Vrednost vakuuma. Kaj je fizični vakuum? Teoretična utemeljitev koncepta etra

Zelo pogosto pridejo k nam ljudje, ki želijo kupiti vakuumsko črpalko, a nimajo pojma, kaj je vakuum.
Poskusimo ugotoviti, kaj je to.

Po definiciji je vakuum prostor brez snovi (iz latinske besede “vacuus” - prazen).
Poznamo več definicij vakuuma: tehnični vakuum, fizični vakuum, kozmični vakuum itd.
Upoštevali bomo tehnični vakuum, ki je definiran kot zelo redek plin.

Poglejmo primer, kaj je vakuum in kako se meri.
Na našem planetu je atmosferski tlak, vzet kot ena (ena atmosfera). Spreminja se glede na vreme, nadmorsko višino in gladino morja, vendar tega ne bomo upoštevali, saj to nikakor ne bo vplivalo na razumevanje pojma vakuum.
Torej imamo tlak na površini zemlje enak 1 atmosferi. Vse pod 1 atmosfero (v zaprti posodi) imenujemo tehnični vakuum.

Vzamemo posodo in jo zapremo z nepredušnim pokrovom. Tlak v posodi bo 1 atmosfera. Če začnemo črpati zrak iz posode, bo v njej nastal vakuum, ki ga imenujemo vakuum.
Poglejmo primer: v levi posodi je 10 krogov. Naj bo 1 atmosfera.
"Izčrpajte" polovico - dobimo 0,5 atm, pustimo eno - dobimo 0,1 atm.

Ker je v posodi samo ena atmosfera, je največji možni vakuum, ki ga lahko dosežemo (teoretično), nič atmosfer.
"Teoretično" - ker Skoraj nemogoče je ujeti vse molekule zraka iz posode.
Zato v vsaki posodi, iz katere je bil izčrpan zrak (plin), vedno ostane neka minimalna količina. To se imenuje "preostali tlak", to je tlak, ki ostane v posodi po črpanju plinov iz nje.
Obstajajo posebne črpalke, ki lahko dosežejo globok vakuum do 0,00001 Pa, vendar še vedno ne do nič.
V običajnem življenju je redko potreben vakuum, globlji od 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Obstaja več možnosti za merjenje vakuuma, odvisno od izbire referenčne točke:
1. Enota je atmosferski tlak. Vse pod ena je vakuum.
To pomeni, da je lestvica vakuumskega merilnika od 1 do 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. Atmosferski tlak je enak nič. To je vakuum - vsa negativna števila so manjša od 0 in do -1.
To pomeni, da je lestvica vakuumskega merilnika od 0 do -1 (0, -0,1...-0,2...., -0,9,...-1).
Tudi lestvice so lahko v kPa, mBar, vendar je vse to podobno lestvicam v atmosferah.

Na sliki so prikazani vakuumski merilniki z različnimi skalami, ki prikazujejo isti vakuum:

Iz vsega zgoraj navedenega je jasno, da velikost vakuuma ne more biti večja od atmosferskega tlaka.

Skoraj vsak dan nas kontaktirajo ljudje, ki želijo dobiti vakuum -2, -3 atm itd.
In so zelo presenečeni, ko ugotovijo, da je to nemogoče (mimogrede, vsak drugi pravi, da "sami ne veste ničesar", "s sosedom je tako," itd., itd.)

Pravzaprav vsi ti ljudje želijo oblikovati dele pod vakuumom, vendar tako, da je pritisk na del večji od 1 kg/cm2 (1 atmosfera).
To lahko dosežete tako, da izdelek prekrijete s filmom in izpod njega izčrpate zrak (v tem primeru bo največji tlak, odvisno od ustvarjenega vakuuma, 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), in nato vse skupaj postavite v avtoklav, v katerem se bo ustvaril nadtlak. To pomeni, da je za ustvarjanje tlaka 2 kg / cm2 dovolj, da v avtoklavu ustvarite nadtlak 1 atm.

Zdaj pa nekaj besed o tem, koliko strank meri vakuum na razstavi Ampika Pumps LLC v naši pisarni:
vklopite črpalko, položite prst (dlan) na sesalno odprtino vakuumske črpalke in takoj sklepajte o velikosti vakuuma.

Ponavadi vsi radi primerjajo sovjetsko vakuumsko črpalko 2NVR-5DM in njen analog VE-2100, ki ga ponujamo.
Po takem preverjanju vedno rečejo isto - vakuum 2NVR-5DM je višji (čeprav obe črpalki dejansko proizvajata enake parametre vakuuma).

Kaj je razlog za to reakcijo? In kot vedno – v nepoznavanju fizikalnih zakonov in kaj sploh je pritisk.

Malo poučnega ozadja: tlak "P" je sila, ki deluje na določeno površino, usmerjeno pravokotno na to površino (razmerje sile "F" na površino "S"), to je P = F/ S.
Preprosto povedano, to je sila, porazdeljena po površini.
Iz te formule je razvidno, da večja kot je površina, nižji bo tlak. Prav tako je sila, ki je potrebna za dvig roke ali prsta iz vstopne odprtine črpalke, neposredno sorazmerna s površino (F=P*S).
Premer sesalne odprtine vakuumske črpalke 2NVR-5DM je 25 mm (površina 78,5 mm2).
Premer sesalne odprtine vakuumske črpalke VE-2100 je 6 mm (površina 18,8 mm2).
To pomeni, da je za dvig roke iz luknje s premerom 25 mm potrebna 4,2-krat večja sila kot za luknjo s premerom 6 mm (pri enakem tlaku).
Zato pri merjenju vakuuma s prsti pride do takšnega paradoksa.
Tlak "P" je v tem primeru izračunan kot razlika med atmosferskim tlakom in preostalim tlakom v posodi (to je vakuum v črpalki).

Kako izračunati silo pritiska dela na površino?
Zelo preprosto. Lahko uporabite zgoraj navedeno formulo, vendar jo poskusimo razložiti bolj preprosto.
Na primer, recimo, da morate ugotoviti, s kakšno silo je mogoče pritisniti del, ki meri 10x10 cm, ko se pod njim ustvari vakuum s črpalko VVN 1-0,75.

