Próżnia to przestrzeń, w której nie ma materii. W fizyce stosowanej i technologii oznacza to medium, w którym gaz zawarty jest pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie atmosferyczne. Czym były rozrzedzone gazy, gdy zostały odkryte?
Strony historii
Idea pustki była od wieków przedmiotem sporu. Gazy rozrzedzone próbowały analizować starożytnych filozofów greckich i rzymskich. Demokryt, Lukrecjusz, ich uczniowie wierzyli: gdyby nie było wolnej przestrzeni między atomami, ich ruch byłby niemożliwy.
Arystoteles i jego zwolennicy obalili tę koncepcję, ich zdaniem nie powinno być „pustki” w naturze. W średniowieczu w Europie idea „strachu przed pustką” stała się priorytetem, wykorzystywano ją do celów religijnych.
Mechanika starożytnej Grecji podczas tworzenia urządzeń technicznych opierała się na rozrzedzaniu powietrza. Na przykład za czasów Arystotelesa pojawiły się pompy wodne, które działały, gdy nad tłokiem wytworzyła się próżnia.
Rozrzedzony stan gazu, powietrze, stał się podstawą do produkcji tłokowych pomp próżniowych, które są obecnie szeroko stosowane w technologii.
Ich prototypem była słynna strzykawka tłokowa Herona z Aleksandrii, stworzona przez niegowyciągnąć ropę.
W połowie XVII wieku opracowano pierwszą komorę próżniową, a sześć lat później niemiecki naukowiec Otto von Guerick zdołał wynaleźć pierwszą pompę próżniową.
Ten cylinder tłokowy z łatwością wypompował powietrze z zamkniętego pojemnika, tworząc tam próżnię. Umożliwiło to zbadanie głównych cech nowego stanu, analizę jego właściwości eksploatacyjnych.
Odkurzacz techniczny
W praktyce rozrzedzony stan gazu, powietrza nazywany jest próżnią techniczną. W dużych objętościach nie da się uzyskać tak idealnego stanu, ponieważ w określonej temperaturze materiały mają niezerową gęstość pary nasyconej.
Powodem niemożności uzyskania idealnej próżni jest również przepuszczanie substancji gazowych przez szklane, metalowe ścianki naczyń.
W małych ilościach całkiem możliwe jest uzyskanie rozrzedzonych gazów. Jako miarę rozrzedzenia wykorzystywana jest swobodna ścieżka cząsteczek gazu, które losowo się zderzają, a także liniowy rozmiar używanego naczynia.
Próżnię techniczną można uznać za gaz w rurociągu lub zbiorniku o wartości ciśnienia niższej niż w atmosferze. Niska próżnia występuje, gdy atomy lub cząsteczki gazu przestają się ze sobą kolidować.
Próżnia wstępna jest umieszczana między pompą wysokiej próżni a powietrzem atmosferycznym, co wytwarza podciśnienie wstępne. W przypadku późniejszego spadku komory ciśnieniowej obserwuje się wzrost długości drogi cząstek gazowych.substancje.
Gdy ciśnienie wynosi od 10 -9 Pa, powstaje bardzo wysoka próżnia. To właśnie te rozrzedzone gazy są wykorzystywane do prowadzenia eksperymentów przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego.
Możliwe jest uzyskanie takiego stanu w porach niektórych kryształów nawet przy ciśnieniu atmosferycznym, ponieważ średnica porów jest znacznie mniejsza niż swobodna droga cząstki swobodnej.
Urządzenia próżniowe
Rozrzedzony stan gazu jest aktywnie wykorzystywany w urządzeniach zwanych pompami próżniowymi. Gettery służą do odsysania gazów i uzyskania pewnego stopnia podciśnienia. Technologia próżniowa obejmuje również liczne urządzenia, które są niezbędne do kontroli i pomiaru tego stanu, a także do sterowania obiektami, do realizacji różnych procesów technologicznych. Najbardziej skomplikowanymi urządzeniami technicznymi wykorzystującymi gazy rozrzedzone są pompy wysokopróżniowe. Na przykład urządzenia dyfuzyjne działają w oparciu o ruch resztkowych cząsteczek gazu pod działaniem przepływu gazu roboczego. Nawet w przypadku idealnej próżni po osiągnięciu temperatury końcowej promieniowanie cieplne jest niewielkie. Wyjaśnia to główne właściwości rozrzedzonych gazów, na przykład początek równowagi termicznej po pewnym odstępie czasu między korpusem a ścianami komory próżniowej.
Rozrzedzony gaz jednoatomowy jest doskonałym izolatorem termicznym. W nim transfer energii cieplnej odbywa się tylko za pomocą promieniowania, przewodności cieplnej i konwekcji nie sąsą obserwowani. Ta właściwość jest wykorzystywana w naczyniach Dewara (termosach), składających się z dwóch pojemników, pomiędzy którymi znajduje się próżnia.
Próżnia znalazła szerokie zastosowanie w lampach radiowych, na przykład magnetronach kineskopów, kuchenkach mikrofalowych.
Próżnia fizyczna
W fizyce kwantowej taki stan oznacza podstawowy (najniższy) stan energetyczny pola kwantowego, który charakteryzuje się zerowymi wartościami liczb kwantowych.
W tym stanie gaz jednoatomowy nie jest całkowicie pusty. Zgodnie z teorią kwantową wirtualne cząstki systematycznie pojawiają się i znikają w fizycznej próżni, która powoduje zerowe oscylacje pól.
