...-0,2...., -0,9,...-1).
Myös asteikot voivat olla kPa, mBar, mutta tämä kaikki on samanlaista kuin ilmakehän asteikot.

Kuvassa alipainemittarit eri asteikoilla, jotka näyttävät saman tyhjiön:

Kaiken edellä sanotun perusteella on selvää, että tyhjiön suuruus ei voi olla suurempi kuin ilmakehän paine.

Melkein päivittäin ottavat meihin yhteyttä, jotka haluavat saada -2, -3 atm alipaineen jne.
Ja he ovat hyvin yllättyneitä, kun he huomaavat, että tämä on mahdotonta (muuten, joka toinen heistä sanoo, että "et itse tiedä mitään", "mutta niin on naapurisi kanssa" jne. jne.)

Itse asiassa kaikki nämä ihmiset haluavat muovata osia tyhjiössä, mutta niin, että osaan kohdistuva paine on yli 1 kg/cm2 (1 ilmakehä).
Tämä voidaan saavuttaa peittämällä tuote kalvolla, pumppaamalla ilma sen alta (tässä tapauksessa syntyvästä tyhjiöstä riippuen maksimipaine on 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), ja sitten laita se kaikki autoklaaviin, jossa syntyy ylipainetta. Eli 2 kg/cm2 paineen luomiseksi riittää, että autoklaaviin luodaan 1 atm ylipaine.

Nyt muutama sana siitä, kuinka moni asiakas mittaa tyhjiötä Ampika Pumps LLC -näyttelyssä toimistollamme:
käynnistä pumppu, aseta sormesi (kämmen) tyhjiöpumpun imureikään ja tee heti johtopäätös tyhjiön suuruudesta.

Yleensä kaikki rakastavat vertailla Neuvostoliiton tyhjiöpumppua 2NVR-5DM ja sen analogista VE-2100, jota tarjoamme.
Tällaisen tarkistuksen jälkeen he sanovat aina saman asian - 2NVR-5DM:n tyhjiö on korkeampi (vaikka itse asiassa molemmat pumput tuottavat samat tyhjiöparametrit).

Mikä on syy tähän reaktioon? Ja kuten aina - fysiikan lakien ja ylipäätään paineen puutteessa.

Hieman koulutustaustaa: paine "P" on voima, joka vaikuttaa tiettyyn pinta-alaan, joka on suunnattu kohtisuoraan tätä pintaa vastaan ​​(voiman "F" suhde pinta-alaan "S"), eli P = F/ S.
Yksinkertaisesti sanottuna se on pinta-alalle jakautunut voima.
Tästä kaavasta voidaan nähdä, että mitä suurempi pinta-ala, sitä pienempi paine on. Ja myös voima, joka tarvitaan käden tai sormen nostamiseen pumpun tuloaukosta, on suoraan verrannollinen pinta-alaan (F=P*S).
2NVR-5DM tyhjiöpumpun imuaukon halkaisija on 25 mm (pinta-ala 78,5 mm2).
VE-2100 tyhjiöpumpun imuaukon halkaisija on 6 mm (pinta-ala 18,8 mm2).
Eli käden nostamiseen reiästä, jonka halkaisija on 25 mm, tarvitaan 4,2 kertaa suurempi voima kuin halkaisijaltaan 6 mm (samalla paineella).
Tästä syystä, kun tyhjiöä mitataan sormilla, syntyy tällainen paradoksi.
Paine "P" lasketaan tässä tapauksessa ilmanpaineen ja astian jäännöspaineen (eli pumpun tyhjiön) välisenä erona.

Kuinka laskea voima, joka painaa osaa pintaa vasten?
Erittäin yksinkertainen. Voit käyttää yllä annettua kaavaa, mutta yritetään selittää se yksinkertaisemmin.
Oletetaan esimerkiksi, että sinun on selvitettävä, millä voimalla 10x10 cm:n osaa voidaan puristaa, kun sen alle syntyy tyhjiö VVN 1-0,75 pumpulla.

Otamme jäännöspaineen, jonka tämä BBH-sarjan alipainepumppu luo.
Erityisesti tälle vesirengaspumpulle VVN 1-0,75 se on 0,4 atm.
1 ilmakehä vastaa 1 kg/cm2.
Osan pinta-ala on 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Eli jos luot maksimityhjiön (eli osan paine on 1 atm), osaa puristetaan 100 kg:n voimalla.
Koska meillä on 0,4 atm tyhjiö, paine on 0,4x100 = 40 kg.
Mutta tämä on teoriassa ihanteellisissa olosuhteissa, jos ei ole ilmavuotoa jne.
Todellisuudessa sinun on otettava tämä huomioon ja paine on 20...40% pienempi riippuen pintatyypistä, pumppausnopeudesta jne.

Nyt muutama sana mekaanisista tyhjiömittareista.
Nämä laitteet osoittavat jäännöspainetta alueella 0,05...1 atm.
Eli se ei näytä syvempää tyhjiötä (näyttää aina "0"). Esimerkiksi missä tahansa pyörivässä siipipumpussa, kun sen maksimityhjiö on saavutettu, mekaaninen alipainemittari näyttää aina "0". Jos vaaditaan visuaalinen näyttö jäännöspainearvoista, sinun on asennettava elektroninen tyhjiömittari, esimerkiksi VG-64.

Usein meille tulee asiakkaita, jotka muovaavat osia tyhjiössä (esim. komposiittimateriaaleista valmistetut osat: hiilikuitu, lasikuitu jne.), tämä on välttämätöntä, jotta valun aikana kaasua pääsee poistumaan sideaineesta (hartsista) ja siten parantamaan osien ominaisuuksia. valmis tuote sekä osa puristettiin muottiin kalvolla, jonka alta ilma pumpattiin pois.
Herää kysymys: mitä tyhjiöpumppua käyttää - yksivaiheista vai kaksivaiheista?
He yleensä ajattelevat, että koska kaksivaiheisen tyhjiö on suurempi, osat ovat parempia.

Yksivaiheisen pumpun alipaine on 20 Pa, kaksivaiheisen pumpun 2 Pa. Näyttää siltä, ​​että koska paine-ero on 10-kertainen, osa puristuu paljon vahvemmin.
Mutta onko asia todella näin?

1 atm = 100 000 Pa = 1 kg/cm2.
Tämä tarkoittaa, että kalvon paineen ero 20 Pa:n ja 2 Pa:n tyhjiössä on 0,00018 kg/cm2 (jos et ole liian laiska, voit tehdä laskelmat itse).

Eli käytännössä eroa ei tule olemaan, koska... 0,18 g:n lisäys puristusvoimassa ei muuta säätä.

