Zgodnie z definicją w fizyce, pojęcie „próżnia” oznacza brak jakiejkolwiek substancji i elementów materii w określonej przestrzeni, w tym przypadku mówimy o próżni absolutnej. Częściową próżnię obserwuje się, gdy gęstość substancji w danym miejscu w przestrzeni jest niewielka. Przyjrzyjmy się bliżej temu zagadnieniu w artykule.
Podciśnienie i ciśnienie
W definicji pojęcia „próżnia absolutna” mówimy o gęstości materii. Z fizyki wiadomo, że jeśli weźmiemy pod uwagę materię gazową, to gęstość substancji jest wprost proporcjonalna do ciśnienia. Z kolei mówiąc o częściowej próżni sugeruje się, że gęstość cząstek materii w danej przestrzeni jest mniejsza niż gęstość powietrza przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Dlatego kwestia próżni jest kwestią ciśnienia w omawianym układzie.
W fizyce ciśnienie bezwzględne jest wielkością równą stosunkowi siły(mierzona w niutonach (N)), która jest przyłożona prostopadle do jakiejś powierzchni, do pola tej powierzchni (mierzonej w metrach kwadratowych), czyli P=F / S, gdzie P to ciśnienie, F to siła, S to powierzchnia. Jednostką ciśnienia jest paskal (Pa), więc 1 [Pa]=1 [N]/1 [m2].
Częściowa próżnia
Udowodniono eksperymentalnie, że w temperaturze 20 °C na powierzchni Ziemi na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi 101 325 Pa. To ciśnienie nazywa się pierwszą atmosferą (atm.). W przybliżeniu możemy powiedzieć, że ciśnienie wynosi 1 atm. równa się 0,1 MPa. Odpowiadając na pytanie, ile atmosfer jest w 1 Pascalu, uzupełniamy odpowiednią proporcję i otrzymujemy, że 1 Pa=10-5 atm. Częściowa próżnia odpowiada dowolnemu ciśnieniu w rozważanej przestrzeni, które jest mniejsze niż 1 atm.
Jeżeli wskazane cyfry przetłumaczymy z języka ciśnienia na język liczby cząstek, to należy powiedzieć, że przy 1 atm. 1 m3 powietrza zawiera około 1025cząsteczek. Każde zmniejszenie wymienionego stężenia cząsteczek prowadzi do powstania częściowej próżni.
Pomiar podciśnienia
Najpopularniejszym urządzeniem do pomiaru małej próżni jest konwencjonalny barometr, którego można używać tylko wtedy, gdy ciśnienie gazu wynosi kilkadziesiąt procent atmosferycznego.
Do pomiaru wyższych wartości próżni używany jest obwód elektryczny z mostkiem Wheatstone'a. Ideą używania jest mierzenieopór elementu czujnikowego, który zależy od otaczającego stężenia cząsteczek w gazie. Im większe to stężenie, tym więcej cząsteczek uderza w element czujnikowy, a im więcej ciepła do nich przekazuje, prowadzi to do obniżenia temperatury elementu, co wpływa na jego opór elektryczny. To urządzenie może mierzyć próżnię przy ciśnieniu 0,001 atm.
Tło historyczne
Ciekawe, że koncepcja "absolutnej próżni" została całkowicie odrzucona przez słynnych starożytnych greckich filozofów, takich jak Arystoteles. Ponadto istnienie ciśnienia atmosferycznego było znane dopiero na początku XVII wieku. Dopiero wraz z nadejściem New Age zaczęto przeprowadzać eksperymenty z rurkami wypełnionymi wodą i rtęcią, które wykazały, że atmosfera ziemska wywiera nacisk na wszystkie otaczające ciała. W szczególności w 1648 r. Blaise Pascal był w stanie zmierzyć ciśnienie za pomocą barometru rtęciowego na wysokości 1000 metrów nad poziomem morza. Zmierzona wartość okazała się znacznie niższa niż na poziomie morza, dlatego naukowiec udowodnił istnienie ciśnienia atmosferycznego.
Pierwszy eksperyment, który wyraźnie zademonstrował siłę ciśnienia atmosferycznego, a także podkreślił koncepcję próżni, został przeprowadzony w Niemczech w 1654 roku, obecnie znany jako Eksperyment Sfery Magdeburskiej. W 1654 r. niemiecki fizyk Otto von Guericke zdołał szczelnie połączyć dwie metalowe półkule o średnicy zaledwie 30 cm, a następnie wypompował powietrze z powstałej struktury, tworząc w ten sposóbczęściowa próżnia. Historia mówi, że dwie zaprzęgi po 8 koni każda, które ciągnęły w przeciwnych kierunkach, nie mogły rozdzielić tych sfer.
Próżnia absolutna: czy istnieje?
Innymi słowy, czy jest miejsce w przestrzeni, które nie zawiera żadnej materii. Nowoczesne technologie umożliwiają wytworzenie próżni o wartości 10-10 Pa, a nawet mniejszej, ale to ciśnienie bezwzględne nie oznacza, że w rozważanym układzie nie pozostały żadne cząstki materii.
Zwróćmy się teraz do najbardziej pustej przestrzeni we Wszechświecie - do otwartej przestrzeni. Jakie jest ciśnienie w próżni kosmicznej? Ciśnienie w przestrzeni kosmicznej wokół Ziemi wynosi 10-8 Pa, pod tym ciśnieniem znajduje się około 2 milionów cząsteczek w objętości 1 cm3. Jeśli mówimy o przestrzeni międzygalaktycznej, to według naukowców nawet w niej znajduje się co najmniej 1 atom o objętości 1 cm3. Ponadto nasz Wszechświat jest przesiąknięty promieniowaniem elektromagnetycznym, którego nośnikiem są fotony. Promieniowanie elektromagnetyczne to energia, którą można przekształcić w odpowiednią masę zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina (E=mc2), co oznacza, że energia wraz z materią jest stanem materii. Prowadzi to do wniosku, że w znanym nam Wszechświecie nie ma próżni absolutnej.
