Vakum je prostor u kojem nema materije. U primijenjenoj fizici i tehnologiji označava medij u kojem se plin nalazi pod tlakom manjim od atmosferskog. Što su bili razrijeđeni plinovi kada su prvi put otkriveni?
Povijesne stranice
Ideja praznine bila je točka spora stoljećima. Razrijeđene plinove pokušali su analizirati drevni grčki i rimski filozofi. Demokrit, Lukrecije, njihovi su učenici vjerovali: da nema slobodnog prostora između atoma, njihovo kretanje bi bilo nemoguće.
Aristotel i njegovi sljedbenici opovrgnuli su ovaj koncept, po njihovom mišljenju, u prirodi ne bi trebalo biti "praznine". U srednjem vijeku u Europi ideja "straha od praznine" postala je prioritet, koristila se u vjerske svrhe.
Mehanika antičke Grčke, prilikom izrade tehničkih uređaja, temeljila se na razrjeđivanju zraka. Na primjer, pumpe za vodu koje su funkcionirale kada se stvorio vakuum iznad klipa pojavile su se u vrijeme Aristotela.
Razrijeđeno stanje plina, zraka, postalo je osnova za proizvodnju klipnih vakuum pumpi, koje se trenutno široko koriste u tehnologiji.
Njihov prototip bila je poznata klipna šprica Herona Aleksandrijskog, koju je kreiraoizvući gnoj.
Sredinom sedamnaestog stoljeća razvijena je prva vakuumska komora, a šest godina kasnije njemački znanstvenik Otto von Guerick uspio je izumiti prvu vakuumsku pumpu.
Ovaj klipni cilindar lako je ispumpao zrak iz zatvorene posude, stvarajući tamo vakuum. To je omogućilo proučavanje glavnih karakteristika nove države, analizu njenih operativnih svojstava.
Tehnički vakuum
U praksi se razrijeđeno stanje plina, zraka naziva tehnički vakuum. U velikim količinama nemoguće je dobiti takvo idealno stanje, budući da na određenoj temperaturi materijali imaju gustoću zasićene pare koja nije nula.
Razlog nemogućnosti postizanja idealnog vakuuma je i prijenos plinovitih tvari kroz staklo, metalne stijenke posuda.
U malim količinama sasvim je moguće dobiti razrijeđene plinove. Kao mjera razrjeđivanja koristi se slobodni put molekula plina koje se nasumično sudaraju, kao i linearna veličina upotrijebljene posude.
Tehnički vakuum se može smatrati plinom u cjevovodu ili posudi čija je vrijednost tlaka manja nego u atmosferi. Niski vakuum nastaje kada se atomi ili molekule plina prestanu sudarati jedan s drugim.
Između pumpe visokog vakuuma i atmosferskog zraka postavlja se prednji vakuum koji stvara preliminarni vakuum. U slučaju naknadnog smanjenja tlačne komore, uočava se povećanje duljine puta plinovitih čestica.tvari.
Kada je tlak od 10 -9 Pa, stvara se ultra-visoki vakuum. Upravo se ti razrijeđeni plinovi koriste za provođenje eksperimenata pomoću skenirajućeg tunelskog mikroskopa.
U porama nekih kristala moguće je dobiti takvo stanje čak i pri atmosferskom tlaku, budući da je promjer pora puno manji od slobodnog puta slobodne čestice.
Aparati na bazi vakuuma
Rarijeđeno stanje plina aktivno se koristi u uređajima koji se nazivaju vakuumske pumpe. Getteri se koriste za usisavanje plinova i postizanje određenog stupnja vakuuma. Vakuumska tehnologija također uključuje brojne uređaje koji su potrebni za kontrolu i mjerenje ovog stanja, kao i za upravljanje objektima, za provođenje različitih tehnoloških procesa. Najsloženiji tehnički uređaji koji koriste razrijeđene plinove su visokovakuumske pumpe. Na primjer, difuzijski uređaji rade na temelju kretanja molekula zaostalih plinova pod djelovanjem strujanja radnog plina. Čak iu slučaju idealnog vakuuma, postoji malo toplinskog zračenja kada se postigne konačna temperatura. To objašnjava glavna svojstva razrijeđenih plinova, na primjer, početak toplinske ravnoteže nakon određenog vremenskog intervala između tijela i zidova vakuumske komore.
Rijeđeni jednoatomni plin izvrstan je toplinski izolator. U njemu se prijenos toplinske energije provodi samo uz pomoć zračenja, toplinska vodljivost i konvekcija nisupromatraju se. Ovo svojstvo koristi se u Dewarovim posudama (termozama), koje se sastoje od dva spremnika, između kojih postoji vakuum.
Vakum je pronašao široku primjenu u radio cijevima, na primjer, magnetronima kineskopa, mikrovalnim pećnicama.
Fizički vakuum
U kvantnoj fizici takvo stanje znači osnovno (najniže) energetsko stanje kvantnog polja, koje karakteriziraju nulte vrijednosti kvantnih brojeva.
U ovom stanju, jednoatomni plin nije potpuno prazan. Prema kvantnoj teoriji, virtualne čestice sustavno se pojavljuju i nestaju u fizičkom vakuumu, što uzrokuje nulte oscilacije polja.
Teoretski, nekoliko različitih vakuuma može postojati istovremeno, koji se razlikuju po gustoći energije, kao i drugim fizičkim karakteristikama. Ova ideja postala je temelj za inflatornu teoriju velikog praska.
Lažni vakuum
To znači stanje polja u kvantnoj teoriji, koje nije stanje s minimalnom energijom. Stabilan je u određenom vremenskom razdoblju. Postoji mogućnost "tuneliranja" lažnog stanja u pravi vakuum kada se postignu tražene vrijednosti glavnih fizičkih veličina.