Kuinka laskea kuinka kauan tyhjiöpumpulla kestää tyhjentää tyhjiökammio?
Toisin kuin nesteet, kaasut täyttävät koko käytettävissä olevan tilavuuden, ja jos tyhjiöpumppu on pumpannut puolet tyhjiökammion ilmasta, jäljellä oleva ilma laajenee jälleen ja vie koko tilavuuden.
Alla on kaava tämän parametrin laskemiseksi.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Missä

t on aika (tunteina), joka tarvitaan tyhjiötilavuuden pumppaamiseen paineesta p1 paineeseen p2
V - pumpatun säiliön tilavuus, m3
S - tyhjiöpumpun toimintanopeus, m3/tunti
p1 - ​​alkupaine pumpatussa säiliössä, mbar
p2 - lopullinen paine pumpatussa säiliössä, mbar
ln - luonnollinen logaritmi

F - korjauskerroin, riippuu säiliön lopullisesta paineesta p2:
- p2 1000 - 250 mbar F=1
- p2 250 - 100 mbar F = 1,5
- p2 100 - 50 mbar F = 1,75
- p2 50 - 20 mbar F=2
- p2 20 - 5 mbar F = 2,5
- p2 5 - 1 mbar F=3

Lyhyesti sanottuna se on siinä.
Toivomme näiden tietojen auttavan jotakuta tekemään oikean valinnan tyhjiölaitteistosta ja esittelemään tietämystään olutlasillisen ääressä...

Tilavuudeltaan ihanteellinen tyhjiö on käytännössä saavuttamaton, koska äärellisessä lämpötilassa kaikilla materiaaleilla on nollasta poikkeava tyydyttyneen höyryn tiheys. Lisäksi monet materiaalit (erityisesti paksut metallit, lasit ja muut astian seinämät) päästävät kaasuja läpi. SISÄÄN mikroskooppinen tilavuuksia, ihanteellisen tyhjiön saavuttaminen on kuitenkin periaatteessa mahdollista.

Korkea tyhjiö joidenkin kiteiden mikroskooppisissa huokosissa ja ultraohuissa kapillaareissa saavutetaan jo ilmakehän paineessa, koska huokosen/kapillaarin halkaisija tulee pienemmäksi kuin molekyylin vapaa reitti, joka on noin 60 nanometriä ilmassa normaaleissa olosuhteissa. .

On syytä huomata, että jopa täydellisessä tyhjiössä äärellisessä lämpötilassa on aina jonkin verran lämpösäteilyä (fotonikaasua). Siten ideaaliseen tyhjiöön sijoitettu kappale tulee ennemmin tai myöhemmin lämpötasapainoon tyhjökammion seinien kanssa lämpöfotonien vaihdon vuoksi.

Tyhjiö on hyvä lämmöneriste; Lämpöenergian siirtyminen siinä tapahtuu vain lämpösäteilyn vuoksi, konvektio ja lämmönjohtavuus jätetään pois. Tätä ominaisuutta käytetään lämpöeristykseen termosissa (Dewar-pulloissa), jotka koostuvat kaksiseinäisestä säiliöstä, jonka välinen tila tyhjennetään.

Tyhjiötä käytetään laajalti sähköisissä alipainelaitteissa - radioputkissa (esimerkiksi mikroaaltouunien magnetroneissa), katodisädeputkissa jne.

Fyysinen tyhjiö

Kvanttifysiikassa fysikaalisella tyhjiöllä tarkoitetaan kvantisoidun kentän alhaisinta (maa)energiatilaa, jolla on nolla liikemäärä, kulmaliikemäärä ja muita kvanttilukuja. Lisäksi tällainen tila ei välttämättä vastaa tyhjyyttä: alimmassa tilassa oleva kenttä voi olla esimerkiksi kvasihiukkasten kenttä kiinteässä tilassa tai jopa atomin ytimessä, jossa tiheys on erittäin korkea. Fysikaalista tyhjiötä kutsutaan myös tilaksi, jossa ei ole lainkaan ainetta ja joka on täytetty tässä tilassa olevalla kentällä. Tämä tila ei ole absoluuttista tyhjyyttä. Kvanttikenttäteoria väittää, että epävarmuusperiaatteen mukaisesti virtuaalisia hiukkasia syntyy ja katoaa jatkuvasti fysikaalisessa tyhjiössä: tapahtuu ns. nollapistekentän värähtelyjä. Joissakin erityisissä kenttäteorioissa tyhjöllä voi olla ei-triviaaleja topologisia ominaisuuksia. Teoriassa voi olla useita erilaisia ​​tyhjiöitä, jotka eroavat toisistaan ​​energiatiheyden tai muiden fysikaalisten parametrien suhteen (käytetyistä hypoteeseista ja teorioista riippuen). Tyhjiön rappeutuminen spontaanin symmetrian murtumisen aikana johtaa jatkuvaan tyhjiötilojen spektriin, jotka eroavat toisistaan ​​Goldstonen bosonien lukumäärän suhteen. Paikallisia energiaminimejä minkä tahansa kentän eri arvoilla, jotka eroavat energialtaan globaalista minimistä, kutsutaan vääriksi tyhjöksi; tällaiset tilat ovat metastabiileja ja pyrkivät rappeutumaan energian vapautuessa siirtyen todelliseen tyhjiöön tai johonkin taustalla olevista vääristä tyhjiöistä.

Jotkut näistä kenttäteoriaennusteista on jo onnistuneesti vahvistettu kokeella. Siten Casimir-ilmiö ja atomitasojen Lamb-siirtymä selittyvät sähkömagneettisen kentän nollapistevärähtelyillä fysikaalisessa tyhjiössä. Nykyaikaiset fysikaaliset teoriat perustuvat joihinkin muihin tyhjiötä koskeviin käsityksiin. Esimerkiksi useiden tyhjiötilojen olemassaolo (yllä mainittu väärä tyhjiö) on yksi alkuräjähdyksen inflaatioteorian tärkeimmistä perusteista.

Väärä tyhjiö

Väärä tyhjiö- kvanttikenttäteorian tila, joka ei ole tila, jolla on globaalisti minimaalinen energia, vaan joka vastaa sen paikallista minimiä. Tämä tila on vakaa tietyn ajan (metastabiili), mutta voi "tunneloida" todellisen tyhjiön tilaan.

Einsteinin tyhjiö

Einsteinin tyhjiö- joskus käytetty nimi Einsteinin yhtälöiden ratkaisuille yleisen suhteellisuusteoriassa tyhjälle, aineettomalle aika-ajalle. Synonyymi - Einsteinin avaruus.

