진공 값. 물리적 진공이란 무엇입니까? 에테르 개념의 이론적 정당성

진공 펌프를 사고 싶어하지만 진공이 무엇인지 거의 모르는 사람들이 우리에게 자주 찾아옵니다.
그것이 무엇인지 알아 내려고 노력합시다.

정의에 따르면, 진공은 물질이 없는 공간입니다(라틴어 "vacuus" - 비어 있음).
진공에는 기술적 진공, 물리적 진공, 우주 진공 등 여러 가지 정의가 있습니다.
우리는 매우 희박한 가스로 정의되는 기술적 진공을 고려할 것입니다.

진공이 무엇인지, 어떻게 측정하는지 예를 살펴보겠습니다.
우리 행성에는 1(1기압)으로 간주되는 대기압이 있습니다. 날씨, 고도 및 해수면에 따라 달라지지만 진공 개념에 대한 이해에는 어떤 영향도 미치지 않으므로 고려하지 않겠습니다.
따라서 지구 표면에는 1기압과 같은 압력이 있습니다. (밀폐된 용기 내에서) 1기압 미만의 모든 것을 기술적 진공이라고 합니다.

용기를 가져다가 밀폐 뚜껑으로 닫읍시다. 용기의 압력은 1기압이 됩니다. 용기에서 공기를 펌핑하기 시작하면 용기에 진공이 발생하는데 이를 진공이라고 합니다.
예를 들어 보겠습니다. 왼쪽 혈관에는 10개의 원이 있습니다. 1기압으로 해주세요.
"펌프 아웃" 절반 - 0.5 atm을 얻고, 하나를 남겨두면 0.1 atm을 얻습니다.

용기에는 단 하나의 기압만 있으므로 (이론적으로) 얻을 수 있는 최대 진공은 0기압입니다.
"이론적으로" - 왜냐면 용기에서 모든 공기 분자를 잡는 것은 거의 불가능합니다.
따라서 공기(가스)가 펌핑된 용기에는 항상 최소한의 양이 남아 있습니다. 이것을 "잔류 압력"이라고 합니다. 즉, 가스를 펌핑한 후 용기에 남아 있는 압력입니다.
최대 0.00001 Pa의 깊은 진공에 도달할 수 있지만 여전히 0이 아닌 특수 펌프가 있습니다.
일상생활에서 0.5~10Pa(0.00005~0.0001atm)보다 깊은 진공은 거의 필요하지 않습니다.

기준점 선택에 따라 진공 측정에는 여러 가지 옵션이 있습니다.
1. 단위는 대기압으로 간주됩니다. 그 아래의 모든 것은 진공 상태입니다.
즉, 진공 게이지 눈금은 1 ~ 0 atm(1…0.9…0.8…0.7…..0.2…0.1….0)입니다.
2. 대기압은 0으로 간주됩니다. 즉, 진공 상태입니다. 모든 음수는 0보다 작고 최대 -1입니다.
즉, 진공 게이지 눈금은 0부터 -1(0, -0.1...-0.2...,-0.9,...-1)까지입니다.
또한 스케일은 kPa, mBar 단위일 수 있지만 이는 모두 대기의 스케일과 유사합니다.

그림은 동일한 진공을 표시하는 다양한 눈금의 진공 게이지를 보여줍니다.

위에서 말한 모든 것에서 진공의 크기가 대기압보다 클 수 없다는 것이 분명합니다.

-2기압, -3기압 등의 진공청소기를 원하는 사람들이 거의 매일 저희에게 연락합니다.
그리고 그들은 이것이 불가능하다는 사실을 알고 매우 놀랐습니다. (그런데 그들은 매 순간 "당신 자신은 아무것도 모릅니다", "하지만 이웃에게는 그렇습니다"등이라고 말합니다.)

사실, 이 모든 사람들은 진공 상태에서 부품을 성형하기를 원하지만 부품에 가해지는 압력은 1kg/cm2(1기압) 이상입니다.
이는 제품을 필름으로 덮고 그 아래에서 공기를 펌핑함으로써 달성할 수 있습니다(이 경우 생성된 진공에 따라 최대 압력은 1kg/cm2(1atm=1kg/cm2)입니다). 그런 다음 과도한 압력이 생성되는 오토클레이브에 모두 넣습니다. 즉, 2kg/cm2의 압력을 생성하려면 오토클레이브에 1atm의 초과 압력을 생성하면 충분합니다.

이제 우리 사무실의 Ampika Pumps LLC 전시회에서 얼마나 많은 고객이 진공을 측정하는지에 대해 몇 마디 말씀드리겠습니다.
펌프를 켜고 진공 펌프의 흡입 구멍에 손가락 (손바닥)을 대고 즉시 진공 크기에 대한 결론을 도출하십시오.

일반적으로 모든 사람들은 소련 진공 펌프 2NVR-5DM과 우리가 제공하는 아날로그 VE-2100을 비교하는 것을 좋아합니다.
이러한 점검 후에 그들은 항상 같은 말을 합니다. 2NVR-5DM의 진공이 더 높다는 것입니다(실제로 두 펌프 모두 동일한 진공 매개변수를 생성하지만).

이 반응의 이유는 무엇입니까? 그리고 항상 그렇듯이 물리 법칙에 대한 지식이 부족하고 일반적으로 압력이 무엇인지.

약간의 교육적 배경: 압력 "P"는 특정 표면에 작용하는 힘이며 이 표면에 수직으로 향합니다(힘 "F"와 표면적 "S"의 비율), 즉 P = F/ 에스.
간단히 말해서 표면적에 분산된 힘입니다.
이 공식을 통해 표면적이 클수록 압력이 낮아진다는 것을 알 수 있습니다. 또한 펌프 흡입구에서 손이나 손가락을 들어 올리는 데 필요한 힘은 표면적에 정비례합니다(F=P*S).
2NVR-5DM 진공펌프의 흡입구 직경은 25mm(표면적 78.5mm2)입니다.
VE-2100 진공펌프의 흡입구 직경은 6mm(표면적 18.8mm2)입니다.
즉, 직경 25mm 구멍에서 손을 들어올리려면 직경 6mm 구멍에서 손을 들어올릴 때보다 4.2배 더 큰 힘이 필요하다(같은 압력에서).
이것이 손가락으로 진공을 측정할 때 이러한 역설이 나타나는 이유입니다.
이 경우 압력 "P"는 대기압과 용기 내 잔류 압력(즉, 펌프 내 진공)의 차이로 계산됩니다.