Vzamemo preostali tlak, ki ga ustvarja ta vakuumska črpalka serije BBH.
Natančneje, za to vodno obročno črpalko VVN 1-0,75 je 0,4 atm.
1 atmosfera je enaka 1 kg/cm2.
Površina dela je 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
To pomeni, da če ustvarite največji vakuum (to pomeni, da bo pritisk na del 1 atm), bo del pritisnjen s silo 100 kg.
Ker imamo vakuum 0,4 atm, bo tlak 0,4x100 = 40 kg.
Ampak to je v teoriji, v idealnih pogojih, če ni uhajanja zraka itd.
V resnici morate to upoštevati in tlak bo 20...40% manjši, odvisno od vrste površine, hitrosti črpanja itd.

Zdaj pa nekaj besed o mehanskih merilnikih vakuuma.
Te naprave prikazujejo preostali tlak v območju 0,05 ... 1 atm.
To pomeni, da ne bo pokazal globljega vakuuma (vedno bo pokazal "0"). Na primer, v kateri koli vakuumski črpalki z rotacijskimi lopaticami, ko je dosežen največji vakuum, bo mehanski vakuumski merilnik vedno pokazal "0". Če je potreben vizualni prikaz vrednosti preostalega tlaka, morate namestiti elektronski vakuumski merilnik, na primer VG-64.

Pogosto pridejo k nam naročniki, ki v vakuumu oblikujejo dele (npr. dele iz kompozitnih materialov: ogljikova vlakna, steklena vlakna itd.), to je potrebno, da med oblikovanjem plin uhaja iz veziva (smole) in s tem izboljša lastnosti materiala. končni izdelek, prav tako pa je bil del pritisnjen na kalup s filmom, izpod katerega je bil izčrpan zrak.
Postavlja se vprašanje: katero vakuumsko črpalko uporabiti - enostopenjsko ali dvostopenjsko?
Običajno mislijo, da bodo deli boljši, ker je vakuum pri dvostopenjskem višji.

Vakuum pri enostopenjski črpalki je 20 Pa, pri dvostopenjski pa 2 Pa. Zdi se, da ker je razlika v pritisku 10-krat, bo del pritisnjen veliko močneje.
Toda ali je res tako?

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
To pomeni, da bo razlika v tlaku filma pri vakuumu 20 Pa in 2 Pa 0,00018 kg/cm2 (če niste preveč leni, lahko izračune naredite sami).

Se pravi, praktično ne bo nobene razlike, ker... povečanje vpenjalne sile za 0,18 g ne bo spremenilo vremena.

Kako izračunati, koliko časa bo vakuumska črpalka potrebovala, da izprazni vakuumsko komoro?
Za razliko od tekočin plini zasedejo celotno razpoložljivo prostornino in če vakuumska črpalka izčrpa polovico zraka v vakuumski komori, se bo preostali zrak ponovno razširil in zasedel celotno prostornino.
Spodaj je formula za izračun tega parametra.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Kje

t je čas (v urah), potreben za črpanje prostornine vakuuma s tlaka p1 na tlak p2
V - prostornina črpanega rezervoarja, m3
S - hitrost delovanja vakuumske črpalke, m3/uro
p1 - ​​​​začetni tlak v izčrpani posodi, mbar
p2 - končni tlak v izčrpani posodi, mbar
ln - naravni logaritem

F - korekcijski faktor, odvisen od končnega tlaka v rezervoarju p2:
- p2 od 1000 do 250 mbar F=1
- p2 od 250 do 100 mbar F=1,5
- p2 od 100 do 50 mbar F=1,75
- p2 od 50 do 20 mbar F=2
- p2 od 20 do 5 mbar F=2,5
- p2 od 5 do 1 mbar F=3

Na kratko, to je to.
Upamo, da bodo te informacije komu pomagale pri pravilni izbiri vakuumske opreme in ob kozarcu piva pokazati svoje znanje...

V prostornini je idealni vakuum v praksi nedosegljiv, saj imajo pri končni temperaturi vsi materiali gostoto nasičene pare, ki je različna od nič. Poleg tega številni materiali (zlasti debela kovina, steklo in druge stene posod) omogočajo prehajanje plinov. IN mikroskopsko volumnov pa je doseganje idealnega vakuuma načeloma mogoče.

Visok vakuum v mikroskopskih porah nekaterih kristalov in v ultratankih kapilarah je dosežen že pri atmosferskem tlaku, saj premer pore/kapilare postane manjši od proste poti molekule, ki je v normalnih pogojih enaka ~60 nanometrov na zraku. .

Omeniti velja, da tudi v popolnem vakuumu pri končni temperaturi vedno obstaja nekaj toplotnega sevanja (plin fotonov). Tako bo telo, postavljeno v idealen vakuum, zaradi izmenjave toplotnih fotonov prej ali slej prišlo v toplotno ravnovesje s stenami vakuumske komore.

Vakuum je dober toplotni izolator; Prenos toplotne energije v njem nastane samo zaradi toplotnega sevanja, konvekcija in toplotna prevodnost sta izključeni. Ta lastnost se uporablja za toplotno izolacijo termos (Dewarjevih bučk), sestavljenih iz posode z dvojnimi stenami, med katerimi je prazen prostor.

Vakuum se pogosto uporablja v električnih vakuumskih napravah - radijskih ceveh (na primer magnetroni mikrovalovnih pečic), katodnih ceveh itd.

