Vacuüm is een ruimte waarin geen materie is. In de toegepaste natuurkunde en technologie betekent het een medium waarin een gas is opgenomen met een druk die lager is dan de atmosferische druk. Wat waren ijle gassen toen ze voor het eerst werden ontdekt?
Geschiedenispagina's
Het idee van leegte is al eeuwenlang een twistpunt. Zeldzame gassen probeerden de oude Griekse en Romeinse filosofen te analyseren. Democritus, Lucretius, hun studenten geloofden: als er geen vrije ruimte tussen de atomen was, zou hun beweging onmogelijk zijn.
Aristoteles en zijn volgelingen weerlegden dit concept, naar hun mening zou er geen "leegte" in de natuur mogen zijn. In de Middeleeuwen in Europa werd het idee van "angst voor de leegte" een prioriteit, het werd gebruikt voor religieuze doeleinden.
De mechanica van het oude Griekenland was bij het maken van technische apparaten gebaseerd op luchtverdunning. Zo verschenen in de tijd van Aristoteles bijvoorbeeld waterpompen die functioneerden toen er een vacuüm werd gecreëerd boven de zuiger.
De ijle toestand van gas, lucht, is de basis geworden voor de fabricage van zuigervacuümpompen, die momenteel veel worden gebruikt in de technologie.
Hun prototype was de beroemde zuigerspuit van Heron of Alexandria, door hem gemaaktpus eruit halen.
In het midden van de zeventiende eeuw werd de eerste vacuümkamer ontwikkeld en zes jaar later slaagde de Duitse wetenschapper Otto von Guerick erin de eerste vacuümpomp uit te vinden.
Deze zuigercilinder pompte gemakkelijk lucht uit een afgesloten container, waardoor er een vacuüm ontstond. Dit maakte het mogelijk om de belangrijkste kenmerken van de nieuwe staat te bestuderen en de operationele eigenschappen ervan te analyseren.
Tech vacuüm
In de praktijk wordt de ijle toestand van gas, lucht, technisch vacuüm genoemd. In grote volumes is het onmogelijk om zo'n ideale toestand te verkrijgen, omdat de materialen bij een bepaalde temperatuur een verzadigde dampdichtheid hebben die niet nul is.
De reden voor de onmogelijkheid om een ideaal vacuüm te verkrijgen is ook de transmissie van gasvormige stoffen door glas, metalen wanden van vaten.
In kleine hoeveelheden is het heel goed mogelijk om ijle gassen te verkrijgen. Als maat voor de verdunning wordt het vrije pad van gasmoleculen die willekeurig botsen gebruikt, evenals de lineaire grootte van het gebruikte vat.
Technisch vacuüm kan worden beschouwd als een gas in een pijpleiding of vat met een drukwaarde die lager is dan in de atmosfeer. Een laag vacuüm ontstaat wanneer de atomen of moleculen van een gas niet meer met elkaar in botsing komen.
Er wordt een voorvacuüm geplaatst tussen de hoogvacuümpomp en de atmosferische lucht, waardoor een voorvacuüm ontstaat. Bij een daaropvolgende afname van de drukkamer wordt een toename van de weglengte van gasvormige deeltjes waargenomen.stoffen.
Wanneer de druk 10 -9 Pa is, wordt een ultrahoog vacuüm gecreëerd. Het zijn deze ijle gassen die worden gebruikt om experimenten uit te voeren met behulp van een scanning tunneling microscoop.
Het is mogelijk om een dergelijke toestand in de poriën van sommige kristallen te verkrijgen, zelfs bij atmosferische druk, aangezien de diameter van de poriën veel kleiner is dan de vrije weg van een vrij deeltje.