표면에 부품을 누르는 힘을 계산하는 방법은 무엇입니까?
매우 간단합니다. 위에 주어진 공식을 사용해도 되지만, 좀 더 간단하게 설명해 보겠습니다.
예를 들어, VVN 1-0.75 펌프를 사용하여 부품 아래에 진공을 생성할 때 10x10cm 크기의 부품을 어떤 힘으로 가압할 수 있는지 알아내야 한다고 가정해 보겠습니다.

BBH 시리즈의 진공 펌프가 생성하는 잔압을 측정합니다.
특히 이 수봉식 펌프 VVN 1-0.75의 경우 0.4atm입니다.
1기압은 1kg/cm2와 같습니다.
부품의 표면적은 100cm2(10cm x 10cm)입니다.
즉, 최대 진공을 생성하면(즉, 부품에 가해지는 압력이 1atm이 됨) 부품은 100kg의 힘으로 가압됩니다.
진공도가 0.4atm이므로 압력은 0.4x100=40kg이 됩니다.
그러나 이것은 이론적으로 이상적인 조건, 공기 누출 등이 없는 경우입니다.
실제로는 이를 고려해야 하며 표면 유형, 펌핑 속도 등에 따라 압력은 20~40% 낮아집니다.

이제 기계식 진공 게이지에 대해 몇 마디 말씀드리겠습니다.
이 장치는 0.05...1 atm 범위의 잔류 압력을 나타냅니다.
즉, 더 깊은 진공 상태를 표시하지 않습니다(항상 "0"으로 표시됨). 예를 들어 회전 날개 진공 펌프에서 최대 진공에 도달하면 기계식 진공 게이지는 항상 "0"으로 표시됩니다. 잔압 값을 시각적으로 표시해야 하는 경우 VG-64와 같은 전자 진공 게이지를 설치해야 합니다.

진공 상태에서 부품(예: 탄소 섬유, 유리 섬유 등의 복합 재료로 만든 부품)을 성형하는 고객이 종종 있습니다. 이는 성형 중에 가스가 바인더(수지)에서 빠져나가서 부품의 특성이 향상되도록 하기 위해 필요합니다. 완제품뿐만 아니라 부품이 필름으로 금형에 압착되어 그 아래에서 공기가 펌핑되었습니다.
문제가 발생합니다: 어떤 진공 펌프를 사용할 것인가 - 단일 단계 또는 2단계?
그들은 일반적으로 2단 진공도가 높기 때문에 부품이 더 좋아질 것이라고 생각합니다.

단일 단계 펌프의 진공은 20 Pa이고, 2단계 펌프의 진공은 2 Pa입니다. 압력 차이가 10배나 되므로 해당 부품이 훨씬 더 강하게 눌려지는 것 같습니다.
하지만 이것이 정말 그렇습니까?

1기압 = 100000Pa = 1kg/cm2.
이는 20Pa와 2Pa의 진공에서 필름 압력의 차이가 0.00018kg/cm2라는 것을 의미합니다(너무 게으르지 않다면 직접 계산할 수도 있습니다).

즉, 사실상 별 차이가 없을 것입니다. 왜냐하면... 조임력이 0.18g 증가해도 날씨는 바뀌지 않습니다.

진공 펌프가 진공 챔버를 펌핑하는 데 걸리는 시간을 계산하는 방법은 무엇입니까?
액체와 달리 가스는 사용 가능한 전체 부피를 차지하며, 진공 펌프가 진공 챔버 공기의 절반을 펌핑하면 나머지 공기가 다시 팽창하여 전체 부피를 차지합니다.
아래는 이 매개변수를 계산하는 공식입니다.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, 어디

t는 압력 p1에서 압력 p2로 진공 부피를 펌핑하는 데 필요한 시간(시간)입니다.
V - 펌핑 탱크의 부피, m3
S - 진공 펌프의 작동 속도, m3/시간
p1 - ​​펌핑된 용기의 초기 압력, mbar
p2 - 펌핑된 용기의 최종 압력, mbar
ln - 자연 로그

F - 보정 계수는 탱크 p2의 최종 압력에 따라 달라집니다.
- 1000~250mbar F=1의 p2
- 250~100mbar F=1.5의 p2
- 100~50mbar F=1.75의 p2
- 50~20mbar의 p2 F=2
- p2 20~5mbar F=2.5
- 5~1mbar의 p2 F=3

간단히 말해서, 그게 다입니다.
이 정보가 누군가가 올바른 진공 장비를 선택하고 맥주 한잔을 마시며 자신의 지식을 자랑하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

유한한 온도에서 모든 물질의 포화 증기 밀도가 0이 아니기 때문에 부피 면에서 이상적인 진공은 실제로 달성할 수 없습니다. 또한 많은 재료(특히 두꺼운 금속, 유리 및 기타 용기 벽)에서는 가스가 통과할 수 있습니다. 안에 미세한그러나 이상적인 진공을 달성하는 것은 원칙적으로 가능합니다.

일부 결정의 미세한 기공과 초박형 모세관의 고진공은 이미 대기압에서 달성됩니다. 기공/모세관의 직경이 분자의 자유 경로(정상 조건에서 공기 중 ~60나노미터)보다 작아지기 때문입니다. .

유한한 온도의 완벽한 진공 상태에서도 항상 약간의 열복사(광자 가스)가 존재한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 따라서 이상적인 진공 상태에 있는 물체는 열 광자의 교환으로 인해 조만간 진공 챔버의 벽과 열 평형을 이루게 됩니다.

진공은 좋은 단열재입니다. 열에너지 전달은 열복사로 인해 발생하며 대류 및 열전도율은 제외됩니다. 이 특성은 이중벽이 있고 그 사이의 공간이 비워진 용기로 구성된 보온병(듀어 플라스크)의 단열에 사용됩니다.

진공은 무선관(예: 전자레인지의 마그네트론), 음극선관 등 전기 진공 장치에 널리 사용됩니다.