Fizični vakuum

V kvantni fiziki fizikalni vakuum razumemo kot najnižje (osnovno) energijsko stanje kvantiziranega polja, ki ima gibalno količino nič, kotno količino in druga kvantna števila. Poleg tega takšno stanje ne ustreza nujno praznini: polje v najnižjem stanju je lahko na primer polje kvazidelcev v trdni snovi ali celo v jedru atoma, kjer je gostota izjemno visoka. Fizični vakuum imenujemo tudi prostor, popolnoma brez snovi, ki je v tem stanju napolnjen s poljem. To stanje ni absolutna praznina. Kvantna teorija polja pravi, da se v skladu z načelom negotovosti virtualni delci nenehno rojevajo in izginjajo v fizičnem vakuumu: pojavljajo se tako imenovana nihanja polja ničelne točke. V nekaterih specifičnih teorijah polja ima lahko vakuum netrivialne topološke lastnosti. V teoriji lahko obstaja več različnih vakuumov, ki se razlikujejo po energijski gostoti ali drugih fizikalnih parametrih (odvisno od uporabljenih hipotez in teorij). Degeneracija vakuuma med spontanim rušenjem simetrije vodi v obstoj zveznega spektra vakuumskih stanj, ki se med seboj razlikujejo po številu Goldstoneovih bozonov. Lokalni energetski minimumi pri različnih vrednostih katerega koli polja, ki se razlikujejo po energiji od globalnega minimuma, se imenujejo lažni vakuum; takšna stanja so metastabilna in se nagibajo k razpadu s sproščanjem energije, prehajajo v pravi vakuum ali v enega od spodnjih lažnih vakuumov.

Nekatere od teh napovedi teorije polja so bile že uspešno potrjene z eksperimentom. Tako sta Casimirjev učinek in Lambov premik atomskih ravni razložena z ničelnimi nihanji elektromagnetnega polja v fizičnem vakuumu. Sodobne fizikalne teorije temeljijo na nekaterih drugih idejah o vakuumu. Na primer, obstoj več stanj vakuuma (zgoraj omenjeni lažni vakuum) je eden od glavnih temeljev inflacijske teorije velikega poka.

Lažni vakuum

Lažni vakuum- stanje v kvantni teoriji polja, ki ni stanje z globalno minimalno energijo, ampak ustreza njenemu lokalnemu minimumu. To stanje je določen čas stabilno (metastabilno), lahko pa preide v »tunel« v stanje pravega vakuuma.

Einsteinov vakuum

Einsteinov vakuum- včasih uporabljeno ime za rešitve Einsteinovih enačb splošne relativnostne teorije za prazen prostor-čas brez snovi. sinonim - Einsteinov prostor.

Einsteinove enačbe povezujejo metriko prostor-čas (metrični tenzor gμν ) s tenzorjem energije in impulza. Na splošno so zapisani kot

kje je Einsteinov tenzor Gμν je določena funkcija metričnega tenzorja in njegovih parcialnih odvodov, R- skalarna ukrivljenost, Λ - kozmološka konstanta, Tμν - tenzor energije in impulza snovi, π - število pi, c- hitrost svetlobe v vakuumu, G- Newtonova gravitacijska konstanta.

Vakuumske rešitve teh enačb dobimo v odsotnosti snovi, to je, ko je tenzor energije in impulza v obravnavanem območju prostora-časa identično enak nič: Tμν = 0 . Pogosto se tudi lambda člen šteje za nič, zlasti pri proučevanju lokalnih (nekozmoloških) rešitev. Vendar pa pri obravnavi vakuumskih rešitev z lambda členom, ki ni enak nič ( lambda vakuum) nastanejo tako pomembni kozmološki modeli, kot sta De Sitterjev model (Λ > 0) in anti-De Sitterjev model (Λ< 0 ).

Trivialna vakuumska rešitev Einsteinovih enačb je ravno prostor Minkowskega, to je metrika, obravnavana v posebni teoriji relativnosti.

Druge vakuumske rešitve Einsteinovih enačb vključujejo, vendar niso omejene na naslednje primere:

• Milnejev kozmološki model (poseben primer Friedmannove metrike z ničelno gostoto energije)
• Schwarzschildova metrika, ki opisuje geometrijo okoli sferično simetrične mase
• Kerrova metrika, ki opisuje geometrijo okoli rotirajoče mase
• Ravni gravitacijski val (in druge valovne rešitve)

Vesolje

Vesolje ima zelo nizko gostoto in pritisk ter je najboljši približek fizičnega vakuuma. Toda vakuum v vesolju ni resnično popoln; tudi v medzvezdnem prostoru je nekaj atomov vodika na kubični centimeter.

Zvezde, planeti in sateliti držijo svojo atmosfero skupaj zaradi gravitacije in kot taka atmosfera nima jasno opredeljene meje: gostota atmosferskega plina se preprosto zmanjšuje z oddaljenostjo od predmeta. Zemljin atmosferski tlak pade na približno 3,2×10−2 Pa na 100 km višine—na tako imenovani Kármánovi črti, ki je splošna definicija meje z vesoljem. Onkraj te črte postane izotropni tlak plina hitro zanemarljiv v primerjavi s tlakom sevanja Sonca in dinamičnim pritiskom sončnega vetra, zato je določitev tlaka težko razlagati. Termosfera v tem območju ima velike gradiente tlaka, temperature in sestave ter je zelo spremenljiva zaradi vesoljskega vremena.

Atmosferska gostota v prvih nekaj sto kilometrih nad Karmanovo črto je še vedno zadostna, da zagotavlja znaten upor gibanju umetnih zemeljskih satelitov. Večina satelitov deluje v tej regiji, imenovani nizka zemeljska orbita, in morajo vsakih nekaj dni sprožiti svoje motorje, da ohranijo stabilno orbito.

Vesolje je napolnjeno z velikim številom fotonov, tako imenovanim kozmičnim mikrovalovnim sevanjem ozadja, pa tudi z velikim številom reliktnih nevtrinov, ki jih še ni mogoče zaznati. Trenutna temperatura teh sevanj je približno 3 K ali −270 °C.

Zgodovina raziskovanja vakuuma

Zamisel o vakuumu (praznini) je bila predmet razprave že od časov starogrških in rimskih filozofov. Atomisti - Levkip (ok. 500 pr. n. št.), Demokrit (ok. 460-370 pr. n. št.), Epikur (341-270 pr. n. št.), Lukrecij (ok. 99 -55 pr. n. št.) in njihovi privrženci so domnevali, da so vse, kar obstaja, atomi in praznina med njimi in brez vakuuma ne bi bilo gibanja, atomi se ne bi mogli premikati, če med njimi ne bi bilo praznega prostora. Straton (okoli 270 pr. n. št.) in številni filozofi v poznejših časih so verjeli, da je praznina lahko "trdna" ( vakuumski koacervatum) in »razpršeno« (v prostorih med delci snovi, vakuumski disseminatum).