Einsteinin yhtälöt liittyvät aika-avaruusmetriikkaan (metrinen tensori gμν ) energia-momenttitensorin kanssa. Yleensä ne kirjoitetaan seuraavasti

missä on Einsteinin tensori Gμν on metrisen tensorin ja sen osittaisderivaatojen määrätty funktio, R- skalaarikaarevuus, Λ - kosmologinen vakio, Tμν - aineen energia-momenttitensori, π - luku pi, c- valon nopeus tyhjiössä, G- Newtonin gravitaatiovakio.

Näiden yhtälöiden tyhjiöratkaisut saadaan ilman ainetta, toisin sanoen kun energia-momenttitensori tarkasteltavalla aika-avaruusalueella on identtisesti nolla: Tμν = 0. Usein lambda-termi otetaan myös nollaksi, varsinkin kun tutkitaan paikallisia (ei-kosmologisia) ratkaisuja. Kuitenkin, kun harkitaan tyhjiöratkaisuja, joiden lambda-termi ei ole nolla ( lambda tyhjiö) syntyy sellaisia ​​tärkeitä kosmologisia malleja kuin De Sitter -malli (Λ > 0) ja anti-De Sitter -malli (Λ< 0 ).

Einsteinin yhtälöiden triviaali tyhjiöratkaisu on tasainen Minkowski-avaruus, eli erikoissuhteellisuusteoriassa tarkasteltu metriikka.

Muita Einsteinin yhtälöiden tyhjiöratkaisuja ovat, mutta niihin rajoittumatta, seuraavat tapaukset:

• Milnen kosmologinen malli (erityistapaus Friedmann-metriikasta nollaenergiatiheydellä)
• Schwarzschildin metriikka, joka kuvaa geometriaa pallosymmetrisen massan ympärillä
• Kerr-metriikka, joka kuvaa pyörivän massan ympärillä olevaa geometriaa
• Tasogravitaatioaalto (ja muut aaltoratkaisut)

Avaruus

Ulkoavaruuden tiheys ja paine on erittäin alhainen, ja se on fysikaalisen tyhjiön paras likiarvo. Mutta avaruuden tyhjiö ei ole todella täydellinen, edes tähtienvälisessä avaruudessa on muutama vetyatomi kuutiosenttimetriä kohden.

Tähdet, planeetat ja satelliitit pitävät ilmakehänsä koossa painovoiman vaikutuksesta, eikä ilmakehällä ole selkeästi määriteltyä rajaa: ilmakehän kaasun tiheys yksinkertaisesti pienenee etäisyyden mukaan kohteesta. Maan ilmanpaine laskee noin 3,2 × 10–2 Pa:iin 100 km:n korkeudessa – niin sanotulla Kármán-linjalla, joka on ulkoavaruuden rajan yleinen määritelmä. Tämän linjan ulkopuolella kaasun isotrooppinen paine muuttuu nopeasti merkityksettömäksi verrattuna Auringon säteilypaineeseen ja aurinkotuulen dynaamiseen paineeseen, joten paineen määritys tulee vaikeaksi tulkita. Tämän alueen termosfäärissä on suuret paineen, lämpötilan ja koostumuksen gradientit, ja se vaihtelee suuresti avaruuden sään vuoksi.

Ilmakehän tiheys muutaman sadan kilometrin aikana Karman-linjan yläpuolella on edelleen riittävä tarjoamaan merkittävää vastusta keinotekoisten maasatelliittien liikkeelle. Useimmat satelliitit toimivat tällä alueella, jota kutsutaan matalaksi maapalloksi, ja niiden on käynnistettävä moottorinsa muutaman päivän välein säilyttääkseen vakaan kiertoradan.

Ulkoavaruus on täynnä suuria määriä fotoneja, niin sanottua kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, sekä suuri määrä jäännösneutriinoja, joita ei ole vielä havaittavissa. Näiden säteilyn nykyinen lämpötila on noin 3 K eli −270 °C.

Tyhjiötutkimuksen historia

Ajatus tyhjiöstä (tyhjyydestä) on ollut keskustelun aihe muinaisten kreikkalaisten ja roomalaisten filosofien ajoista lähtien. Atomistit - Leukippos (n. 500 eKr.), Demokritos (n. 460-370 eKr.), Epikuros (341-270 eKr.), Lucretius (n. 99-55 eKr.) ja heidän seuraajansa olettivat, että kaikki olemassa oleva on atomeja ja tyhjyyttä niiden välillä, ja ilman tyhjiötä ei olisi liikettä, atomit eivät voisi liikkua, jos niiden välillä ei olisi tyhjää tilaa. Strato (n. 270 eKr.) ja monet myöhempien aikojen filosofit uskoivat, että tyhjyys voisi olla "kiinteä" ( tyhjiö coacervatum) ja "hajallaan" (ainehiukkasten välisiin tiloihin, tyhjiö disseminatum).

Robert Boyle paransi Guericken tyhjiöpumppua merkittävästi, minkä ansiosta hän pystyi suorittamaan useita kokeita tyhjiön ominaisuuksien ja sen vaikutuksen eri esineisiin selvittämiseksi. Boyle havaitsi, että tyhjiössä pienet eläimet kuolevat, tuli sammuu ja savu laskee alas (ja siksi painovoima vaikuttaa niihin yhtä lailla kuin muihinkin kehoihin). Boyle havaitsi myös, että nesteen nousu kapillaareissa tapahtuu myös tyhjiössä, ja kumosi siten tuolloin vallinneen käsityksen, että ilmanpaine olisi osallisena ilmiöön. Päinvastoin, nesteen virtaus sifonin läpi tyhjiössä pysähtyi, mikä osoitti, että tämä ilmiö johtui ilmakehän paineesta. Hän osoitti, että kemiallisten reaktioiden (kuten kalkin sammuttaminen) aikana sekä kappaleiden keskinäisen kitkan aikana lämpöä vapautuu tyhjiössä.

Vaikutus ihmisiin ja eläimiin

Tyhjiölle altistuneet ihmiset ja eläimet menettävät tajuntansa muutamassa sekunnissa ja kuolevat hypoksiaan muutamassa minuutissa, mutta nämä oireet eivät yleensä ole samanlaisia ​​kuin populaarikulttuurissa ja mediassa. Paineen lasku alentaa kiehumispistettä, jossa veren ja muiden kehon nesteiden tulee kiehua, mutta verisuonten elastinen paine estää verta saavuttamasta 37 °C:n kiehumispistettä. Vaikka veri ei kiehu, siihen ja muihin kehon nesteisiin alhaisissa paineissa muodostuvien kaasukuplien vaikutus, joka tunnetaan nimellä ebullismi (ilmaemfyseema), on vakava ongelma. Kaasu voi puhaltaa kehon kaksinkertaiseksi normaalikokoiseksi, mutta kudokset ovat riittävän joustavia estämään repeytymisen. Turvotusta ja ebulismia voidaan ehkäistä käyttämällä erityistä lentopukua. Sukkulan astronautit käyttivät erityisiä elastisia vaatteita nimeltä Crew Altitude Protection -puku(CAPS), joka estää ebullismin yli 2 kPa:n (15 mmHg) paineissa. Veden nopea haihtuminen jäähdyttää ihon ja limakalvot 0 °C:seen, erityisesti suussa, mutta siitä ei ole suurta vaaraa.