물리적 진공

양자물리학에서 물리적 진공은 운동량, 각운동량 및 기타 양자수가 0인 양자화된 장의 가장 낮은(지상) 에너지 상태로 이해됩니다. 더욱이, 그러한 상태가 반드시 공허함과 일치하는 것은 아닙니다. 가장 낮은 상태의 장은 예를 들어 밀도가 극도로 높은 고체 또는 심지어 원자핵의 준입자 장이 될 수 있습니다. 물리적 진공은 물질이 전혀 없고 이 상태에서 장으로 채워진 공간이라고도 한다. 이 상태는 절대적인 공허가 아닙니다. 양자장 이론은 불확정성 원리에 따라 물리적 진공 속에서 가상 입자가 끊임없이 생성되고 사라진다고 말합니다. 소위 영점 장 진동이 발생합니다. 일부 특정 장 이론에서 진공은 중요하지 않은 위상학적 특성을 가질 수 있습니다. 이론적으로 에너지 밀도 또는 기타 물리적 매개변수(사용된 가설 및 이론에 따라 다름)가 다른 여러 가지 진공이 존재할 수 있습니다. 자발적인 대칭 파괴 동안 진공의 퇴행은 Goldstone 보존의 수가 서로 다른 연속적인 진공 상태 스펙트럼의 존재로 이어집니다. 전역 최소값과 에너지가 다른 모든 필드의 다른 값에 대한 국지적 에너지 최소값을 거짓 진공이라고 합니다. 그러한 상태는 준안정적이며 에너지 방출과 함께 붕괴되어 진정한 진공이나 근본적인 거짓 진공 중 하나로 들어가는 경향이 있습니다.

이러한 장 이론 예측 중 일부는 이미 실험을 통해 성공적으로 확인되었습니다. 따라서 카시미르 효과와 원자 수준의 램 이동은 물리적 진공에서 전자기장의 영점 진동으로 설명됩니다. 현대 물리 이론은 진공에 관한 몇 가지 다른 아이디어를 기반으로 합니다. 예를 들어, 다중 진공 상태(위에서 언급한 거짓 진공)의 존재는 빅뱅 인플레이션 이론의 주요 토대 중 하나입니다.

거짓 진공

거짓 진공- 양자장 이론의 상태로, 전체적으로 최소 에너지를 갖는 상태는 아니지만 로컬 최소값에 해당합니다. 이 상태는 특정 시간 동안 안정적이지만(준안정) 실제 진공 상태로 "터널"될 수 있습니다.

아인슈타인의 진공

아인슈타인의 진공- 비어 있고 물질이 없는 시공간에 대한 일반 상대성 이론에서 아인슈타인 방정식의 해법에 가끔 사용되는 이름입니다. 동의어 - 아인슈타인 공간.

아인슈타인의 방정식은 시공간 미터법(미터법 텐서)과 관련됩니다. gμν ) 에너지-운동량 텐서. 일반적으로 다음과 같이 작성됩니다.

아인슈타인 텐서는 어디에 있나요? Gμν는 미터법 텐서와 그 부분 도함수의 명확한 함수입니다. 아르 자형- 스칼라 곡률, Λ - 우주 상수, 티μν - 물질의 에너지-운동량 텐서, π - 수 pi, 씨- 진공에서의 빛의 속도, G- 뉴턴의 중력 상수.

이러한 방정식의 진공 해는 물질이 없을 때, 즉 고려된 시공간 영역의 에너지-운동량 텐서가 0과 동일할 때 얻어집니다. 티μν = 0 . 특히 지역적(비우주론적) 솔루션을 연구할 때 람다 항은 0으로 간주되는 경우가 많습니다. 그러나 0이 아닌 람다 항을 갖는 진공 솔루션을 고려할 때( 람다 진공) De Sitter 모델(Λ > 0) 및 anti-De Sitter 모델(Λ)과 같은 중요한 우주론 모델이 발생합니다.< 0 ).

아인슈타인 방정식의 사소한 진공해는 평면 민코프스키 공간(Flat Minkowski space), 즉 특수 상대성 이론에서 고려되는 미터법입니다.

아인슈타인 방정식의 다른 진공 솔루션에는 다음과 같은 경우가 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

• Milne 우주론 모델(에너지 밀도가 0인 프리드만 미터법의 특별한 경우)
• 구형 대칭 질량 주위의 기하학을 설명하는 슈바르츠실트 미터법
• 회전하는 질량 주위의 형상을 설명하는 Kerr 미터법
• 평면 중력파(및 기타 파동 솔루션)

공간

우주 공간은 밀도와 압력이 매우 낮으며 물리적 진공에 가장 가까운 곳입니다. 그러나 우주의 진공은 실제로 완벽하지 않습니다. 심지어 성간 공간에도 입방 센티미터당 몇 개의 수소 원자가 있습니다.

별, 행성 및 위성은 중력에 의해 대기를 함께 유지하므로 대기에는 명확하게 정의된 경계가 없습니다. 대기 가스의 밀도는 물체로부터의 거리에 따라 감소합니다. 지구의 대기압은 우주와의 경계에 대한 일반적인 정의인 소위 카르만 선(Kármán line)에서 고도 100km당 약 3.2×10−2 Pa로 떨어집니다. 이 선을 넘어서면 가스의 등방성 압력은 ​​태양의 복사압과 태양풍의 동적 압력에 비해 빠르게 무시할 수 있게 되어 압력 결정을 해석하기 어려워집니다. 이 범위의 열권은 압력, 온도 및 구성의 큰 변화를 가지며 우주 기상으로 인해 매우 가변적입니다.

카르만선 위 처음 수백 킬로미터 동안의 대기 밀도는 여전히 인공 지구 위성의 움직임에 상당한 저항을 제공하기에 충분합니다. 대부분의 위성은 지구 저궤도라고 불리는 이 지역에서 작동하며 안정적인 궤도를 유지하기 위해 며칠마다 엔진을 발사해야 합니다.

우주 공간은 소위 우주 마이크로파 배경 복사라고 불리는 수많은 광자와 아직 감지할 수 없는 수많은 유물 중성미자로 가득 차 있습니다. 이러한 방사선의 현재 온도는 약 3K, 즉 -270°C입니다.