Guerickejevo vakuumsko črpalko je Robert Boyle bistveno izboljšal, kar mu je omogočilo izvedbo številnih poskusov za pojasnitev lastnosti vakuuma in njegovega vpliva na različne predmete. Boyle je odkril, da v vakuumu majhne živali umirajo, ogenj ugasne in dim potone navzdol (zato nanj gravitacija vpliva enako kot na druga telesa). Boyle je tudi ugotovil, da do dviga tekočine v kapilarah prihaja tudi v vakuumu, in s tem ovrgel takrat prevladujoče mnenje, da je v ta pojav vpleten zračni tlak. Nasprotno, pretok tekočine skozi sifon v vakuumu se je ustavil, kar dokazuje, da je ta pojav posledica atmosferskega tlaka. Pokazal je, da se pri kemijskih reakcijah (kot je gašenje apna), pa tudi med medsebojnim trenjem teles v vakuumu sprošča toplota.

Vpliv na ljudi in živali

Ljudje in živali, izpostavljeni vakuumu, izgubijo zavest v nekaj sekundah in umrejo zaradi hipoksije v nekaj minutah, vendar ti simptomi na splošno niso podobni tistim, prikazanim v popularni kulturi in medijih. Znižanje tlaka zniža vrelišče, pri katerem morajo kri in druge telesne tekočine vreti, vendar elastični pritisk krvnih žil preprečuje, da bi kri dosegla vrelišče 37 °C. Čeprav kri ne vre, je učinek plinskih mehurčkov, ki nastajajo v njej in drugih telesnih tekočinah pri nizkem tlaku, znan kot ebulizem (zračni emfizem), resen problem. Plin lahko napihne telo na dvakratno normalno velikost, vendar so tkiva dovolj elastična, da preprečijo trganje. Edeme in ebulizem je mogoče preprečiti z nošenjem posebne letalske obleke. Astronavti raketoplanov so nosili posebna elastična oblačila, imenovana Višinska zaščitna obleka posadke(CAPS), ki preprečuje ebulizem pri tlakih, večjih od 2 kPa (15 mmHg). Hitro izhlapevanje vode ohladi kožo in sluznico na 0 °C, predvsem v ustih, vendar to ne predstavlja velike nevarnosti.

Poskusi na živalih kažejo, da po 90 sekundah bivanja telesa v vakuumu običajno pride do hitrega in popolnega okrevanja telesa, vendar je daljše bivanje v vakuumu usodno in oživljanje zaman. Podatki o učinkih vakuuma na ljudi so omejeni (običajno se je to zgodilo v nesrečah), vendar se skladajo s podatki, pridobljenimi s poskusi na živalih. Okončine lahko ostanejo v vakuumu veliko dlje, če dihanje ni moteno. Robert Boyle je leta 1660 prvi pokazal, da je vakuum smrtonosen za male živali.

Merjenje

Stopnja vakuuma je določena s količino snovi, ki ostane v sistemu. Vakuum je primarno določen z absolutnim tlakom, popolna karakterizacija pa zahteva dodatne parametre, kot sta temperatura in kemična sestava. Eden najpomembnejših parametrov je srednja prosta pot (MFP) preostalih plinov, ki kaže povprečno razdaljo, ki jo delec prepotuje med svojo prosto potjo od enega trka do drugega. Če se gostota plina zmanjša, se MFP poveča. MFP v zraku pri atmosferskem tlaku je zelo kratek, približno 70 nm, pri 100 mPa (~ 1 × 10-3 Torr) pa je MFP zraka približno 100 mm. Lastnosti redčenega plina se močno spremenijo, ko povprečna prosta pot postane primerljiva z velikostjo posode, v kateri je plin.

Vakuum je razdeljen na območja glede na tehnologijo, ki je potrebna za doseganje ali merjenje. Ti obsegi nimajo splošno sprejetih definicij, vendar je tipična porazdelitev videti takole:

Aplikacija

Vakuum je uporaben za številne procese in se uporablja v različnih napravah. Prvič za široko rabljeno blago je bil uporabljen v žarnicah z žarilno nitko za zaščito žarilne nitke pred kemičnim razkrojem. Kemijska inertnost materialov, ki jo zagotavlja vakuum, je koristna tudi za varjenje z elektronskim žarkom, hladno varjenje, vakuumsko pakiranje in vakuumsko cvrtje. Ultravisok vakuum se uporablja pri preučevanju atomsko čistih substratov, saj le zelo visok vakuum ohranja čistost površin na atomski ravni precej dolgo časa (od minut do dni). Visoki in ultra visoki vakuumi odpravijo zračni upor, kar omogoča, da žarki delcev odlagajo ali odstranjujejo materiale brez kontaminacije. To načelo je osnova kemičnega naparjevanja, vakuumskega nanašanja in suhega jedkanja, ki se uporabljajo pri izdelavi polprevodnikov in optičnih prevlek ter v površinski kemiji. Zmanjšana konvekcija zagotavlja toplotno izolacijo v termovkah. Visok vakuum zniža vrelišče tekočine in spodbuja nizkotemperaturno razplinjevanje, ki se uporablja pri sušenju z zamrzovanjem, pripravi lepila, destilaciji, metalurgiji in vakuumskem čiščenju. Električne lastnosti vakuuma omogočajo elektronske mikroskope in vakuumske cevi, vključno s katodnimi cevmi. Vakuumski odklopniki se uporabljajo v električnih stikalnih napravah. Vakuumska razgradnja je industrijskega pomena za proizvodnjo nekaterih vrst jekla ali materialov visoke čistosti. Odprava zračnega trenja je koristna za shranjevanje energije vztrajnika in ultracentrifuge.