Eläinkokeet osoittavat, että 90 sekunnin kuluttua ruumiin tyhjiössä olemisesta tapahtuu yleensä nopea ja täydellinen kehon palautuminen, mutta pidempi tyhjiössä oleminen on kohtalokasta ja elvytys on turhaa. Tyhjiön vaikutuksista ihmisiin on vain vähän tietoa (yleensä se on tapahtunut onnettomuuksissa), mutta se on yhdenmukainen eläinkokeista saatujen tietojen kanssa. Raajat voivat pysyä tyhjiössä paljon pidempään, jos hengitys ei ole heikentynyt. Robert Boyle osoitti ensimmäisenä, että tyhjiö oli tappava pienille eläimille vuonna 1660.

Mittaus

Tyhjiöaste määräytyy järjestelmään jäävän aineen määrän mukaan. Tyhjiön määrää ensisijaisesti absoluuttinen paine, ja täydellinen karakterisointi vaatii lisäparametreja, kuten lämpötilan ja kemiallisen koostumuksen. Yksi tärkeimmistä parametreista on jäännöskaasujen keskimääräinen vapaa reitti (MFP), joka ilmaisee keskimääräisen etäisyyden, jonka hiukkanen kulkee vapaalla polullaan törmäyksestä toiseen. Jos kaasun tiheys pienenee, MFP kasvaa. Ilman MFP ilmakehän paineessa on hyvin lyhyt, noin 70 nm, ja 100 mPa:ssa (~1 × 10-3 Torr) ilman MFP on noin 100 mm. Harvinaistetun kaasun ominaisuudet muuttuvat suuresti, kun keskimääräinen vapaa reitti tulee verrattavissa sen astian kokoon, jossa kaasu sijaitsee.

Tyhjiö on jaettu alueisiin sen saavuttamiseen tai mittaamiseen tarvittavan tekniikan mukaan. Näillä alueilla ei ole yleisesti hyväksyttyjä määritelmiä, mutta tyypillinen jakauma näyttää tältä:

Sovellus

Tyhjiö on hyödyllinen monissa prosesseissa ja sitä käytetään useissa laitteissa. Ensimmäistä kertaa massakäyttötuotteissa sitä käytettiin hehkulampuissa suojaamaan hehkulankaa kemialliselta hajoamiselta. Tyhjiön tuottama materiaalien kemiallinen inertisyys on hyödyllistä myös elektronisuihkuhitsauksessa, kylmähitsauksessa, tyhjiöpakkaamisessa ja tyhjiöpaistamisessa. Ultrakorkeaa tyhjiötä käytetään tutkittaessa atomipuhtaita substraatteja, koska vain erittäin suuri tyhjiö pitää pinnat puhtaina atomitasolla melko pitkään (minuuteista päiviin). Korkeat ja erittäin korkeat tyhjiöt poistavat ilmanvastuksen, jolloin hiukkassäteet voivat laskea tai poistaa materiaaleja ilman kontaminaatiota. Tämä periaate on kemiallisen höyrypinnoituksen, tyhjiöpinnoituksen ja kuivaetsauksen taustalla, joita käytetään puolijohde- ja optisten pinnoitteiden valmistuksessa sekä pintakemiassa. Alennettu konvektio tarjoaa lämpöeristyksen termossissa. Korkea tyhjiö alentaa nesteen kiehumispistettä ja edistää alhaisen lämpötilan kaasunpoistoa, jota käytetään pakastekuivauksessa, liiman valmistuksessa, tislauksessa, metallurgiassa ja tyhjiöpuhdistuksessa. Tyhjiön sähköiset ominaisuudet mahdollistavat elektronimikroskopit ja tyhjiöputket, mukaan lukien katodisädeputket. Tyhjiökytkimiä käytetään sähkökojeistoissa. Tyhjiöhajotuksella on teollista merkitystä tiettyjen teräslaatujen tai erittäin puhtaiden materiaalien tuotannossa. Ilmakitkan poistaminen on hyödyllistä vauhtipyörän ja ultrasentrifugin energian varastoinnissa.

Tyhjiökäyttöiset koneet

Imun tuottamiseen käytetään yleisesti tyhjiötä, jolla on entistä laajempi käyttöalue. Newcomenin höyrykone käytti tyhjiötä paineen sijaan männän ajamiseen. 1800-luvulla tyhjiötä käytettiin vetovoimaan Isambard Brunelin kokeellisella pneumaattisella rautatiellä. Tyhjiöjarruja käytettiin aikoinaan laajalti junissa Isossa-Britanniassa, mutta perinteisiä rautateitä lukuun ottamatta ne on korvattu ilmajarruilla.

Tämä matala kaivon pumppu alentaa ilmanpainetta oman kammionsa sisällä. Ilmakehän tyhjiö laajenee alas kaivoon ja pakottaa veden virtaamaan putkea pitkin pumppuun tasaamaan alipaineen. Maakammiolla varustetut pumput toimivat vain noin 9 metrin syvyyteen, koska vesipatsaan paino tasaa ilmanpainetta.

Imusarjan tyhjiötä voidaan käyttää ajoneuvojen apulaitteiden ohjaamiseen. Tunnetuin sovellus on tyhjiötehostin jarrutehon lisäämiseksi. Tyhjiötä käytettiin aiemmin Autovacin tuulilasinpyyhkimien tyhjiökäytöissä ja polttoainepumpuissa. Joitakin lentokoneiden laitteita (asennonosoitin ja suunnanilmaisin) käytetään tavallisesti tyhjiöllä, vakuutuksena kaikkien (sähköisten) instrumenttien vikaantumiselta, koska varhaisissa lentokoneissa ei usein ollut sähköjärjestelmiä ja koska lentokoneessa on kaksi helposti saatavilla olevaa alipainelähdettä. liikkuva lentokone, moottori ja venturi. Tyhjiöinduktiosulatuksessa käytetään sähkömagneettista induktiota tyhjiössä.