Vacuüm gebaseerde apparaten
De ijle toestand van het gas wordt actief gebruikt in apparaten die vacuümpompen worden genoemd. Getters worden gebruikt om gassen aan te zuigen en een zekere mate van vacuüm te verkrijgen. Vacuümtechnologie omvat ook tal van apparaten die nodig zijn om deze toestand te controleren en te meten, evenals om objecten te besturen, om verschillende technologische processen uit te voeren. De meest complexe technische apparaten die ijle gassen gebruiken, zijn hoogvacuümpompen. Diffusie-inrichtingen werken bijvoorbeeld op basis van de beweging van restgasmoleculen onder invloed van een werkende gasstroom. Zelfs bij een ideaal vacuüm is er weinig warmtestraling bij het bereiken van de eindtemperatuur. Dit verklaart de belangrijkste eigenschappen van ijle gassen, bijvoorbeeld het begin van thermisch evenwicht na een bepaald tijdsinterval tussen het lichaam en de wanden van de vacuümkamer.
Zeldzaam monoatomisch gas is een uitstekende thermische isolator. Daarin wordt de overdracht van thermische energie alleen uitgevoerd met behulp van straling, thermische geleidbaarheid en convectie zijn dat nietworden waargenomen. Deze eigenschap wordt gebruikt in Dewarvaten (thermosen), bestaande uit twee containers, waartussen een vacuüm is.
Vacuüm heeft een brede toepassing gevonden in radiobuizen, bijvoorbeeld magnetrons of kinescopen, magnetronovens.
Fysiek vacuüm
In de kwantumfysica betekent een dergelijke toestand de grond (laagste) energietoestand van het kwantumveld, dat wordt gekenmerkt door nulwaarden van kwantumgetallen.
In deze toestand is een één-atomisch gas niet helemaal leeg. Volgens de kwantumtheorie verschijnen en verdwijnen virtuele deeltjes systematisch in het fysieke vacuüm, wat nul-oscillaties van velden veroorzaakt.
Theoretisch kunnen er verschillende vacuüms tegelijkertijd bestaan, die verschillen in energiedichtheid en andere fysieke kenmerken. Dit idee werd de basis voor de inflatoire oerkn altheorie.
Vals vacuüm
Het betekent de toestand van het veld in de kwantumtheorie, wat geen toestand is met een minimale energie. Het is stabiel over een bepaalde tijdsperiode. Er is een mogelijkheid om een valse toestand in een echt vacuüm te "tunnelen" wanneer de vereiste waarden van de belangrijkste fysieke grootheden zijn bereikt.
Buitenruimte
Bij de bespreking van wat een ijl gas betekent, is het noodzakelijk om stil te staan bij het concept van 'kosmisch vacuüm'. Het kan worden beschouwd als dicht bij het fysieke vacuüm, maar bestaat in het interstellaireruimte. De planeten, hun natuurlijke satellieten, veel sterren hebben bepaalde aantrekkingskrachten die de atmosfeer op een bepaalde afstand houden. Naarmate je verder weggaat van het oppervlak van een stellair object, verandert de dichtheid van het ijle gas.
Er is bijvoorbeeld de Karman-lijn, die wordt beschouwd als een algemene definitie met de buitenruimte van de grens van de planeet. Daarachter neemt de waarde van de isotrope gasdruk sterk af in vergelijking met zonnestraling en de dynamische druk van de zonnewind, dus het is moeilijk om de druk van een ijl gas te interpreteren.
De ruimte zit vol met fotonen, relikwie neutrino's die moeilijk te detecteren zijn.
Meetfuncties
De mate van vacuüm wordt meestal bepaald door de hoeveelheid stof die in het systeem achterblijft. Het belangrijkste kenmerk van de meting van deze toestand is de absolute druk, daarnaast wordt rekening gehouden met de chemische samenstelling van het gas en de temperatuur ervan.
Een belangrijke parameter voor vacuüm is de gemiddelde waarde van de padlengte van de gassen die in het systeem achterblijven. Er is een onderverdeling van vacuüm in bepaalde bereiken in overeenstemming met de technologie die nodig is voor metingen: vals, technisch, fysiek.
Vacuümvorming
Dit is de vervaardiging van producten van moderne thermoplastische materialen in warme vorm met behulp van lage luchtdruk of vacuümwerking.
Vacuümvormen wordt beschouwd als een tekenmethode, waardoor plaatplastic wordt verwarmd,zich boven de matrix bevinden, tot een bepaalde temperatuurwaarde. Vervolgens herha alt het vel de vorm van de matrix, dit komt door het creëren van een vacuüm tussen het en het plastic.