진공 연구의 역사

진공(공허함)에 대한 개념은 고대 그리스와 로마 철학자들의 시대부터 논쟁의 주제였습니다. 원자론자 - 레우키포스(기원전 500년경), 데모크리토스(기원전 460-370년경), 에피쿠로스(기원전 341-270년), 루크레티우스(기원전 99-55년경) 및 그 추종자들은 존재하는 모든 것이 원자와 공허라고 가정했습니다. 그들 사이에 진공이 없으면 움직임이 없을 것이고, 그들 사이에 빈 공간이 없다면 원자는 움직일 수 없습니다. Strato(기원전 270년 경)와 이후의 많은 철학자들은 공백이 "고체"일 수 있다고 믿었습니다( 진공 코아세르바텀) 및 "흩어진"(물질 입자 사이의 공간에서, 진공 전파).

Guericke의 진공 펌프는 Robert Boyle에 의해 크게 개선되었으며, 이를 통해 그는 진공의 특성과 진공이 다양한 물체에 미치는 영향을 밝히기 위해 여러 가지 실험을 수행할 수 있었습니다. Boyle은 진공 상태에서 작은 동물이 죽고, 불이 꺼지고, 연기가 가라앉는다는 사실을 발견했습니다(따라서 다른 신체와 마찬가지로 중력의 영향을 받습니다). 보일은 또한 진공 상태에서도 모세혈관의 액체 상승이 일어난다는 사실을 발견했으며, 이를 통해 이 현상에 기압이 관여한다는 당시 널리 퍼진 견해를 반박했습니다. 반대로, 진공 상태에서는 사이펀을 통과하는 액체의 흐름이 멈췄으며, 이는 이 현상이 대기압에 의해 발생함을 입증했습니다. 그는 화학 반응(예: 소석회)과 물체의 상호 마찰 중에 열이 진공 상태에서 방출된다는 것을 보여주었습니다.

사람과 동물에 미치는 영향

진공에 노출된 사람과 동물은 몇 초 안에 의식을 잃고 몇 분 안에 저산소증으로 사망하지만, 이러한 증상은 일반적으로 대중 문화 및 미디어에서 나타나는 증상과 유사하지 않습니다. 압력이 감소하면 혈액과 기타 체액이 끓어야 하는 끓는점이 낮아지지만, 혈관의 탄성압력으로 인해 혈액이 끓는점인 37℃에 도달하지 못하게 된다. 혈액은 끓지 않지만 저압에서 혈액 내부에 기포와 기타 체액이 형성되는 영향(공기 폐기종)은 심각한 문제입니다. 가스는 신체를 정상 크기의 두 배로 부풀릴 수 있지만 조직은 찢어지는 것을 방지할 만큼 충분히 탄력적입니다. 특수 비행복을 착용하면 부종과 ebullism을 예방할 수 있습니다. 우주왕복선 우주비행사들은 '엘리베이터'라고 불리는 특별한 탄력 있는 옷을 입었습니다. 승무원 고도 보호복(CAPS)는 2kPa(15mmHg)보다 큰 압력에서 ebullism을 방지합니다. 물의 급속한 증발로 인해 특히 입안의 피부와 점막이 0°C로 냉각되지만 이는 큰 위험을 초래하지 않습니다.

동물 실험에 따르면 신체가 진공 상태에 있는 지 90초가 지나면 일반적으로 신체가 신속하고 완전하게 회복되지만, 진공 상태에 더 오래 머무르는 것은 치명적이며 소생술이 소용이 없습니다. 진공이 인간에게 미치는 영향에 대한 데이터는 제한적이지만(보통 사고로 인해 발생함) 동물 실험에서 얻은 데이터와 일치합니다. 호흡이 손상되지 않으면 사지는 훨씬 더 오랫동안 진공 상태에 있을 수 있습니다. 로버트 보일(Robert Boyle)은 1660년에 진공청소기가 작은 동물에게 치명적이라는 것을 처음으로 보여주었습니다.

측정

진공도는 시스템에 남아 있는 물질의 양에 따라 결정됩니다. 진공은 기본적으로 절대 압력에 의해 결정되며 전체 특성화에는 온도 및 화학 성분과 같은 추가 매개변수가 필요합니다. 가장 중요한 매개변수 중 하나는 잔류 가스의 평균 자유 경로(MFP)입니다. 이는 한 충돌에서 다음 충돌까지의 자유 경로 동안 입자가 이동하는 평균 거리를 나타냅니다. 가스 밀도가 감소하면 MFP가 증가합니다. 대기압에서 공기 중 MFP는 약 70nm로 매우 짧으며, 100mPa(~1×10-3Torr)에서 공기의 MFP는 약 100mm입니다. 희박 가스의 특성은 평균 자유 경로가 가스가 위치한 용기의 크기와 비슷해지면 크게 변합니다.

진공은 이를 달성하거나 측정하는 데 필요한 기술에 따라 여러 범위로 구분됩니다. 이러한 범위에는 보편적으로 허용되는 정의가 없지만 일반적인 분포는 다음과 같습니다.

애플리케이션

진공은 많은 공정에 유용하며 다양한 장치에 사용됩니다. 대량 사용 제품으로는 처음으로 백열등에 사용되어 필라멘트를 화학적 분해로부터 보호합니다. 진공에 의해 제공되는 재료의 화학적 불활성은 전자 빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장 및 진공 튀김에도 유용합니다. 초고진공은 원자적으로 순수한 기판을 연구할 때 사용됩니다. 왜냐하면 매우 높은 진공만이 원자 수준에서 표면을 꽤 오랫동안(몇 분에서 며칠까지) 깨끗하게 유지하기 때문입니다. 고진공 및 초고진공은 공기 저항을 제거하여 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있도록 합니다. 이 원리는 반도체 및 광학 코팅 제조와 표면 화학에 사용되는 화학 기상 증착, 진공 증착, 건식 에칭의 기초가 됩니다. 대류 감소는 보온병의 단열을 제공합니다. 고진공은 액체의 끓는점을 낮추고 동결 건조, 접착제 준비, 증류, 야금 및 진공 청소에 사용되는 저온 탈기를 촉진합니다. 진공의 전기적 특성으로 인해 전자현미경과 음극선관을 포함한 진공관이 가능해졌습니다. 진공 회로 차단기는 전기 개폐 장치에 사용됩니다. 진공 파괴는 특정 등급의 강철 또는 고순도 재료를 생산하는 데 산업적으로 중요합니다. 공기 마찰을 제거하는 것은 플라이휠 및 초원심분리기 에너지 저장에 유용합니다.