Tyhjiön ylläpitäminen lauhduttimessa on tärkeää höyryturbiinien tehokkaan toiminnan kannalta. Tätä tarkoitusta varten käytetään höyrysuutinta tai nesterengaspumppua. Turbiinin pakokaasun lauhduttimen höyrytilavuudessa ylläpidettävä normaali tyhjiö (kutsutaan myös turbiinin lauhduttimen paineeksi) on 5-15 kPa riippuen lauhduttimen tyypistä ja ympäristöolosuhteista.

Kaasunpoisto

Haihdutusta ja sublimaatiota tyhjiössä kutsutaan kaasunpoistoksi. Kaikki materiaalit, kiinteät tai nestemäiset, höyrystyvät hieman (kaasuuntumista tapahtuu), ja niiden kaasunpoisto on tarpeen, kun tyhjiöpaine laskee niiden höyrynpaineen alapuolelle. Kelluvilla materiaaleilla tyhjiössä on sama vaikutus kuin vuodon ja se voi rajoittaa saavutettavissa olevaa tyhjiötä. Haihtumistuotteet voivat kondensoitua lähellä oleville viileämmille pinnoille, mikä voi aiheuttaa ongelmia, jos ne pinnoittavat optisia instrumentteja tai reagoivat muiden materiaalien kanssa. Tämä aiheuttaa suuria vaikeuksia lentäessään avaruudessa, jossa pimentynyt kaukoputki tai aurinkokenno voi suistaa kalliin operaation.

Tyhjiöjärjestelmissä yleisin jätetuote on kammiomateriaalien imemä vesi. Sen määrää voidaan vähentää kuivaamalla tai lämmittämällä kammiota ja poistamalla imukykyisiä materiaaleja. Haihtuva vesi voi tiivistyä pyörivien siipipumppujen öljyyn ja alentaa niiden toimintanopeutta dramaattisesti, jos kaasupainolaitetta ei käytetä. Suurtyhjiöjärjestelmät on pidettävä puhtaina ja vapaina orgaanisesta aineesta kaasun muodostumisen minimoimiseksi.

Ultrakorkeat tyhjiöjärjestelmät tyypillisesti hehkutetaan, mieluiten tyhjiössä, jotta tilapäisesti lisätään kaikkien materiaalien haihtumista ja haihdutetaan ne. Kun suurin osa höyrystyneistä materiaaleista on haihdutettu ja poistettu, järjestelmä voidaan jäähdyttää materiaalien höyrystymisen vähentämiseksi ja jäännöskaasupäästöjen minimoimiseksi käytön aikana. Jotkut järjestelmät jäähdytetään huomattavasti huoneenlämpötilan alapuolelle käyttämällä nestemäistä typpeä jäännöskaasun kehittymisen pysäyttämiseksi kokonaan ja samalla järjestelmän kryogeenisen pumppauksen vaikutuksen aikaansaamiseksi.

Pumppaus ja ilmanpaine

Kaasuja ei voi työntää ulos ollenkaan, joten tyhjiötä ei voida luoda imulla. Imu voi levittää ja laimentaa tyhjiötä, jolloin korkea paine voi tuoda siihen kaasuja, mutta tyhjiö on luotava ennen kuin imu voi tapahtua. Helpoin tapa luoda keinotekoinen tyhjiö on laajentaa kammion tilavuutta. Esimerkiksi pallealihas laajentaa rintaonteloa, mikä johtaa keuhkojen kapasiteetin lisääntymiseen. Tämä laajeneminen alentaa painetta ja luo matalan tyhjön, joka pian täyttyy ilmanpaineen pakottamalla ilmalla.

Jotta kammion tyhjennystä voidaan jatkaa loputtomiin käyttämättä jatkuvasti sen laajennusta, sen tyhjiöosasto voidaan sulkea, tyhjentää, laajentaa uudelleen ja niin edelleen monta kertaa. Tämä on syrjäytyspumppujen (kaasunsiirtopumppujen), kuten manuaalisen vesipumpun, toimintaperiaate. Pumpun sisällä mekanismi laajentaa pientä suljettua onteloa luoden tyhjiön. Paine-eron vuoksi osa kammiosta (tai esimerkissämme kaivosta) tulevasta nesteestä työnnetään pumpun pieneen onteloon. Pumpun ontelo suljetaan sitten kammiota vasten, avataan ilmakehään ja puristetaan minimikokoonsa, jolloin neste poistuu.

Yllä oleva selitys on yksinkertainen johdatus evakuointiin, eikä se edusta käytössä olevien pumppujen valikoimaa. Syrjäytyspumppuja on kehitetty monia muunnelmia, ja monet pumppumallit perustuvat radikaalisti erilaisiin periaatteisiin. Pulssinsiirtopumput, joilla on joitain yhtäläisyyksiä korkeammissa paineissa käytettävien dynaamisten pumppujen kanssa, voivat tarjota paljon korkealaatuisemman tyhjiön kuin syrjäytyspumput. Kaasuliitospumput, jotka pystyvät sieppaamaan kaasuja kiinteässä tai absorboituneessa tilassa, toimivat usein ilman liikkuvia osia, ilman tiivisteitä ja ilman tärinää. Mikään näistä pumpuista ei ole universaali; jokaisella tyypillä on vakavia sovellusrajoituksia. Kaikilla on vaikeuksia pumpata ulos pienimassaisia ​​kaasuja, erityisesti vetyä, heliumia ja neonia.

Tyhjiö(Englanti) tyhjiö, Saksan kieli Tyhjiö, lat. tyhjiö- tyhjä) on polysemanttinen fyysinen termi, joka voi kontekstista riippuen tarkoittaa:

• Harvinainen kaasutila. Tällaista tyhjiötä kutsutaan osittainen. On olemassa korkea-, keski- ja matalatyhjiö. Korkea kutsutaan tyhjiöksi, jossa kaasumolekyylien vapaa reitti ylittää kaasua sisältävän astian lineaariset mitat; jos kaasumolekyylien vapaa reitti ja astian lineaariset mitat ovat suhteellisia arvoja, niin tyhjöä kutsutaan keskiverto ja jos kaasumolekyylien vapaa reitti on pienempi kuin astian lineaariset mitat - matala.

• Idealisoitu abstraktio, tila, jossa ei ole lainkaan substanssia. Tällaista tyhjiötä kutsutaan ihanteelliseksi.
• Fysikaalinen järjestelmä ilman hiukkasia ja kenttäkvantteja. Tämä on kvanttijärjestelmän alin tila, jossa sen energia on minimaalinen, jota kutsutaan tyhjiötilaksi. Epävarmuusperiaatteen mukaan tällaiselle tyhjiölle tiettyä osaa fysikaalisista suureista ei voida määrittää tarkasti.