Svemirski prostor
Kada se raspravlja o tome što znači razrijeđeni plin, potrebno je zadržati se na konceptu "kozmičkog vakuuma". Može se smatrati bliskim fizičkom vakuumu, ali postoji u međuzvjezdanom prostoruprostor. Planeti, njihovi prirodni sateliti, mnoge zvijezde imaju određene privlačne sile koje drže atmosferu na određenoj udaljenosti. Kako se udaljavate od površine zvjezdanog objekta, gustoća razrijeđenog plina se mijenja.
Na primjer, postoji Karmanova linija, koja se smatra uobičajenom definicijom s vanjskim prostorom granice planeta. Iza toga, vrijednost izotropnog tlaka plina naglo opada u usporedbi sa sunčevim zračenjem i dinamičkim tlakom sunčevog vjetra, pa je teško protumačiti tlak razrijeđenog plina.
Vanjski je prostor pun fotona, reliktnih neutrina koje je teško otkriti.
Značajke mjerenja
Stupanj vakuuma obično je određen količinom tvari koja ostaje u sustavu. Glavna karakteristika mjerenja ovog stanja je apsolutni tlak, osim toga, uzima se u obzir kemijski sastav plina i njegova temperatura.
Važan parametar za vakuum je prosječna vrijednost duljine puta plinova preostalih u sustavu. Postoji podjela vakuuma na određene opsege u skladu s tehnologijom koja je neophodna za mjerenja: lažni, tehnički, fizički.
Vakumsko oblikovanje
Ovo je proizvodnja proizvoda od modernih termoplastičnih materijala u vrućem obliku korištenjem niskog tlaka zraka ili vakuumskog djelovanja.
Vakumsko oblikovanje smatra se metodom izvlačenja, zbog čega se limova plastika zagrijava,koji se nalazi iznad matrice, do određene vrijednosti temperature. Zatim, list ponavlja oblik matrice, to je zbog stvaranja vakuuma između njega i plastike.
Elektrovakumski uređaji
To su uređaji koji su dizajnirani da stvaraju, pojačavaju i pretvaraju elektromagnetsku energiju. U takvom uređaju se iz radnog prostora uklanja zrak, a za zaštitu od okoliša koristi se nepropusna ljuska. Primjeri takvih uređaja su elektronički vakuumski uređaji, gdje se elektroni uklapaju u vakuum. Žarulje sa žarnom niti se također mogu smatrati vakuumskim uređajima.
Plinovi pri niskom pritisku
Plin se naziva razrijeđenim ako je njegova gustoća zanemariva, a duljina molekularne staze usporediva s veličinom posude u kojoj se plin nalazi. U takvom stanju opaža se smanjenje broja elektrona proporcionalno gustoći plina.
U slučaju jako razrijeđenog plina praktički nema unutarnjeg trenja. Umjesto toga pojavljuje se vanjsko trenje plina koji se kreće o stijenke, što se objašnjava promjenom količine gibanja molekula pri sudaru sa posudom. U takvoj situaciji postoji izravna proporcionalnost između brzine čestica i gustoće plina.
U slučaju niskog vakuuma uočavaju se česti sudari između čestica plina u punom volumenu, koji su praćeni stabilnom izmjenom toplinske energije. To objašnjava fenomen prijenosa (difuzija, toplinska vodljivost), koji se aktivno koristi u modernoj tehnologiji.
Dobivanje razrijeđenih plinova
Znanstveno proučavanje i razvoj vakuumskih uređaja počelo je sredinom sedamnaestog stoljeća. Godine 1643. Talijan Torricelli uspio je odrediti vrijednost atmosferskog tlaka, a nakon izuma mehaničke klipne pumpe s posebnom vodenom brtvom O. Guerickea, ukazala se prava prilika za provođenje brojnih istraživanja karakteristika razrijeđenog plina. Istodobno su se proučavale mogućnosti utjecaja vakuuma na živa bića. Eksperimenti provedeni u vakuumu s električnim pražnjenjem pridonijeli su otkriću negativnog elektrona, rendgenskog zračenja.
Zahvaljujući toplinski izolacijskoj sposobnosti vakuuma, postalo je moguće objasniti metode prijenosa topline, koristiti teorijske podatke za razvoj moderne kriogene tehnologije.
Upotreba vakuuma
1873. godine izumljen je prvi elektrovakuumski uređaj. Postali su žarulja sa žarnom niti, koju je stvorio ruski fizičar Lodygin. Od tada se praktična upotreba vakuumske tehnologije proširila, pojavile su se nove metode za dobivanje i proučavanje ovog stanja.
U kratkom vremenskom periodu stvorene su različite vrste vakuumskih pumpi:
- rotacijski;
- kriosorpcija;
- molekularno;
- difuzija.
Početkom dvadesetog stoljeća, akademik Lebedev uspio je unaprijediti znanstvene temelje industrije vakuuma. Sve do sredine prošlog stoljeća znanstvenici nisu dopuštali mogućnost dobivanja tlaka manjeg od 10-6 Pa.
BTrenutno su vakuumski sustavi izrađeni od potpunog metala kako bi se izbjeglo curenje. Vakuumske kriogene pumpe koriste se ne samo u istraživačkim laboratorijima, već iu raznim industrijama.
Na primjer, nakon razvoja posebnih evakuacijskih sredstava koja ne zagađuju korišteni objekt, pojavili su se novi izgledi za korištenje vakuumske tehnologije. U kemiji se takvi sustavi aktivno koriste za kvalitativnu i kvantitativnu analizu svojstava čistih tvari, odvajanje smjese na komponente i analizu brzine raznih procesa.