진공 구동 기계

진공은 일반적으로 흡입을 생성하는 데 사용되며 훨씬 더 넓은 적용 범위를 갖습니다. Newcomen의 증기 기관은 피스톤을 구동하기 위해 압력 대신 진공을 사용했습니다. 19세기에는 Isambard Brunel의 실험적인 공압 철도의 견인을 위해 진공이 사용되었습니다. 진공 브레이크는 한때 영국 열차에서 널리 사용되었으나, 기존 철도를 제외하고는 에어 브레이크로 대체되었습니다.

이 얕은 우물 펌프는 자체 챔버 내부의 대기압을 감소시킵니다. 대기의 진공은 우물 아래로 팽창하고 물이 파이프를 통해 펌프로 흘러 들어가 감소된 압력을 동일하게 만듭니다. 지상 챔버가 있는 펌프는 대기압과 평형을 이루는 물기둥의 무게로 인해 약 9m 깊이에서만 효과적입니다.

흡기 매니폴드 진공은 차량의 보조 장비를 제어하는 ​​데 사용할 수 있습니다. 가장 잘 알려진 응용 분야는 제동력을 높이는 진공 부스터입니다. 진공은 이전에 Autovac 앞유리 와이퍼 진공 드라이브 및 연료 펌프에 사용되었습니다. 일부 항공기 계기(자세 지시계 및 방향 지시계)는 일반적으로 모든(전기) 계기의 고장에 대한 보험으로 진공으로 작동됩니다. 움직이는 항공기, 엔진 및 벤투리. 진공 유도 용해는 진공에서 전자기 유도를 사용합니다.

증기 터빈의 효율적인 작동을 위해서는 응축기의 진공을 유지하는 것이 중요합니다. 이를 위해 증기 주입기 또는 액체 링 펌프가 사용됩니다. 터빈 배기 시 응축기 증기량에 유지되는 정상 진공(터빈 응축기 압력이라고도 함)은 응축기 유형 및 환경 조건에 따라 5~15kPa 범위입니다.

탈기

진공에서의 증발 및 승화를 탈기라고 합니다. 고체든 액체든 모든 재료는 약간 기화되며(가스 발생), 진공 압력이 증기압 아래로 떨어지면 탈기가 필요합니다. 진공에 떠 있는 물질은 누출과 동일한 효과를 가지며 달성 가능한 진공을 제한할 수 있습니다. 증발 생성물은 근처의 차가운 표면에 응결될 수 있으며, 이는 광학 기기를 코팅하거나 다른 물질과 반응할 경우 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 어두워진 망원경이나 태양전지가 고비용의 작업을 방해할 수 있는 우주 비행 시 큰 문제가 됩니다.

진공 시스템에서 가장 흔한 폐기물은 챔버 재료에 흡수된 물입니다. 챔버를 건조하거나 가열하고 흡수성 물질을 제거하면 그 양을 줄일 수 있습니다. 증발하는 물은 로터리 베인 펌프의 오일에 응축되어 가스 밸러스트 장치를 사용하지 않으면 작동 속도를 크게 줄일 수 있습니다. 고진공 시스템은 가스 방출을 최소화하기 위해 깨끗하게 유지되고 유기 물질이 없어야 합니다.

초고진공 시스템은 일반적으로 진공 하에서 어닐링되어 모든 재료의 증발을 일시적으로 증가시키고 증발시킵니다. 기화된 물질의 대부분이 증발 및 제거되면 시스템을 냉각하여 물질의 기화를 줄이고 작동 중에 잔류 가스 배출을 최소화할 수 있습니다. 일부 시스템은 잔류 가스 발생을 완전히 중단하는 동시에 시스템의 극저온 펌핑 효과를 생성하기 위해 액체 질소를 사용하여 실온보다 훨씬 낮은 온도로 냉각됩니다.

펌핑 및 대기압

가스는 전혀 밀어낼 수 없으므로 흡입에 의해 진공이 생성될 수 없습니다. 흡입은 진공을 확산시키고 희석시켜 높은 압력으로 인해 가스가 유입될 수 있지만 흡입이 일어나기 전에 진공이 생성되어야 합니다. 인공 진공을 만드는 가장 쉬운 방법은 챔버의 부피를 확장하는 것입니다. 예를 들어, 횡격막 근육은 흉강을 확장시켜 폐활량을 증가시킵니다. 이러한 팽창은 압력을 감소시키고 낮은 진공을 생성하며, 대기압에 의해 강제된 공기로 곧 채워집니다.

확장을 지속적으로 사용하지 않고 무기한으로 챔버를 계속 비우려면 진공 구획을 닫고, 퍼지하고, 다시 확장하는 등의 작업을 여러 번 수행할 수 있습니다. 이는 수동 워터 펌프와 같은 용적식(가스 이송) 펌프의 작동 원리입니다. 펌프 내부의 메커니즘은 밀봉된 작은 구멍을 확장하여 진공을 생성합니다. 압력 차이로 인해 챔버(또는 이 예에서는 우물)의 일부 액체가 펌프의 작은 구멍으로 밀려납니다. 그런 다음 펌프 캐비티는 챔버에 대해 밀봉되고 대기로 개방되며 최소 크기로 압축되어 액체가 배출됩니다.

위의 설명은 대피에 대한 단순한 소개일 뿐 사용되는 펌프의 범위를 대표하는 것은 아닙니다. 용적형 펌프의 다양한 변형이 개발되었으며 많은 펌프 설계가 근본적으로 다른 원리를 기반으로 합니다. 더 높은 압력에서 사용되는 동적 펌프와 일부 유사한 펄스 전달 펌프는 용적형 펌프보다 훨씬 더 높은 품질의 진공을 제공할 수 있습니다. 고체 또는 흡수된 상태의 가스를 포집할 수 있는 가스 결합 펌프는 움직이는 부품, 씰 및 진동 없이 작동하는 경우가 많습니다. 이 펌프 중 어느 것도 보편적이지 않습니다. 각 유형에는 심각한 적용 제한이 있습니다. 모든 사람은 저질량 가스, 특히 수소, 헬륨, 네온을 펌핑하는 데 어려움을 겪습니다.

