Vákuum je priestor, v ktorom nie je žiadna hmota. V aplikovanej fyzike a technológii to znamená médium, v ktorom je plyn obsiahnutý pri tlaku nižšom ako je atmosférický tlak. Čo boli riedke plyny, keď boli prvýkrát objavené?
Stránky s históriou
Myšlienka prázdnoty bola po stáročia predmetom sporu. Vzácne plyny sa pokúšali analyzovať starí grécki a rímski filozofi. Democritus, Lucretius, ich študenti verili, že ak medzi atómami nebude voľný priestor, ich pohyb by bol nemožný.
Aristoteles a jeho nasledovníci túto koncepciu vyvrátili, podľa ich názoru by v prírode nemala existovať „prázdnota“. V stredoveku v Európe sa myšlienka „strachu z prázdnoty“stala prioritou, používala sa na náboženské účely.
Mechanika starovekého Grécka bola pri vytváraní technických zariadení založená na riedení vzduchu. Napríklad vodné čerpadlá, ktoré fungovali, keď sa nad piestom vytvorilo vákuum, sa objavili v čase Aristotela.
Zriedkavé skupenstvo plynu, vzduchu, sa stalo základom pre výrobu piestových vývev, ktoré sú v súčasnosti široko používané v technológii.
Ich prototypom bola slávna piestová striekačka Herona Alexandrijského, ktorú vytvorilvytiahnuť hnis.
V polovici 17. storočia bola vyvinutá prvá vákuová komora a o šesť rokov neskôr sa nemeckému vedcovi Ottovi von Guerickovi podarilo vynájsť prvú vákuovú pumpu.
Tento piestový valec ľahko odčerpával vzduch z uzavretej nádoby a vytváral v nej vákuum. To umožnilo študovať hlavné charakteristiky nového stavu, analyzovať jeho prevádzkové vlastnosti.
Technické vákuum
Zriedený stav plynu, vzduchu, sa v praxi nazýva technické vákuum. Vo veľkých objemoch nie je možné dosiahnuť takýto ideálny stav, keďže pri určitej teplote majú materiály nenulovú hustotu nasýtených pár.
Dôvodom nemožnosti získať ideálne vákuum je aj prestup plynných látok cez sklo, kovové steny nádob.
V malých množstvách je celkom možné získať riedke plyny. Ako miera riedenia sa používa voľná dráha molekúl plynu, ktoré sa náhodne zrážajú, ako aj lineárna veľkosť použitej nádoby.
Technické vákuum možno považovať za plyn v potrubí alebo nádobe s hodnotou tlaku menšou ako v atmosfére. Nízke vákuum nastane, keď sa atómy alebo molekuly plynu prestanú navzájom zrážať.
Medzi vysokovákuové čerpadlo a atmosférický vzduch je umiestnené predné vákuum, ktoré vytvára predbežné vákuum. V prípade následného poklesu tlakovej komory sa pozoruje zväčšenie dĺžky dráhy plynných častíc.látky.
Keď je tlak od 10 -9 Pa, vytvorí sa ultra vysoké vákuum. Práve tieto riedke plyny sa používajú na vykonávanie experimentov pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu.
Takýto stav je možné dosiahnuť v póroch niektorých kryštálov aj pri atmosférickom tlaku, keďže priemer pórov je oveľa menší ako voľná dráha voľnej častice.
Vákuové spotrebiče
Zriedený stav plynu sa aktívne využíva v zariadeniach nazývaných vákuové pumpy. Getre sa používajú na nasávanie plynov a získanie určitého stupňa vákua. Vákuová technika zahŕňa aj početné zariadenia, ktoré sú potrebné na kontrolu a meranie tohto stavu, ako aj na ovládanie predmetov, na vykonávanie rôznych technologických procesov. Najzložitejšie technické zariadenia, ktoré využívajú riedke plyny, sú vysokovákuové čerpadlá. Napríklad difúzne zariadenia fungujú na základe pohybu zvyškových molekúl plynu pôsobením prúdu pracovného plynu. Aj v prípade ideálneho vákua dochádza pri dosiahnutí konečnej teploty k malému tepelnému vyžarovaniu. To vysvetľuje hlavné vlastnosti riedkych plynov, napríklad nástup tepelnej rovnováhy po určitom časovom intervale medzi telesom a stenami vákuovej komory.
Zriedený monatomický plyn je vynikajúci tepelný izolant. V ňom sa prenos tepelnej energie uskutočňuje iba pomocou žiarenia, tepelná vodivosť a konvekcia niesa dodržiavajú. Táto vlastnosť sa využíva v Dewarových nádobách (termózach), pozostávajúcich z dvoch nádob, medzi ktorými je vákuum.
Vákuum našlo široké uplatnenie v rádiových trubiciach, napríklad magnetróny kineskopov, mikrovlnné rúry.
Fyzikálne vákuum
V kvantovej fyzike takýto stav znamená základný (najnižší) energetický stav kvantového poľa, ktorý je charakterizovaný nulovými hodnotami kvantových čísel.
V tomto stave nie je monatomický plyn úplne prázdny. Podľa kvantovej teórie sa virtuálne častice systematicky objavujú a miznú vo fyzickom vákuu, čo spôsobuje nulové oscilácie polí.
Teoreticky môže súčasne existovať niekoľko rôznych vákuov, ktoré sa líšia hustotou energie, ako aj inými fyzikálnymi vlastnosťami. Táto myšlienka sa stala základom pre inflačnú teóriu veľkého tresku.
Falošné vákuum
Znamená stav poľa v kvantovej teórii, čo nie je stav s minimálnou energiou. Je stabilný počas určitého časového obdobia. Pri dosiahnutí požadovaných hodnôt hlavných fyzikálnych veličín existuje možnosť „vytunelovania“falošného stavu do skutočného vákua.