Stroji na vakuumski pogon

Vakuum se običajno uporablja za ustvarjanje sesanja, ki ima še širši obseg uporabe. Newcomenov parni stroj je za pogon bata uporabljal vakuum namesto tlaka. V 19. stoletju so vakuum uporabljali za vleko na eksperimentalni pnevmatski železnici Isambarda Brunela. Vakuumske zavore so bile nekoč pogosto uporabljene na vlakih v Združenem kraljestvu, vendar so jih, razen na dediščinskih železnicah, zamenjale zračne zavore.

Ta črpalka za plitvi vodnjak zmanjša atmosferski tlak v svoji komori. Atmosferski vakuum se razširi navzdol v vodnjak in prisili vodo, da teče po cevi navzgor v črpalko, da izenači znižani tlak. Črpalke z zemeljsko komoro so učinkovite le do globine okoli 9 metrov, zaradi teže vodnega stolpca, ki izenačuje atmosferski tlak.

Podtlak v sesalnem kolektorju se lahko uporablja za krmiljenje pomožne opreme na vozilih. Najbolj znana uporaba je kot vakuumski ojačevalnik za povečanje zavorne moči. Vakuum je bil prej uporabljen v vakuumskih pogonih brisalcev vetrobranskega stekla in črpalkah za gorivo Autovac. Nekateri letalski instrumenti (indikator položaja in kazalnik smeri) običajno delujejo z vakuumom kot zavarovanje pred odpovedjo vseh (električnih) instrumentov, saj prva letala pogosto niso imela električnih sistemov in ker sta na letalu dva lahko dostopna vira vakuuma. premikajoče se letalo, motor in venturijeva cev. Vakuumsko indukcijsko taljenje uporablja elektromagnetno indukcijo v vakuumu.

Vzdrževanje vakuuma v kondenzatorju je pomembno za učinkovito delovanje parnih turbin. V ta namen se uporablja parni injektor ali črpalka s tekočinskim obročem. Običajni vakuum, ki se vzdržuje v prostornini pare kondenzatorja na izpuhu turbine (imenovan tudi tlak turbinskega kondenzatorja), je v območju od 5 do 15 kPa, odvisno od vrste kondenzatorja in okoljskih pogojev.

Razplinjevanje

Izhlapevanje in sublimacija v vakuumu se imenuje razplinjevanje. Vsi materiali, trdni ali tekoči, rahlo uparjajo (pride do uplinjanja), njihovo razplinjevanje pa je potrebno, ko vakuumski tlak pade pod njihov parni tlak. Lebdeči materiali v vakuumu imajo enak učinek kot puščanje in lahko omejijo dosegljiv vakuum. Izdelki izhlapevanja lahko kondenzirajo na bližnjih hladnejših površinah, kar lahko povzroči težave, če prekrijejo optične instrumente ali reagirajo z drugimi materiali. To povzroča velike težave pri letenju v vesolje, kjer bi lahko zatemnjen teleskop ali sončna celica iztirila drago operacijo.

Najpogostejši odpadni produkt v vakuumskih sistemih je voda, ki jo absorbirajo materiali komore. Njegovo količino lahko zmanjšamo s sušenjem ali segrevanjem komore in odstranitvijo vpojnih materialov. Voda, ki izhlapeva, lahko kondenzira v olju črpalk z lopaticami in dramatično zmanjša njihovo delovno hitrost, če se ne uporablja balastna naprava za plin. Sistemi z visokim vakuumom morajo biti čisti in brez organskih snovi, da se čim bolj zmanjša izločanje plinov.

Sistemi z ultra visokim vakuumom so običajno žarjeni, po možnosti v vakuumu, da začasno povečajo izhlapevanje vseh materialov in jih izhlapijo. Ko je večina uparjenih materialov izhlapenih in odstranjenih, lahko sistem ohladite, da zmanjšate uparjanje materialov in čim bolj zmanjšate emisije preostalih plinov med operativnim delovanjem. Nekateri sistemi so ohlajeni znatno pod sobno temperaturo s pomočjo tekočega dušika, da popolnoma zaustavijo nastajanje ostankov plina in hkrati ustvarijo učinek kriogenega črpanja sistema.

Črpanje in atmosferski tlak

Plinov sploh ni mogoče iztisniti, zato s sesanjem ni mogoče ustvariti vakuuma. Sesanje lahko razširi in razredči vakuum, kar omogoči visokemu tlaku, da vanj vnese pline, vendar je treba vakuum ustvariti, preden lahko pride do sesanja. Najlažji način za ustvarjanje umetnega vakuuma je povečanje prostornine komore. Na primer, mišica diafragme razširi prsno votlino, kar vodi do povečanja zmogljivosti pljuč. Ta ekspanzija zmanjša tlak in ustvari nizek vakuum, ki se kmalu napolni z zrakom, ki ga prisili atmosferski tlak.

Za nadaljevanje praznjenja komore za nedoločen čas, ne da bi nenehno uporabljali njeno ekspanzijo, je njen vakuumski prostor mogoče večkrat zapreti, očistiti, znova razširiti in tako naprej. To je princip delovanja črpalk s prisilno prostornino (prenos plina), kot je ročna vodna črpalka. Znotraj črpalke mehanizem razširi majhno zaprto votlino, da ustvari vakuum. Zaradi razlike v tlaku se nekaj tekočine iz komore (ali vodnjaka, v našem primeru) potisne v majhno votlino črpalke. Votlina črpalke se nato zapre proti komori, odpre v atmosfero in stisne na najmanjšo velikost ter iztisne tekočino.

Zgornja razlaga je preprost uvod v evakuacijo in ne predstavlja obsega uporabljenih črpalk. Razvitih je bilo veliko različic črpalk s prostornino in mnoge zasnove črpalk temeljijo na radikalno različnih načelih. Pulzne črpalke za prenos, ki imajo nekaj podobnosti z dinamičnimi črpalkami, ki se uporabljajo pri višjih tlakih, lahko zagotovijo veliko višjo kakovost vakuuma kot črpalke s prostornino. Črpalke za vezavo plina, ki lahko zajemajo pline v trdnem ali absorbiranem stanju, pogosto delujejo brez gibljivih delov, brez tesnil in brez vibracij. Nobena od teh črpalk ni univerzalna; vsak tip ima resne omejitve uporabe. Vsi imajo težave pri črpanju plinov z majhno maso, zlasti vodika, helija in neona.