진공(영어) 진공, 독일어 진공, 위도에서. 진공- 비어 있음)은 상황에 따라 다음을 의미할 수 있는 다의미적 물리적 용어입니다.

• 희귀한 가스 상태. 이러한 진공 상태를 진공이라고 합니다. 부분적인. 진공도는 높음, 중간, 낮음이 있습니다. 높은진공은 가스 분자의 자유 경로가 가스를 담고 있는 용기의 선형 치수를 초과하는 진공이라고 합니다. 가스 분자의 자유 경로와 용기의 선형 치수가 상응하는 값이면 진공이 호출됩니다. 평균, 그리고 가스 분자의 자유 경로가 용기의 선형 치수보다 작은 경우 - 낮은.

• 이상화된 추상, 실체가 전혀 없는 공간. 이러한 진공 상태를 이상이라고 합니다.
• 입자와 장 양자가 없는 물리적 시스템입니다. 이것은 진공 상태라고 불리는 에너지가 최소인 양자 시스템의 가장 낮은 상태입니다. 불확정성 원리에 따르면, 그러한 진공에서는 물리량의 특정 부분을 정확하게 결정할 수 없습니다.

부분 진공은 20세기 초 백열등과 진공 램프가 발명되면서 산업계에서 널리 사용되었습니다. 상당수의 물리적 실험이 진공 상태에서 수행됩니다. 공기가 없거나 다른 구성의 대기가 있으면 연구 대상에 대한 원치 않는 외부 영향을 줄일 수 있습니다. 인간이 우주에 진출한 이후 진공에 대한 연구에 대한 관심이 높아졌습니다. 지구 근처 및 행성 간 공간은 매우 희박한 가스로, 진공 상태로 특징지어질 수 있습니다.

진공 연구는 17세기 중반 이탈리아 물리학자 에반젤리스타 토리첼리가 “토리첼리 공극”(ru)을 만들면서 시작되었습니다.

기술적 공백

인위적인지상 조건에서 형성된 부분 진공이라고 합니다. 이 경우에 사용되는 도구 세트를 진공 기술이라고 합니다. 진공 기술 도구 중 주요 위치는 다양한 디자인과 작동 원리의 펌프가 차지합니다.

창작을 위한 주요 도구 저진공용적형 펌프이다. 작동 원리는 용기의 가스 부피를 주기적으로 늘리거나 줄이는 것입니다. 팽창 단계인 흡입 동안 용기의 가스는 팽창하여 추가 부피를 채운 다음 차단되어 배출됩니다.

창조 높은그리고 초고진공복잡한 기술적 문제다. 진공 챔버에 가스 분자가 거의 없으면 오일 분자로 인한 챔버 오염, 가스켓 밀도 부족, 용기 벽 탈기 등과 관련된 문제가 발생합니다.

고진공을 얻기 위해 확산 펌프가 사용됩니다. 이러한 유형의 펌프의 작동 원리는 가스 분자가 흐름을 거슬러 확산되지 않는다는 사실에 기초합니다. 따라서 확산 펌프는 제트를 사용하여 진공 챔버에서 가스 분자를 끌어냅니다.

트랩 펌프를 사용하면 훨씬 더 높은 진공도를 달성할 수 있습니다. 이들의 작용은 다양한 물리적 및 화학적 원리에 기초할 수 있습니다. 극저온 펌프는 저온을 사용하여 용기 내 가스를 응축하고, 화학 펌프에서는 가스 분자가 화학 물질과 결합되거나 표면에 흡착되며, 이온화 ​​펌프에서는 진공 챔버의 가스가 이온화됩니다. 그리고 강한 전기장을 이용해 추출했습니다.

실제 진공 설비는 다양한 유형의 펌프 조합으로 구성되며, 각 펌프는 자체 작업을 수행하고 진공 챔버에서 다양한 가스 희박 수준에서 작동합니다. 진공 기술 도구에는 생성된 진공의 품질을 결정하는 데 사용되는 다양한 측정 장비도 포함됩니다.

물리적 진공

물리적 진공입자가 없는 이상화된 공간 개념이라고 합니다. 그러한 상태를 실험적으로 달성하는 것은 불가능합니다. 극도로 희박한 은하간 공간에도 개별 원자와 이온이 존재합니다. 예를 들어 물리적 진공의 추상 개념은 빛의 속도를 입자가 없는 공허함 속에서 전자기 상호 작용의 전파 속도로 정의하는 데 사용됩니다.

빈 공간은 가장 단순한 물리적 시스템인 것처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않습니다. 양자역학의 발전은 진공이 아직까지 그 특성이 완전히 이해되지 않은 복잡한 물리적 대상이라는 것을 보여주었습니다.

첫째, 아마도 전자기장의 영점 진동으로 가득 찬 진공입니다. 전자기장의 양자는 보존에 속하는 입자인 광자입니다. 낮은 상태의 보존의 파동함수는 0이 아닙니다. 보존 장을 양자화할 때 고조파 발진기로 처리됩니다. 바닥 상태에서 보존은 0이 아닌 파동 함수뿐만 아니라 0이 아닌 에너지도 갖습니다. 따라서 진공은 가능한 모든 파동 벡터, 전파 방향 및 분극을 갖춘 다양한 전자기장 및 기타 보존장의 영점 진동으로 채워집니다. 이러한 각 모드에는 요약 플랑크 상수인 에너지가 있습니다. 그렇죠? - 순환 주파수. 이러한 모드는 무한히 많고 총 진공 에너지는 무한해야 하기 때문에 진공 에너지 문제가 발생합니다. 그러나 물리적 실험, 특히 램 이동과 카시미르 효과는 전자기장의 영점 진동이 현실이며 다른 물리적 물체와 상호 작용할 수 있음을 나타냅니다.

진공에 대한 이해를 더욱 복잡하게 만드는 또 다른 아이디어는 상대론적 양자 입자, 특히 전자를 설명하는 Dirac 방정식과 관련이 있습니다. Paul Dirac은 전하 공액 작용을 사용하여 이러한 분리가 양의 에너지와의 분리로 해석될 수 있지만 반대의 양전하를 갖는 입자의 경우, 즉 전자 반입자. 이러한 반입자는 실험적으로 발견되었으며 양전자라고 불렸습니다.