Osatyhjiö tuli laajalti käyttöön teollisuudessa, kun hehku- ja tyhjiölamput keksittiin 1900-luvun alussa. Huomattava määrä fysikaalisia kokeita suoritetaan tyhjiössä: ilman tai erilaisen koostumuksen ilmakehän puuttuminen mahdollistaa ei-toivottujen ulkopuolisten vaikutusten vähentämisen tutkimuskohteeseen. Kiinnostus tyhjiön tutkimukseen kasvoi sen jälkeen, kun ihminen tuli avaruuteen. Maanläheinen ja planeettojenvälinen avaruus on erittäin harvinainen kaasu, jota voidaan luonnehtia tyhjiöksi.

Tyhjiötutkimus alkoi, kun italialainen fyysikko Evangelista Torricelli loi "Torricelli tyhjiön" (ru) 1600-luvun puolivälissä.

Tekninen tyhjiö

Tekninen kutsutaan osittaiseksi tyhjiöksi, joka muodostuu maanpäällisissä olosuhteissa. Tässä tapauksessa käytettyä työkalusarjaa kutsutaan tyhjiötekniikaksi. Tyhjiötekniikan työkalujen joukossa pääpaikka on erityyppisten ja toimintaperiaatteiden mukaisilla pumpuilla.

Tärkein työkalu luomiseen alhainen tyhjiö on iskutilavuuspumppu. Sen toimintaperiaate on syklisesti lisätä ja vähentää kaasun tilavuutta astiassa. Paisuntavaiheen eli imuvaiheen aikana astiassa oleva kaasu laajenee täyttääkseen lisätilavuuden, joka sitten leikataan pois ja poistetaan.

Luominen korkea Ja ultrakorkea tyhjiö on monimutkainen tekninen ongelma. Kun tyhjiökammiossa on vähän kaasumolekyylejä, syntyy ongelmia, jotka liittyvät kammion saastumiseen öljymolekyyleillä, riittämättömään tiivistetiheyteen, astian seinämien kaasunpoistoon jne.

Korkean tyhjiön aikaansaamiseksi käytetään diffuusiopumppuja. Tämän tyyppisen pumpun toimintaperiaate perustuu siihen, että kaasumolekyylit eivät diffundoidu virtausta vastaan. Siksi diffuusiopumput käyttävät suihkua kaasumolekyylejä vetämään tyhjiökammiosta.

Trap-pumppujen avulla voit saavuttaa entistä suurempia tyhjiöitä. Niiden toiminta voi perustua erilaisiin fysikaalisiin ja kemiallisiin periaatteisiin: kryogeeniset pumput käyttävät matalaa lämpötilaa kaasun kondensoimiseen astiassa, kemiallisissa pumpuissa kaasumolekyylejä sitovat kemikaalit tai adsorboivat pintaan, ionisaatiopumpuissa tyhjiökammiossa oleva kaasu ionisoituu. ja erotetaan voimakkaiden sähkökenttien avulla.

Todelliset tyhjiöasennukset koostuvat useiden erityyppisten pumppujen yhdistelmästä, joista jokainen suorittaa oman tehtävänsä ja toimii eriasteisilla kaasun harventumisasteilla tyhjiökammiossa. Tyhjiöteknologian työkaluihin kuuluu myös erilaisia ​​mittalaitteita, joilla määritetään syntyvän tyhjiön laatu.

Fyysinen tyhjiö

Fyysinen tyhjiö kutsutaan idealisoiduksi avaruuden käsitteeksi, jossa ei ole hiukkasia. Tällaista tilaa on mahdotonta saavuttaa kokeellisesti. Fysikaalisen tyhjiön abstraktia käsitettä käytetään esimerkiksi määrittelemään valon nopeutta sähkömagneettisen vuorovaikutuksen etenemisnopeudeksi tyhjyydessä ilman hiukkasia.

Vaikka saattaa vaikuttaa siltä, ​​että tyhjä tila on yksinkertaisin fyysinen järjestelmä, todellisuudessa se ei ole sitä. Kvanttimekaniikan kehitys on osoittanut, että tyhjiö on monimutkainen fyysinen esine, jonka ominaisuuksia ei vielä täysin ymmärretä.

Ensinnäkin tyhjiö, joka on ehkä täytetty sähkömagneettisen kentän nollapistevärähtelyillä. Sähkömagneettisen kentän kvantit ovat fotoneja, bosoneihin kuuluvia hiukkasia. Bosonien aaltofunktiot matalassa tilassa eivät ole nollia. Bosonikenttää kvantisoitaessa niitä käsitellään harmonisina oskillaattorina. Perustilassa bosoneilla ei ole vain nollasta poikkeava aaltofunktio, vaan myös nollasta poikkeava energia. Siten tyhjiö on täytetty erilaisten sähkömagneettisten ja muiden bosonisten kenttien nollapistevärähtelyillä kaikilla mahdollisilla aaltovektoreilla, etenemissuunnalla ja polarisaatioilla. Jokaisella näistä moodeista on energia, missä on yhteenveto Planckin vakio, vai mitä? - syklinen taajuus. Tämä aiheuttaa tyhjiöenergian ongelman, koska tällaisia ​​​​tiloja on äärettömän paljon ja tyhjiöenergian kokonaismäärän on oltava ääretön. Fyysiset kokeet, erityisesti Lamb-siirtymä ja Casimir-ilmiö, osoittavat kuitenkin, että sähkömagneettisen kentän nollapistevärähtelyt ovat todellisuutta ja että ne voivat olla vuorovaikutuksessa muiden fyysisten kohteiden kanssa.

Toinen tyhjiön ymmärtämistä vaikeuttava ajatus liittyy Dirac-yhtälöön, joka kuvaa relativistista kvanttihiukkasta, erityisesti elektronia. Dirac-yhtälössä vapaalle elektronille on neljä ratkaisua, joista kaksi on negatiivinen. Paul Dirac osoitti, että varauskonjugaation operaatiota käyttämällä nämä erot voidaan tulkita irrotuksiksi, joilla on positiivinen energia, mutta hiukkaselle, jolla on päinvastainen, positiivinen varaus, ts. elektronien antihiukkaset. Tällainen antihiukkanen löydettiin kokeellisesti ja sitä kutsuttiin positroniksi.

Diracin tulkinta on samanlainen kuin puolijohteiden teriat. Hiukkaset, elektronit, ovat samanlaisia ​​kuin johtavuuselektroni, kun taas antihiukkaset, positronit, ovat samanlaisia ​​kuin aukkoja positroni vastaa täyttämätöntä tilaa.

Kun tarkastellaan hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia kvanttielektrodynamiikassa, on usein tarpeen ottaa huomioon mahdollisuus virtuaalisten elektroni-positroni-parien muodostumiseen tyhjiöstä.