Vakuum(Angleščina) vakuum, nemščina Vakuum, iz lat. vacuus- prazno) je večpomenski fizični izraz, ki lahko glede na kontekst pomeni:

• Redko stanje plina. Takšen vakuum se imenuje delno. Obstajajo visoki, srednji in nizki vakuumi. visoko se imenuje vakuum, v katerem prosta pot molekul plina presega linearne dimenzije posode, ki vsebuje plin; Če sta prosta pot molekul plina in linearne dimenzije posode sorazmerni vrednosti, se vakuum imenuje povprečje, in če je prosta pot molekul plina manjša od linearnih dimenzij posode - nizka.

• Idealizirana abstrakcija, prostor, v katerem sploh ni snovi. Takšen vakuum se imenuje idealen.
• Fizični sistem brez delcev in kvantov polja. To je najnižje stanje kvantnega sistema, v katerem je njegova energija minimalna, imenujemo ga vakuumsko stanje. Po načelu negotovosti za tak vakuum določenega dela fizikalnih veličin ni mogoče natančno določiti.

Delni vakuum se je začel široko uporabljati v industriji z izumom žarnic z žarilno nitko in vakuumskih žarnic na začetku 20. stoletja. Veliko fizičnih poskusov se izvaja v vakuumu: odsotnost zraka ali atmosfere drugačne sestave omogoča zmanjšanje neželenih zunanjih vplivov na predmet študije. Zanimanje za preučevanje vakuuma se je povečalo po vstopu človeka v vesolje. Bližnji in medplanetarni prostor je zelo redek plin, ki ga lahko označimo kot vakuum.

Vakuumske raziskave so se začele z ustvarjanjem »Torricellijeve praznine« (ru) italijanskega fizika Evangelista Torricellija sredi 17. stoletja.

Tehnični vakuum

Tehnični imenujemo delni vakuum, ki nastane v zemeljskih razmerah. Nabor orodij, ki se v tem primeru uporabljajo, se imenuje vakuumska tehnologija. Glavno mesto med orodji vakuumske tehnologije zavzemajo črpalke različnih izvedb in principov delovanja.

Glavno orodje za ustvarjanje nizek vakuum je prostorninska črpalka. Načelo njegovega delovanja je ciklično povečanje in zmanjšanje prostornine plina v posodi. Med ekspanzijsko fazo, sesanjem, se plin v posodi razširi, da zapolni dodatno prostornino, ki se nato prekine in izloči.

Ustvarjanje visoka in ultra visok vakuum je zapleten tehnični problem. Ko je v vakuumski komori malo molekul plina, nastanejo težave povezane s kontaminacijo komore z molekulami olja, nezadostno gostoto tesnila, razplinjenostjo sten posode itd.

Za dosego visokega vakuuma se uporabljajo difuzijske črpalke. Načelo delovanja te vrste črpalke temelji na dejstvu, da molekule plina ne difundirajo proti toku. Zato difuzijske črpalke uporabljajo curek za črpanje molekul plina iz vakuumske komore.

Črpalke sifona omogočajo doseganje še višjih vakuumov. Njihovo delovanje lahko temelji na različnih fizikalnih in kemijskih principih: kriogene črpalke uporabljajo nizko temperaturo za kondenzacijo plina v posodi, v kemičnih črpalkah so molekule plina vezane s kemikalijami ali adsorbirane na površino, v ionizacijskih črpalkah je plin v vakuumski komori ioniziran. in ekstrahirana z uporabo močnih električnih polj.

Prave vakuumske instalacije so sestavljene iz kombinacije črpalk različnih tipov, od katerih vsaka opravlja svojo nalogo in deluje pri različnih stopnjah redčenja plina v vakuumski komori. Orodja vakuumske tehnologije vključujejo tudi različne merilne instrumente, s katerimi ugotavljamo kakovost ustvarjenega vakuuma.

Fizični vakuum

Fizični vakuum imenovan idealiziran koncept prostora, v katerem ni delcev. Eksperimentalno je takšno stanje nemogoče doseči; posamezni atomi in ioni obstajajo tudi v izjemno redkem medgalaktičnem prostoru. Abstraktni koncept fizičnega vakuuma se uporablja na primer za opredelitev hitrosti svetlobe, kot hitrosti širjenja elektromagnetne interakcije v praznini brez delcev.

Čeprav se morda zdi, da je prazen prostor najpreprostejši fizični sistem, v resnici ni tako. Razvoj kvantne mehanike je pokazal, da je vakuum kompleksen fizikalni objekt, katerega lastnosti še niso povsem razumljene.

Prvič, vakuum, morda napolnjen z ničelnimi nihanji elektromagnetnega polja. Kvanti elektromagnetnega polja so fotoni, delci, ki pripadajo bozonom. Valovne funkcije bozonov v nizkem stanju niso enake nič. Pri kvantiziranju bozonskega polja se obravnavajo kot harmonični oscilatorji. V osnovnem stanju bozoni nimajo samo neničelne valovne funkcije, temveč tudi neničelno energijo. Vakuum je torej zapolnjen z ničelnimi nihanji različnih modusov elektromagnetnega in drugih bozonskih polj z vsemi možnimi valovnimi vektorji, smermi širjenja in polarizacijami. Vsak od teh načinov ima energijo, kjer je povzetek Planckove konstante, kajne? - ciklična frekvenca. To povzroča problem vakuumske energije, saj je takšnih načinov neskončno veliko, celotna vakuumska energija pa mora biti neskončna. Vendar fizični poskusi, zlasti Lambov premik in Casimirjev učinek, kažejo, da so nihanja ničelne točke elektromagnetnega polja realnost in da lahko vplivajo na druge fizične objekte.