디랙의 해석은 반도체의 테리아와 유사하다. 입자인 전자는 전도전자와 유사하고, 반입자인 양전자는 정공과 유사하며, 진공에 해당하는 바닥상태에서는 음에너지를 갖는 모든 에너지 상태가 채워져 있다. 양전자는 채워지지 않은 상태에 해당합니다.

양자 전기역학에서 입자 간의 상호 작용을 고려할 때 진공 상태에서 가상 전자-양전자 쌍이 형성될 가능성을 고려해야 하는 경우가 많습니다.

진공, 극도로 낮은 압력의 영역. 성간 공간은 평균 밀도가 입방 센티미터당 분자 1개 미만인 고진공 공간입니다. 인간이 만든 가장 희귀한 진공은 입방센티미터당 분자가 100,000개 미만입니다. 최초의 진공은 Evangelista Toricelli에 의해 수은 BAROMETER에 생성되었다고 믿어집니다. 1650년 독일의 물리학자 Otto von Guericke(1602-86)가 최초의 진공 펌프를 발명했습니다. 진공은 과학 연구 및 산업에서 널리 사용됩니다. 이러한 적용 사례로는 식품의 진공 포장이 있습니다. 22

고전 물리학에서는 빈 공간, 즉 입자와 장이 없는 특정 공간 영역의 개념이 사용됩니다. 이러한 빈 공간은 고전물리학의 진공상태와 동의어라고 볼 수 있다. 양자 이론에서 진공은 모든 실제 입자가 없는 가장 낮은 에너지 상태로 정의됩니다. 이 상태는 필드가 없는 상태가 아니라는 것이 밝혀졌습니다. 입자와 장 모두가 없기 때문에 존재하지 않는 것은 불가능합니다. 진공 상태에서는 실제가 아닌 단시간(가상) 현장 퀀텀의 참여로 물리적 프로세스가 발생합니다. 진공 상태에서는 전계 강도, 전자 수 등 물리량의 평균값만 0입니다. 이러한 값 자체는 해당 평균값을 중심으로 지속적으로 변동(진동)합니다. 변동의 원인은 양자 역학적 불확실성 관계로 인해 에너지 값의 불확실성이 클수록 측정 시간이 짧아집니다. 23

물리적 진공

현재 물리학에서는 물리적 진공의 특성과 능력에 대한 연구와 관련하여 근본적으로 새로운 과학 연구 방향이 형성되고 있습니다. 이러한 과학적 방향이 지배적이 되고 있으며, 응용 측면에서는 에너지, 전자, 생태학 분야의 획기적인 기술로 이어질 수 있습니다. 24

현재 세계 상황에서 진공의 역할과 위치를 이해하기 위해 우리는 진공 물질과 물질이 우리 세계에서 어떻게 상관관계가 있는지 평가하려고 노력할 것입니다.

이에 대해 Ya.B의 추론은 흥미롭다. Zeldovich. 25

“우주는 거대해요. 지구에서 태양까지의 거리는 1억 5천만 킬로미터입니다. 태양계에서 은하 중심까지의 거리는 지구에서 태양까지의 거리보다 20억 배 더 깁니다. 결과적으로, 관측 가능한 우주의 크기는 태양에서 우리 은하 중심까지의 거리보다 백만 배 더 큽니다. 그리고 이 거대한 공간은 모두 상상할 수 없을 정도로 많은 양의 물질로 가득 차 있습니다. 26

지구의 질량은 5.97·10 27g이 넘습니다. 이는 이해하기 어려울 정도로 큰 값입니다. 태양의 질량은 333,000배 더 큽니다. 우주의 관측 가능한 영역에서만 전체 질량이 태양 질량의 10의 22제곱 정도입니다. 끝없이 광대한 공간과 그 안에 들어 있는 물질의 양은 상상을 초월합니다.” 27

반면, 고체의 일부인 원자는 우리가 알고 있는 어떤 물체보다 몇 배 더 작지만, 원자 중심에 위치한 핵보다는 몇 배 더 큽니다. 원자의 거의 모든 물질은 핵에 집중되어 있습니다. 핵의 크기가 양귀비 씨앗만큼 커지도록 원자를 확대하면 원자의 크기는 수십 미터로 증가합니다. 핵에서 수십 미터 떨어진 곳에는 몇 배로 확대된 전자가 있을 것인데, 전자는 크기가 작아서 여전히 눈으로 보기 어렵습니다. 그리고 전자와 핵 사이에는 물질로 채워지지 않은 거대한 공간이 남을 것입니다. 그러나 이것은 빈 공간이 아니라 물리학자들이 물리적 진공이라고 부르는 특별한 유형의 물질입니다. 28

"물리적 진공"이라는 개념 자체가 진공이 공허함도 아니고 "아무것도"가 아니라는 깨달음의 결과로 과학에 등장했습니다. 그것은 세상의 모든 것을 낳고 주변 세계를 구성하는 물질의 특성을 설정하는 매우 중요한 "무언가"를 나타냅니다. 단단하고 거대한 물체 내부에서도 진공은 물질보다 헤아릴 수 없을 정도로 더 많은 공간을 차지한다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 우리는 진공이라는 물질로 가득 찬 광대한 공간에서 물질은 가장 드문 예외라는 결론에 도달한다. 기체 환경에서 이러한 비대칭성은 물질의 존재가 규칙보다 더 예외적인 우주에서는 말할 것도 없고 훨씬 더 두드러집니다. 우주에 있는 엄청나게 많은 양의 물질과 비교하면 우주에 있는 진공 물질의 양이 얼마나 엄청나게 큰지 알 수 있습니다. 현재 과학자들은 물질이 진공이라는 물질적 실체에 기원을 두고 있으며, 물질의 모든 성질은 물리적 진공의 성질에 의해 결정된다는 사실을 이미 알고 있다. 29

과학은 진공의 본질을 더욱 깊이 파고들고 있습니다. 물질 세계의 법칙 형성에서 진공의 근본적인 역할이 드러납니다. 일부 과학자들이 “모든 것은 진공 상태에서 왔으며 우리 주변의 모든 것은 진공 상태”라고 주장하는 것은 더 이상 놀라운 일이 아닙니다. 진공의 본질을 설명하는 데 획기적인 발전을 이룬 물리학은 에너지, 환경 문제를 비롯한 많은 문제를 해결하는 데 진공을 실용적으로 활용할 수 있는 조건을 마련했습니다. 서른