Elektrovacuüm apparaten
Het zijn apparaten die zijn ontworpen om elektromagnetische energie te creëren, te versterken en om te zetten. In zo'n apparaat wordt lucht uit de werkruimte verwijderd en wordt een ondoordringbare schaal gebruikt om te beschermen tegen de omgeving. Voorbeelden van dergelijke apparaten zijn elektronische vacuümapparaten, waarbij de elektronen in een vacuüm passen. Gloeilampen kunnen ook als vacuümapparaten worden beschouwd.
Gassen bij lage druk
Een gas wordt ijl genoemd als de dichtheid verwaarloosbaar is en de lengte van het moleculaire pad vergelijkbaar is met de grootte van het vat waarin het gas zich bevindt. In een dergelijke toestand wordt een afname van het aantal elektronen waargenomen in verhouding tot de dichtheid van het gas.
In het geval van een zeer ijl gas is er praktisch geen interne wrijving. In plaats daarvan treedt externe wrijving van het bewegende gas tegen de wanden op, wat wordt verklaard door de verandering in het momentum van de moleculen wanneer ze tegen het vat botsen. In een dergelijke situatie is er een directe evenredigheid tussen de snelheid van deeltjes en de dichtheid van het gas.
In het geval van een laag vacuüm worden frequente botsingen tussen gasdeeltjes in vol volume waargenomen, die gepaard gaan met een stabiele uitwisseling van thermische energie. Dit verklaart het overdrachtsfenomeen (diffusie, thermische geleidbaarheid), dat actief wordt gebruikt in de moderne technologie.
Verkrijgen van ijle gassen
De wetenschappelijke studie en ontwikkeling van vacuümapparaten begon in het midden van de zeventiende eeuw. In 1643 slaagde de Italiaan Torricelli erin om de waarde van de atmosferische druk te bepalen, en na de uitvinding van een mechanische zuigerpomp met een speciaal waterslot door O. Guericke, deed zich een reële kans voor om talrijke studies uit te voeren naar de kenmerken van een ijl gas. Tegelijkertijd werden de mogelijkheden van de impact van vacuüm op levende wezens bestudeerd. Experimenten uitgevoerd in een vacuüm met een elektrische ontlading hebben bijgedragen aan de ontdekking van een negatief elektron, röntgenstraling.
Dankzij het warmte-isolerende vermogen van vacuüm werd het mogelijk om de methoden van warmteoverdracht uit te leggen, om theoretische informatie te gebruiken voor de ontwikkeling van moderne cryogene technologie.
Een stofzuiger gebruiken
In 1873 werd het eerste elektrovacuümapparaat uitgevonden. Ze werden een gloeilamp, gemaakt door de Russische natuurkundige Lodygin. Sindsdien is het praktische gebruik van vacuümtechnologie uitgebreid en zijn er nieuwe methoden verschenen om deze toestand te verkrijgen en te bestuderen.
Er zijn in korte tijd verschillende typen vacuümpompen gemaakt:
- rotatie;
- cryosorptie;
- moleculair;
- diffusie.
Aan het begin van de twintigste eeuw slaagde academicus Lebedev erin om de wetenschappelijke basis van de vacuümindustrie te verbeteren. Tot het midden van de vorige eeuw stonden wetenschappers de mogelijkheid van het verkrijgen van een druk van minder dan 10-6 Pa niet toe.
BMomenteel zijn vacuümsystemen volledig van metaal gebouwd om lekkage te voorkomen. Cryogene vacuümpompen worden niet alleen gebruikt in onderzoekslaboratoria, maar ook in verschillende industrieën.
Na de ontwikkeling van speciale evacuatiemiddelen die het gebruikte object niet vervuilen, zijn er bijvoorbeeld nieuwe vooruitzichten voor het gebruik van vacuümtechnologie verschenen. In de chemie worden dergelijke systemen actief gebruikt voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van de eigenschappen van zuivere stoffen, scheiding van een mengsel in componenten en analyse van de snelheid van verschillende processen.