Druga zamisel, ki dodatno otežuje razumevanje vakuuma, je povezana z Diracovo enačbo, ki opisuje relativistični kvantni delec, zlasti Diracova enačba za prosti elektron ima štiri rešitve, od katerih sta dve z negativno energijo. Paul Dirac je pokazal, da je z uporabo operacije konjugacije naboja te ločitve mogoče interpretirati kot ločitve s pozitivno energijo, toda za delec z nasprotnim, pozitivnim nabojem, tj. antidelci elektronov. Tak antidelec so odkrili eksperimentalno in so ga poimenovali pozitron.

Diracova razlaga je podobna teriji polprevodnikov. Delci, elektroni, so podobni prevodnim elektronom, medtem ko so antidelci, pozitroni, podobni luknjam, vsa energijska stanja z negativno energijo pa so zapolnjena pozitron ustreza nezapolnjenemu stanju.

Pri obravnavanju interakcij med delci v kvantni elektrodinamiki je pogosto treba upoštevati možnost nastanka virtualnih parov elektron-pozitron iz vakuuma.

Vakuum, območje izjemno nizkega tlaka. Medzvezdni prostor je visok vakuum s povprečno gostoto manj kot 1 molekulo na kubični centimeter. Najredkejši vakuum, ki ga ustvari človek, je manjši od 100.000 molekul na kubični centimeter. Menijo, da je prvi vakuum ustvaril Evangelista Toricelli v živosrebrnem BAROMETRU. Leta 1650 je nemški fizik Otto von Guericke (1602-86) izumil prvo vakuumsko črpalko. Vakuum se pogosto uporablja v znanstvenih raziskavah in industriji. Primer takšne uporabe je vakuumsko pakiranje prehrambenih izdelkov. 22

V klasični fiziki se uporablja koncept praznega prostora, to je določenega prostorskega območja, v katerem ni delcev in polja. Tak prazen prostor lahko štejemo za sinonim za vakuum klasične fizike. Vakuum je v kvantni teoriji definiran kot najnižje energijsko stanje, v katerem so odsotni vsi realni delci. Izkazalo se je, da ta država ni država brez polja. Neobstoj kot odsotnost tako delcev kot polj je nemogoč. V vakuumu potekajo fizični procesi s sodelovanjem ne resničnih, ampak kratkotrajnih (virtualnih) kvantov polja. V vakuumu so nič le povprečne vrednosti fizikalnih količin: poljske jakosti, števila elektronov itd. Te vrednosti same nenehno nihajo (oscilirajo) okoli teh povprečnih vrednosti. Vzrok za nihanje je kvantno-mehansko razmerje negotovosti, po katerem je negotovost vrednosti energije tem večja, čim krajši je čas njenega merjenja. 23

Fizični vakuum

Trenutno se v fiziki oblikuje bistveno nova smer znanstvenih raziskav, povezana s preučevanjem lastnosti in zmogljivosti fizičnega vakuuma. Ta znanstvena smer postaja prevladujoča in v aplikativnem smislu lahko vodi do prebojnih tehnologij na področju energetike, elektronike in ekologije. 24

Da bi razumeli vlogo in mesto vakuuma v trenutni sliki sveta, bomo poskušali oceniti, kako vakuum materija in materija korelirata v našem svetu.

V zvezi s tem je zanimivo razmišljanje Ya.B. Zeldovich. 25

»Vesolje je ogromno. Razdalja od Zemlje do Sonca je 150 milijonov kilometrov. Razdalja od sončnega sistema do središča galaksije je 2 milijardi-krat večja od razdalje od Zemlje do Sonca. Velikost vesolja, ki ga lahko opazujemo, pa je milijonkrat večja od razdalje od Sonca do središča naše Galaksije. In ves ta ogromen prostor je napolnjen z nepredstavljivo veliko količino snovi. 26

Masa Zemlje je več kot 5,97·10 27 g. To je tako velika vrednost, da jo je težko razumeti. Masa Sonca je 333 tisočkrat večja. Samo v opazovanem območju vesolja je skupna masa okoli deset na 22. potenco mase Sonca. Celotna brezmejna širnost vesolja in pravljična količina snovi v njem osupneta domišljijo.« 27

Po drugi strani pa je atom, ki je del trdnega telesa, mnogokrat manjši od katerega koli predmeta, ki ga poznamo, a mnogokrat večji od jedra, ki se nahaja v središču atoma. Skoraj vsa snov atoma je skoncentrirana v jedru. Če atom povečate tako, da ima jedro velikost makovega zrna, se bo velikost atoma povečala na nekaj deset metrov. Na razdalji več deset metrov od jedra bodo mnogokrat povečani elektroni, ki pa jih zaradi majhnosti še težko vidimo z očesom. In med elektroni in jedrom bo ogromen prostor, ki ni napolnjen s snovjo. A to ni prazen prostor, temveč posebna vrsta materije, ki so jo fiziki poimenovali fizični vakuum. 28

Sam koncept »fizičnega vakuuma« se je v znanosti pojavil kot posledica spoznanja, da vakuum ni praznina, ni »nič«. Predstavlja izjemno pomembno »nekaj«, ki poraja vse na svetu in določa lastnosti snovi, iz katere je zgrajen okoliški svet. Izkazalo se je, da tudi znotraj trdnega in masivnega predmeta vakuum zaseda neizmerno več prostora kot snov. Tako pridemo do zaključka, da je materija najredkejša izjema v ogromnem prostoru, ki ga napolnjuje substanca vakuuma. V plinastem okolju je takšna asimetrija še toliko bolj izrazita, da o vesolju niti ne govorimo, kjer je prisotnost snovi bolj izjema kot pravilo. Vidimo lahko, kako osupljivo velika je količina vakuumske snovi v vesolju v primerjavi s celo bajno veliko količino snovi v njem. Trenutno znanstveniki že vedo, da materija dolguje svoj izvor materialni substanci vakuuma in vse lastnosti materije določajo lastnosti fizičnega vakuuma. 29