노벨상 수상자 R. Feynman과 J. Wheeler의 계산에 따르면, 진공의 에너지 잠재력은 너무 커서 "일반 전구의 부피에 포함된 진공에는 너무 많은 양의 에너지가 들어 있습니다. 지구상의 모든 바다를 끓일 만큼 충분합니다.” 그러나 지금까지 물질로부터 에너지를 얻는 전통적인 방식은 여전히 ​​지배적일 뿐만 아니라 유일한 가능한 방식으로 간주됩니다. 환경은 여전히 ​​​​너무 많은 진공을 잊어 버리고 너무 적은 물질로 완고하게 이해되고 있습니다. 말 그대로 에너지 속에서 헤엄치는 인류가 에너지 굶주림을 경험하게 된 것은 바로 이 오래된 "물질적" 접근 방식입니다. 31

새로운 "진공" 접근 방식은 주변 공간, 즉 물리적 진공이 에너지 변환 시스템의 필수적인 부분이라는 사실에서 시작됩니다. 동시에 진공에너지를 얻을 수 있는 가능성은 물리법칙을 벗어나지 않는 자연스러운 설명을 찾는다. 초과 에너지 균형을 갖춘 에너지 플랜트를 생성할 수 있는 길이 열리고 있으며, 여기서 수신된 에너지는 기본 전원에서 소비되는 에너지를 초과합니다. 과도한 에너지 균형을 갖춘 에너지 설비는 자연 자체에 저장된 막대한 진공 에너지에 접근할 수 있게 됩니다. 32

무슨 일이야? 진공? 이 질문에 대한 대답은 일반적으로 "공기가 희박한 공간" 또는 "공기가 펌핑되는 용기 내부 공간"입니다. 그러나 모든 희박함은 진공이며 어떤 것과 관련하여 진공입니까?

고대에는 진공에 대한 경험적 연구를 위한 몇 가지 전제 조건이 존재했습니다. 고대 그리스 역학은 공기 희박을 기반으로 다양한 기술 장치를 만들었습니다. 예를 들어, 피스톤 아래에 진공을 생성하여 작동하는 물 펌프는 아리스토텔레스 시대에도 알려져 있었습니다. 진공에 대한 실증적 연구는 르네상스가 끝나고 현대 과학 혁명이 시작된 17세기에야 시작되었습니다. 이때까지 흡입 펌프가 물을 10미터 이하의 높이까지 끌어올릴 수 있다는 것이 오랫동안 알려져 있었습니다.

실제로는 매우 희박한 가스를 기술적 진공이라고 합니다. 거시적 부피에서는 유한한 온도에서 모든 물질의 포화 증기 밀도가 0이 아니기 때문에 이상적인 진공은 실제로 달성할 수 없습니다. 또한 많은 재료(두꺼운 금속, 유리 및 기타 용기 벽 포함)를 통해 가스가 통과할 수 있습니다. 그러나 미세한 부피에서는 이상적인 진공을 달성하는 것이 원칙적으로 가능합니다.

엄밀히 말하면 기술적 진공은 주변 대기보다 압력이 낮은 용기 또는 파이프라인의 가스입니다. 일반적으로 대기와 고진공 펌프 사이에는 소위 전진공 펌프가 있어 예비 진공을 생성하므로 낮은 진공을 종종 전진공이라고 합니다. 챔버의 압력이 더욱 감소하면 가스 분자의 평균 자유 경로가 증가합니다. 이 경우 가스 분자는 서로 충돌하는 것보다 벽과 훨씬 더 자주 충돌합니다. 이 경우에는 고진공에 대해 이야기합니다. 일부 결정의 미세한 기공의 고진공은 기공의 직경이 분자의 자유 경로보다 훨씬 작기 때문에 이미 대기압에서 달성됩니다.

우주 공간은 밀도와 압력이 매우 낮으며 물리적 진공에 가장 가까운 곳입니다. 그러나 우주의 진공은 실제로 완벽하지 않습니다. 심지어 성간 공간에도 입방 센티미터당 몇 개의 수소 원자가 있습니다.

실제로 실린더 내부의 공기가 정상 대기압에서의 밀도에 비해 10,000배 희박하다고 가정해 보겠습니다. 즉, 실린더 내부의 압력은 0.076mm입니다. HG 미술.

실린더에 진공이 있습니까? 그리고 이 원통을 지구 표면 위 100km 높이까지 올리면 기압이 0.007mm에 불과하다고 계속 가정할 수 있습니까? HG 미술. 실제로 이 경우 실린더 내부의 공기 밀도는 외부보다 10배 더 높아집니다! 그렇다면 진공은 실린더 내부 또는 외부 어디에 있습니까?

현대 물리학은 진공을 용기 외부나 내부의 압력량이 아니라 용기 내부의 기체 분자의 자유 경로와 연관시킵니다. 가스 분자는 연속적으로 혼란스러운 열 운동을 하고 있습니다. 실온에서 공기 분자의 열 이동 속도는 약 450m/s입니다. 즉, 속도에 접근합니다. 모든 방향으로 움직이면서 분자들은 끊임없이 서로 충돌합니다. 공기의 밀도가 높을수록 단위 부피에 더 많은 분자가 존재하고 분자가 더 자주 충돌합니다.

공기가 얇으면 분자의 충돌 빈도가 줄어듭니다. 평균적으로 두 충돌 사이에서 더 긴 거리를 이동해야 하며 이를 평균 자유 경로라고 합니다.

물리적 관점에서 볼 때, 진공은 평균 자유 경로가 평균적으로 용기 크기보다 큰 희박입니다. 진공 용기 내 분자 충돌이 거의 발생하지 않는 경우, 용기의 한 벽에서 다른 벽으로 이동하는 대부분의 분자는 다른 분자를 만나지 않습니다.

진공은 좋은 단열재입니다. 열에너지 전달은 열복사로 인해 발생하며 대류 및 열전도율은 제외됩니다. 이 속성은 이중벽이 있고 그 사이의 공간이 비워진 용기로 구성된 보온병의 단열에 사용됩니다.