Tyhjiö, erittäin alhaisen paineen alue. Tähtienvälinen avaruus on suuri tyhjiö, jonka keskimääräinen tiheys on alle 1 molekyyli kuutiosenttimetriä kohden. Harvinaisin ihmisen luoma tyhjiö on alle 100 000 molekyyliä kuutiosenttimetrissä. Uskotaan, että Evangelista Toricelli loi ensimmäisen tyhjiön elohopeabarometriin. Vuonna 1650 saksalainen fyysikko Otto von Guericke (1602-86) keksi ensimmäisen tyhjiöpumpun. Tyhjiötä käytetään laajasti tieteellisessä tutkimuksessa ja teollisuudessa. Esimerkki tällaisesta sovelluksesta on elintarvikkeiden tyhjiöpakkaus. 22

Klassisessa fysiikassa käytetään tyhjän tilan käsitettä, eli tietyn tila-alueen, jossa ei ole hiukkasia ja kenttiä. Tällaista tyhjää tilaa voidaan pitää synonyyminä klassisen fysiikan tyhjiölle. Tyhjiö kvanttiteoriassa määritellään alhaisimmaksi energiatilaksi, jossa kaikki todelliset hiukkaset puuttuvat. Osoittautuu, että tämä tila ei ole tila ilman kenttää. Olemattomuus, koska sekä hiukkasten että kenttien puuttuminen on mahdotonta. Tyhjiössä fysikaaliset prosessit tapahtuvat ei todellisten, vaan lyhytaikaisten (virtuaalisten) kenttäkvanttien mukana. Tyhjiössä vain fysikaalisten suureiden keskiarvot ovat nollia: kenttävoimakkuudet, elektronien lukumäärä jne. Nämä arvot itsessään vaihtelevat (värähtelevät) jatkuvasti näiden keskiarvojen ympärillä. Syynä vaihteluihin on kvanttimekaaninen epävarmuussuhde, jonka mukaan energia-arvon epävarmuus on sitä suurempi, mitä lyhyempi sen mittausaika. 23

Fyysinen tyhjiö

Tällä hetkellä fysiikassa on muodostumassa täysin uusi tieteellisen tutkimuksen suunta, joka liittyy fysikaalisen tyhjiön ominaisuuksien ja kykyjen tutkimukseen. Tästä tieteellisestä suunnasta on tulossa hallitseva, ja se voi soveltaa läpimurtoteknologioita energian, elektroniikan ja ekologian alalla. 24

Ymmärtääksemme tyhjiön roolia ja paikkaa nykyisessä maailmakuvassa yritämme arvioida, kuinka tyhjiöaine ja aine korreloivat maailmassamme.

Tässä suhteessa Ya.B:n perustelu on mielenkiintoinen. Zeldovitš. 25

"Universumi on valtava. Etäisyys maasta aurinkoon on 150 miljoonaa kilometriä. Etäisyys aurinkokunnasta galaksin keskustaan ​​on 2 miljardia kertaa suurempi kuin etäisyys Maan ja Auringon välillä. Havaittavan maailmankaikkeuden koko on puolestaan ​​miljoona kertaa suurempi kuin etäisyys Auringosta galaksimme keskustaan. Ja kaikki tämä valtava tila on täynnä käsittämättömän suurta määrää ainetta. 26

Maan massa on yli 5,97·10 27 g. Tämä on niin suuri arvo, että sitä on vaikea edes käsittää. Auringon massa on 333 tuhatta kertaa suurempi. Ainoastaan ​​maailmankaikkeuden havaittavissa olevalla alueella kokonaismassa on noin kymmenen ja Auringon massan 22. potenssi. Koko avaruuden rajaton laajuus ja siinä oleva upea ainemäärä hämmästyttää mielikuvitusta." 27

Toisaalta kiinteään kappaleeseen kuuluva atomi on monta kertaa pienempi kuin mikään meille tunnettu esine, mutta monta kertaa suurempi kuin atomin keskustassa sijaitseva ydin. Lähes kaikki atomin ainekset ovat keskittyneet ytimeen. Jos suurennat atomia niin, että ytimen koko on unikonsiemenen kokoinen, niin atomin koko kasvaa useisiin kymmeniin metreihin. Kymmenien metrien etäisyydellä ytimestä tulee moninkertaisesti laajentuneita elektroneja, joita on vielä vaikea nähdä silmällä pienen koonsa vuoksi. Ja elektronien ja ytimen väliin jää valtava tila, joka ei ole täytetty aineella. Mutta tämä ei ole tyhjä tila, vaan erityinen ainetyyppi, jota fyysikot kutsuivat fysikaaliseksi tyhjiöksi. 28

Itse "fysikaalisen tyhjiön" käsite ilmestyi tieteessä sen oivalluksen seurauksena, että tyhjiö ei ole tyhjyyttä, ei "ei mitään". Se edustaa äärimmäisen merkittävää "jotain", joka synnyttää kaiken maailmassa ja asettaa sen aineen ominaisuudet, josta ympäröivä maailma on rakennettu. Osoittautuu, että jopa kiinteän ja massiivisen esineen sisällä tyhjiö vie mittaamattoman enemmän tilaa kuin aine. Siten tulemme siihen tulokseen, että aine on harvinaisin poikkeus valtavassa tyhjiön aineella täytetyssä tilassa. Kaasumaisessa ympäristössä tällainen epäsymmetria on vieläkin selvempi, puhumattakaan avaruudessa, jossa aineen läsnäolo on enemmän poikkeus kuin sääntö. Voidaan nähdä, kuinka hämmästyttävän suuri tyhjiöaineen määrä universumissa on verrattuna jopa uskomattoman suureen ainemäärään siinä. Tällä hetkellä tiedemiehet tietävät jo, että aineen alkuperä johtuu tyhjiön aineellisesta substanssista ja kaikki aineen ominaisuudet määräytyvät fysikaalisen tyhjiön ominaisuuksien mukaan. 29

Tiede tunkeutuu syvemmälle tyhjiön olemukseen. Tyhjiön perusrooli aineellisen maailman lakien muodostumisessa paljastuu. Ei ole enää yllättävää, että jotkut tiedemiehet väittävät, että "kaikki on tyhjiöstä ja kaikki ympärillämme on tyhjiötä". Fysiikka, joka on tehnyt läpimurron tyhjiön olemuksen kuvaamisessa, on asettanut edellytykset sen käytännön käytölle monien ongelmien, mukaan lukien energia- ja ympäristöongelmien, ratkaisemisessa. kolmekymmentä