Vesmír
Pri diskusii o tom, čo znamená riedený plyn, je potrebné pozastaviť sa nad pojmom „kozmické vákuum“. Možno ho považovať za blízky fyzickému vákuu, ale existujúci v medzihviezdnom priestorepriestor. Planéty, ich prirodzené satelity, mnohé hviezdy majú určité príťažlivé sily, ktoré udržujú atmosféru v určitej vzdialenosti. Keď sa vzďaľujete od povrchu hviezdneho objektu, mení sa hustota riedeného plynu.
Napríklad existuje Karmanova línia, ktorá sa považuje za spoločnú definíciu s vonkajším priestorom hranice planéty. Za ním hodnota izotropného tlaku plynu prudko klesá v porovnaní so slnečným žiarením a dynamickým tlakom slnečného vetra, takže je ťažké interpretovať tlak riedeného plynu.
Vesmír je plný fotónov, reliktných neutrín, ktoré je ťažké odhaliť.
Funkcie merania
Stupeň vákua je zvyčajne určený množstvom látky, ktorá zostáva v systéme. Hlavnou charakteristikou merania tohto stavu je absolútny tlak, okrem toho sa berie do úvahy chemické zloženie plynu a jeho teplota.
Dôležitým parametrom pre vákuum je priemerná hodnota dĺžky dráhy plynov zostávajúcich v systéme. Existuje rozdelenie vákua do určitých rozsahov v súlade s technológiou, ktorá je potrebná na meranie: falošné, technické, fyzikálne.
Vákuové tvarovanie
Ide o výrobu produktov z moderných termoplastických materiálov v horúcej forme pomocou nízkeho tlaku vzduchu alebo vákua.
Vákuové tvarovanie sa považuje za spôsob ťahania, v dôsledku ktorého sa plastová fólia zahrieva,umiestnené nad matricou, až do určitej hodnoty teploty. Ďalej doska zopakuje tvar matrice, je to spôsobené vytvorením vákua medzi ňou a plastom.
Elektrovakuové zariadenia
Sú to zariadenia, ktoré sú navrhnuté tak, aby vytvárali, zosilňovali a premieňali elektromagnetickú energiu. V takomto zariadení sa z pracovného priestoru odstraňuje vzduch a na ochranu pred prostredím sa používa nepriepustný plášť. Príkladmi takýchto zariadení sú elektronické vákuové zariadenia, kde elektróny zapadajú do vákua. Za vákuové zariadenia možno považovať aj žiarovky.
Plyny pri nízkom tlaku
Plyn sa nazýva riedky, ak je jeho hustota zanedbateľná a dĺžka molekulárnej dráhy je porovnateľná s veľkosťou nádoby, v ktorej sa plyn nachádza. V takomto stave je pozorovaný pokles počtu elektrónov v pomere k hustote plynu.
V prípade vysoko riedeného plynu prakticky nedochádza k vnútornému treniu. Namiesto toho sa objavuje vonkajšie trenie pohybujúceho sa plynu o steny, čo sa vysvetľuje zmenou hybnosti molekúl pri zrážke s nádobou. V takejto situácii existuje priama úmernosť medzi rýchlosťou častíc a hustotou plynu.
V prípade nízkeho vákua sú pozorované časté zrážky medzi časticami plynu v plnom objeme, ktoré sú sprevádzané stabilnou výmenou tepelnej energie. To vysvetľuje fenomén prenosu (difúzia, tepelná vodivosť), ktorý sa aktívne využíva v modernej technológii.
Získanie riedkych plynov
Vedecký výskum a vývoj vákuových zariadení sa začal v polovici 17. storočia. V roku 1643 sa Talianovi Torricellimu podarilo určiť hodnotu atmosférického tlaku a po vynájdení mechanického piestového čerpadla so špeciálnou vodnou upchávkou od O. Guerickeho sa objavila skutočná príležitosť na uskutočnenie početných štúdií charakteristík riedeného plynu. Zároveň sa skúmali možnosti vplyvu vákua na živé bytosti. Experimenty uskutočnené vo vákuu s elektrickým výbojom prispeli k objavu negatívneho elektrónu, röntgenového žiarenia.
Vďaka tepelnoizolačnej schopnosti vákua bolo možné vysvetliť spôsoby prenosu tepla, využiť teoretické poznatky pre vývoj modernej kryogénnej technológie.
Používanie vysávača
V roku 1873 bolo vynájdené prvé elektrovákuové zariadenie. Stali sa žiarovkou, ktorú vytvoril ruský fyzik Lodygin. Odvtedy sa praktické využitie vákuovej technológie rozšírilo, objavili sa nové metódy na získanie a štúdium tohto stavu.
V krátkom čase boli vytvorené rôzne typy vákuových púmp:
- rotational;
- kryosorpcia;
- molecular;
- difúzia.
Začiatkom dvadsiateho storočia sa akademikovi Lebedevovi podarilo zlepšiť vedecké základy vákuového priemyslu. Až do polovice minulého storočia vedci nepripúšťali možnosť získať tlak menší ako 10-6 Pa.
BV súčasnosti sa vákuové systémy stavajú celokovové, aby sa predišlo úniku. Vákuové kryogénne čerpadlá sa používajú nielen vo výskumných laboratóriách, ale aj v rôznych priemyselných odvetviach.
Napríklad po vývoji špeciálnych evakuačných prostriedkov, ktoré neznečisťujú používaný objekt, sa objavili nové perspektívy využitia vákuovej technológie. V chémii sa takéto systémy aktívne využívajú na kvalitatívnu a kvantitatívnu analýzu vlastností čistých látok, separáciu zmesi na zložky a analýzu rýchlosti rôznych procesov.
