Volgens de definitie in de natuurkunde impliceert het concept "vacuüm" de afwezigheid van enige substantie en elementen van materie in een bepaalde ruimte, in dit geval spreekt men van een absoluut vacuüm. Een gedeeltelijk vacuüm wordt waargenomen wanneer de dichtheid van de stof op een bepaalde plaats in de ruimte laag is. Laten we dit probleem nader bekijken in het artikel.
Vacuüm en druk
In de definitie van het concept "absoluut vacuüm" hebben we het over de dichtheid van materie. Uit de natuurkunde is bekend dat als gasvormige materie wordt beschouwd, de dichtheid van de stof recht evenredig is met de druk. Wanneer men op zijn beurt spreekt van een gedeeltelijk vacuüm, impliceert men dat de dichtheid van materiedeeltjes in een bepaalde ruimte kleiner is dan die van lucht bij normale atmosferische druk. Daarom is de kwestie van vacuüm een kwestie van druk in het systeem in kwestie.
In de natuurkunde is absolute druk een grootheid gelijk aan de verhouding van de kracht(gemeten in newtons (N)), die loodrecht op een oppervlak wordt aangebracht, op het gebied van dit oppervlak (gemeten in vierkante meters), dat wil zeggen P=F / S, waarbij P druk is, F kracht, S is oppervlakte. De eenheid van druk is pascal (Pa), dus 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Gedeeltelijk vacuüm
Er is experimenteel vastgesteld dat bij een temperatuur van 20 °C op het aardoppervlak op zeeniveau, de atmosferische druk 101.325 Pa is. Deze druk wordt de 1e atmosfeer (atm.) genoemd. Ongeveer kunnen we zeggen dat de druk 1 atm is. is gelijk aan 0,1 MPa. Als we de vraag beantwoorden hoeveel sferen er in 1 pascal zitten, bepalen we de overeenkomstige verhouding en krijgen we dat 1 Pa=10-5 atm. Een partieel vacuüm komt overeen met elke druk in de betreffende ruimte die kleiner is dan 1 atm.
Als we de aangegeven cijfers uit de druktaal vertalen naar de taal van het aantal deeltjes, dan moet gezegd worden dat bij 1 atm. 1 m3 lucht bevat ongeveer 1025 moleculen. Elke afname van de genoemde concentratie van moleculen leidt tot de vorming van een gedeeltelijk vacuüm.
Vacuümmeting
Het meest gebruikelijke apparaat voor het meten van een klein vacuüm is een conventionele barometer, die alleen kan worden gebruikt als de gasdruk enkele tientallen procenten van de atmosferische is.
Om hogere vacuümwaarden te meten, wordt een elektrisch circuit met een brug van Wheatstone gebruikt. Het idee van gebruik is om te metende weerstand van het sensorelement, die afhangt van de omringende concentratie van moleculen in het gas. Hoe groter deze concentratie, hoe meer moleculen het sensorelement raken, en hoe meer warmte het eraan overdraagt, dit leidt tot een verlaging van de temperatuur van het element, wat de elektrische weerstand beïnvloedt. Dit apparaat kan vacuüm meten met een druk van 0,001 atm.
Historische achtergrond
Het is interessant om op te merken dat het concept van 'absoluut vacuüm' volledig werd verworpen door beroemde oude Griekse filosofen, zoals Aristoteles. Bovendien was het bestaan van atmosferische druk pas in het begin van de 17e eeuw bekend. Pas met de komst van de New Age werden experimenten uitgevoerd met buizen gevuld met water en kwik, waaruit bleek dat de atmosfeer van de aarde druk uitoefent op alle omringende lichamen. Met name in 1648 was Blaise Pascal in staat om de druk te meten met een kwikbarometer op een hoogte van 1000 meter boven zeeniveau. De gemeten waarde bleek veel lager te zijn dan op zeeniveau, dus de wetenschapper bewees het bestaan van atmosferische druk.
Het eerste experiment dat duidelijk de kracht van atmosferische druk aantoonde en ook het concept van vacuüm benadrukte, werd in 1654 in Duitsland uitgevoerd, nu bekend als het Magdeburg Sphere Experiment. In 1654 was de Duitse natuurkundige Otto von Guericke in staat om twee metalen hemisferen met een diameter van slechts 30 cm stevig met elkaar te verbinden en vervolgens lucht uit de resulterende structuur te pompen, waardoorgedeeltelijk vacuüm. Het verhaal vertelt dat twee teams van elk 8 paarden, die in tegengestelde richtingen trokken, deze bollen niet konden scheiden.
Absoluut vacuüm: bestaat het?
Met andere woorden, is er een plaats in de ruimte die geen materie bevat. Moderne technologieën maken het mogelijk om een vacuüm van 10-10 Pa en zelfs minder te creëren, maar deze absolute druk betekent niet dat er geen materiedeeltjes meer in het betreffende systeem achterblijven.
Laten we nu naar de meest lege ruimte in het heelal gaan - de open ruimte. Wat is de druk in het vacuüm van de ruimte? De druk in de ruimte rond de aarde is 10-8 Pa, bij deze druk zijn er ongeveer 2 miljoen moleculen in een volume van 1 cm3. Als we het hebben over intergalactische ruimte, dan is er volgens wetenschappers zelfs daarin minstens 1 atoom in een volume van 1 cm3. Bovendien is ons heelal doordrongen van elektromagnetische straling, waarvan de dragers fotonen zijn. Elektromagnetische straling is energie die kan worden omgezet in de overeenkomstige massa volgens de beroemde formule van Einstein (E=mc2), dat wil zeggen dat energie, samen met materie, een toestand van materie is. Dit leidt tot de conclusie dat er geen absoluut vacuüm in het heelal is dat ons bekend is.