Nobel-palkinnon saaneiden R. Feynmanin ja J. Wheelerin laskelmien mukaan tyhjiön energiapotentiaali on niin valtava, että "tavallisen hehkulampun tilavuudessa on niin paljon energiaa, että se olisi tarpeeksi keittämään kaikki maan valtameret." Kuitenkin tähän asti perinteinen menetelmä energian saamiseksi aineesta ei ole vain hallitseva, vaan sitä pidetään jopa ainoana mahdollisena. Ympäristön ymmärtäminen edelleen sitkeästi aineena, jota on niin vähän, unohtaen tyhjiön, jota on niin paljon. Juuri tämä vanha "aineellinen" lähestymistapa on johtanut siihen, että ihmiskunta, kirjaimellisesti uimassa energiassa, kokee energiannälkää. 31

Uusi "tyhjiö" -lähestymistapa lähtee siitä, että ympäröivä tila, fyysinen tyhjiö, on olennainen osa energian muunnosjärjestelmää. Samalla mahdollisuus saada tyhjiöenergiaa löytää luonnollisen selityksen fysikaalisista laeista poikkeamatta. Tie avautuu energialaitoksille, joissa on ylienergiatasapaino ja joissa saatava energia ylittää primäärivoimalähteen kuluttaman energian. Energialaitokset, joilla on ylimääräinen energiatase, voivat avata pääsyn luonnon itsensä varastoimaan valtavaan tyhjiöenergiaan. 32

Mitä on tapahtunut tyhjiö? Tähän kysymykseen vastataan yleensä: "tila, jossa on harvinainen ilma" tai "tila aluksen sisällä, josta ilma on pumpattu ulos". Mutta onko jokainen harvinainen aste tyhjiötä ja onko tyhjiö missään yhteydessä?

Jotkin edellytykset tyhjiön empiiriselle tutkimukselle olivat olemassa antiikissa. Antiikin Kreikan mekaniikka loi erilaisia ​​teknisiä laitteita, jotka perustuivat ilman harvennukseen. Esimerkiksi vesipumput, jotka toimivat luomalla tyhjiön männän alle, tunnettiin Aristoteleen aikana. Tyhjiön empiirinen tutkimus alkoi vasta 1600-luvulla renessanssin lopulla ja nykyajan tieteellisen vallankumouksen alkaessa. Siihen mennessä oli jo pitkään tiedetty, että imupumput pystyivät nostamaan vettä enintään 10 metrin korkeuteen.

Käytännössä erittäin harvinaista kaasua kutsutaan tekniseksi tyhjiöksi. Makroskooppisissa tilavuuksissa ihanteellinen tyhjiö on käytännössä saavuttamaton, koska äärellisessä lämpötilassa kaikilla materiaaleilla on nollasta poikkeava tyydyttyneen höyryn tiheys. Lisäksi monet materiaalit (mukaan lukien paksut metallit, lasit ja muut astian seinämät) päästävät kaasuja läpi. Mikroskooppisissa tilavuuksissa ihanteellisen tyhjiön saavuttaminen on kuitenkin periaatteessa mahdollista.

Tarkkaan ottaen tekninen tyhjiö on astiassa tai putkessa oleva kaasu, jonka paine on alhaisempi kuin ympäröivässä ilmakehässä. Yleensä ilmakehän ilman ja suurtyhjiöpumpun välissä on ns. etutyhjiöpumppu, joka muodostaa alustavan tyhjiön, joten matalaa tyhjiötä kutsutaan usein etutyhjiöksi. Kun kammiossa oleva paine laskee edelleen, kaasumolekyylien keskimääräinen vapaa reitti kasvaa. Tässä tapauksessa kaasumolekyylit törmäävät seiniin paljon useammin kuin toisiinsa. Tässä tapauksessa puhumme korkeasta tyhjiöstä. Joidenkin kiteiden mikroskooppisissa huokosissa suuri tyhjiö saavutetaan jo ilmakehän paineessa, koska huokosen halkaisija on paljon pienempi kuin molekyylin vapaa reitti.

Ulkoavaruuden tiheys ja paine on erittäin alhainen, ja se on fysikaalisen tyhjiön lähin likiarvo. Mutta avaruuden tyhjiö ei ole todella täydellinen, edes tähtienvälisessä avaruudessa on muutama vetyatomi kuutiosenttimetriä kohden.

Oletetaan todellakin, että sylinterissä oleva ilma harvennetaan 10 000 kertaa sen tiheyteen verrattuna normaalissa ilmanpaineessa, eli sylinterin sisäinen paine on 0,076 mm. rt. Taide.

Tuleeko sylinterissä tyhjiö? Ja voidaanko edelleen olettaa, että sylinterissä on tyhjiö, jos tämä sylinteri nostetaan 100 km:n korkeuteen maanpinnan yläpuolelle, missä ilmanpaine on vain 0,007 mm. rt. Taide. Todellakin, tässä tapauksessa ilman tiheys sylinterin sisällä tulee 10 kertaa suurempi kuin sen ulkopuolella! Missä sitten tyhjiö on - sylinterin sisällä vai ulkopuolella?

Nykyaikainen fysiikka ei liitä tyhjiötä paineen määrään astian ulkopuolella tai sisällä, vaan sen sisällä olevien kaasumolekyylien vapaaseen polkuun. Kaasumolekyylit ovat jatkuvassa kaoottisessa lämpöliikkeessä; huoneenlämpötilassa ilmamolekyylien lämpöliikkeen nopeus on noin 450 m/s, eli se lähestyy nopeutta. Liikkuessaan kaikkiin suuntiin molekyylit törmäävät jatkuvasti toisiinsa. Mitä tiheämpi ilma on, sitä enemmän molekyylejä on tilavuusyksikkössä ja sitä useammin molekyylit törmäävät.

Jos ilma on ohuempaa, molekyylit törmäävät harvemmin. Keskimäärin heidän täytyy lentää pidempi matka kahden törmäyksen välillä, jota kutsutaan keskimääräiseksi vapaaksi poluksi.

Fysikaalisesta näkökulmasta tyhjiö on harvinainen ilmiö, jossa keskimääräinen vapaa reitti on keskimäärin suurempi kuin suonen koko. Kun molekyylien törmäykset tyhjiöastiassa ovat harvinaisia, suurin osa molekyyleistä, jotka liikkuvat astian seinämästä toiseen, eivät kohtaa muita molekyylejä.

Tyhjiö on hyvä lämmöneriste; Lämpöenergian siirtyminen siinä tapahtuu vain lämpösäteilyn vuoksi, konvektio ja lämmönjohtavuus jätetään pois. Tätä ominaisuutta käytetään lämpöeristykseen termosissa, jotka koostuvat kaksiseinäisestä säiliöstä, jonka välinen tila tyhjennetään.