Znanost prodira vse globlje v bistvo vakuuma. Razkriva se temeljna vloga vakuuma pri nastajanju zakonov materialnega sveta. Ni več presenetljivo, da nekateri znanstveniki trdijo, da je »vse iz vakuuma in vse okoli nas je vakuum«. Fizika, ki je naredila preboj v opisovanju bistva vakuuma, je postavila pogoje za njegovo praktično uporabo pri reševanju številnih problemov, vključno z energetskimi in okoljskimi. trideset

Po izračunih Nobelovega nagrajenca R. Feynmana in J. Wheelerja je energijski potencial vakuuma tako ogromen, da »je v vakuumu, ki ga vsebuje prostornina navadne žarnice, tako velika količina energije, da bi bila dovolj, da zavrejo vsi oceani na Zemlji." Vendar do zdaj tradicionalna shema pridobivanja energije iz snovi ostaja ne le prevladujoča, ampak celo velja za edino možno. Okolje še vedno trmasto razumemo kot materijo, ki je je tako malo, pozabljamo pa na vakuum, ki ga je tako veliko. Ravno ta stari »materialni« pristop je privedel do tega, da človeštvo, ki dobesedno plava v energiji, doživlja energijsko lakoto. 31

Nov »vakuumski« pristop izhaja iz dejstva, da je okoliški prostor, fizični vakuum, sestavni del sistema za pretvorbo energije. Hkrati pa možnost pridobivanja vakuumske energije najde naravno razlago brez odstopanja od fizikalnih zakonov. Odpira se pot za ustvarjanje energetskih naprav s presežno energijsko bilanco, v kateri prejeta energija presega energijo, ki jo porabi primarni vir energije. Energetske instalacije s presežno energijsko bilanco bodo lahko odprle dostop do ogromne vakuumske energije, ki jo hrani Narava sama. 32

Kaj se je zgodilo vakuum? Na to vprašanje se običajno odgovori: "prostor z redkim zrakom" ali "prostor znotraj posode, iz katerega je bil izčrpan zrak." Toda ali je vsaka stopnja redčenja vakuum in ali je vakuum v kakršni koli povezavi s tem?

Nekateri predpogoji za empirično preučevanje vakuuma so obstajali že v antiki. Starogrški mehaniki so ustvarili različne tehnične naprave, ki temeljijo na redčenju zraka. Na primer, vodne črpalke, ki delujejo z ustvarjanjem vakuuma pod batom, so poznali že v času Aristotela. Empirično preučevanje vakuuma se je začelo šele v 17. stoletju, s koncem renesanse in začetkom znanstvene revolucije sodobnega časa. Do takrat je bilo že dolgo znano, da lahko sesalne črpalke dvignejo vodo do višine največ 10 metrov.

V praksi se zelo redek plin imenuje tehnični vakuum. V makroskopskih prostorninah je idealni vakuum v praksi nedosegljiv, saj imajo pri končni temperaturi vsi materiali gostoto nasičene pare, ki je različna od nič. Poleg tega številni materiali (vključno z debelo kovino, steklom in drugimi stenami posod) omogočajo prehajanje plinov. V mikroskopskih prostorninah pa je doseganje idealnega vakuuma načeloma mogoče.

Strogo gledano je tehnični vakuum plin v posodi ali cevovodu s tlakom, nižjim od tlaka v okoliški atmosferi. Običajno je med atmosferskim zrakom in visokovakuumsko črpalko tako imenovana predvakuumska črpalka, ki ustvarja predvakuum, zato nizek vakuum pogosto imenujemo predvakuum. Z nadaljnjim zmanjševanjem tlaka v komori se poveča povprečna prosta pot molekul plina. V tem primeru molekule plina trčijo v stene veliko pogosteje kot med seboj. V tem primeru govorimo o visokem vakuumu. Visok vakuum v mikroskopskih porah nekaterih kristalov dosežemo že pri atmosferskem tlaku, saj je premer pore veliko manjši od proste poti molekule.

Vesolje ima zelo nizko gostoto in pritisk ter je najbližji približek fizičnega vakuuma. Toda vakuum v vesolju ni resnično popoln; tudi v medzvezdnem prostoru je nekaj atomov vodika na kubični centimeter.

Dejansko predpostavimo, da je zrak v jeklenki redčen 10.000-krat v primerjavi z njegovo gostoto pri normalnem atmosferskem tlaku, tj. tlak v jeklenki je 0,076 mm. Hg Umetnost.

Ali bo v jeklenki vakuum? In ali lahko še naprej domnevamo, da je v valju vakuum, če ta valj dvignemo na višino 100 km nad površjem zemlje, kjer je zračni tlak le 0,007 mm. Hg Umetnost. Dejansko bo v tem primeru gostota zraka v jeklenki postala 10-krat večja kot zunaj! Kje bo torej vakuum - znotraj jeklenke ali zunaj?

Sodobna fizika vakuuma ne povezuje z višino tlaka zunaj ali znotraj posode, temveč s prosto potjo molekul plina v njej. Molekule plina so v neprekinjenem kaotičnem toplotnem gibanju; pri sobni temperaturi je hitrost toplotnega gibanja molekul zraka približno 450 m/s, torej se približuje hitrosti. Molekule, ki se gibljejo v vse smeri, nenehno trčijo druga ob drugo. Čim gostejši je zrak, tem več molekul je v enoti prostornine in tem pogosteje molekule trčijo.

Če je zrak redkejši, bodo molekule manj trkale. V povprečju bodo morali med dvema trčenjima preleteti daljšo razdaljo, ki se imenuje povprečna prosta pot.

S fizikalnega vidika je vakuum redčenje, pri katerem je povprečna prosta pot v povprečju večja od velikosti posode. Kadar so trki molekul v vakuumski posodi redki, se večina molekul pri gibanju od ene stene posode do druge ne bo srečala z drugimi molekulami.

Vakuum je dober toplotni izolator; Prenos toplotne energije v njem nastane samo zaradi toplotnega sevanja, konvekcija in toplotna prevodnost sta izključeni. Ta lastnost se uporablja za toplotno izolacijo termos, sestavljenih iz posode z dvojnimi stenami, med katerimi je prazen prostor.