Teoretycznie może istnieć jednocześnie kilka różnych próżni, które różnią się gęstością energii, a także innymi właściwościami fizycznymi. Pomysł ten stał się podstawą teorii inflacyjnego Wielkiego Wybuchu.
Fałszywe odkurzanie
Oznacza stan pola w teorii kwantowej, który nie jest stanem o minimalnej energii. Jest stabilny przez pewien czas. Istnieje możliwość „tunelowania” fałszywego stanu do prawdziwej próżni, gdy zostaną osiągnięte wymagane wartości głównych wielkości fizycznych.
Kosmos
Omawiając, czym jest rozrzedzony gaz, konieczne jest zastanowienie się nad pojęciem „kosmicznej próżni”. Można ją uznać za zbliżoną do fizycznej próżni, ale istniejącą w przestrzeni międzygwiezdnejprzestrzeń. Planety, ich naturalne satelity, wiele gwiazd mają pewne siły przyciągania, które utrzymują atmosferę w pewnej odległości. W miarę oddalania się od powierzchni obiektu gwiezdnego zmienia się gęstość rozrzedzonego gazu.
Na przykład istnieje linia Karmana, która jest uważana za wspólną definicję z kosmosem na granicy planety. Za nim wartość ciśnienia gazu izotropowego gwałtownie spada w porównaniu z promieniowaniem słonecznym i dynamicznym ciśnieniem wiatru słonecznego, więc trudno jest zinterpretować ciśnienie gazu rozrzedzonego.
Przestrzeń kosmiczna jest pełna fotonów, reliktowych neutrin, które są trudne do wykrycia.
Funkcje pomiarowe
Stopień podciśnienia jest zwykle określany przez ilość substancji, która pozostaje w systemie. Główną cechą pomiaru tego stanu jest ciśnienie bezwzględne, dodatkowo uwzględniany jest skład chemiczny gazu oraz jego temperatura.
Ważnym parametrem dla próżni jest średnia wartość długości drogi gazów pozostających w systemie. Istnieje podział próżni na określone zakresy zgodnie z technologią niezbędną do pomiarów: fałszywa, techniczna, fizyczna.
Formowanie próżniowe
Jest to produkcja wyrobów z nowoczesnych materiałów termoplastycznych w formie gorącej przy użyciu niskiego ciśnienia powietrza lub działania próżni.
Formowanie próżniowe jest uważane za metodę ciągnienia, w wyniku której arkusz z tworzywa sztucznego jest podgrzewany,znajduje się nad matrycą, do określonej wartości temperatury. Następnie arkusz powtarza kształt matrycy, jest to spowodowane wytworzeniem podciśnienia pomiędzy nim a tworzywem.
Urządzenia elektropróżniowe
Są to urządzenia zaprojektowane do tworzenia, wzmacniania i przekształcania energii elektromagnetycznej. W takim urządzeniu powietrze jest usuwane z przestrzeni roboczej, a nieprzepuszczalna powłoka służy do ochrony przed środowiskiem. Przykładami takich urządzeń są elektroniczne urządzenia próżniowe, w których elektrony mieszczą się w próżni. Lampy żarowe można również uznać za urządzenia próżniowe.
Gazy pod niskim ciśnieniem
Gaz nazywany jest rozrzedzonym, jeśli jego gęstość jest pomijalna, a długość ścieżki molekularnej jest porównywalna z rozmiarem naczynia, w którym znajduje się gaz. W takim stanie obserwuje się spadek liczby elektronów proporcjonalnie do gęstości gazu.
W przypadku bardzo rozrzedzonego gazu praktycznie nie ma tarcia wewnętrznego. Zamiast tego pojawia się tarcie zewnętrzne poruszającego się gazu o ściany, co tłumaczy się zmianą pędu cząsteczek, gdy zderzają się z naczyniem. W takiej sytuacji istnieje bezpośrednia proporcjonalność między prędkością cząstek a gęstością gazu.
W przypadku niskiej próżni obserwuje się częste zderzenia cząstek gazu w pełnej objętości, którym towarzyszy stabilna wymiana energii cieplnej. Wyjaśnia to zjawisko transferu (dyfuzja, przewodnictwo cieplne), które jest aktywnie wykorzystywane w nowoczesnej technologii.
Uzyskiwanie rozrzedzonych gazów
Badania naukowe i rozwój urządzeń próżniowych rozpoczęły się w połowie XVII wieku. W 1643 r. włoskiemu Torricelli udało się określić wartość ciśnienia atmosferycznego, a po wynalezieniu przez O. Guericke mechanicznej pompy tłokowej ze specjalnym uszczelnieniem wodnym pojawiła się realna okazja do przeprowadzenia licznych badań właściwości gazu rozrzedzonego. Jednocześnie badano możliwości oddziaływania próżni na istoty żywe. Eksperymenty przeprowadzone w próżni z wyładowaniem elektrycznym przyczyniły się do odkrycia elektronu ujemnego, promieniowania rentgenowskiego.
Dzięki zdolności próżni do izolacji cieplnej stało się możliwe wyjaśnienie metod wymiany ciepła, wykorzystanie informacji teoretycznych do rozwoju nowoczesnej technologii kriogenicznej.
Korzystanie z odkurzacza
W 1873 roku wynaleziono pierwsze urządzenie do elektropróżni. Stały się żarówką, stworzoną przez rosyjskiego fizyka Lodygina. Od tego czasu rozszerzyło się praktyczne zastosowanie technologii próżniowej, pojawiły się nowe metody uzyskiwania i badania tego stanu.
W krótkim czasie powstały różne typy pomp próżniowych:
- obrotowy;
- kriosorpcja;
- molekularny;
- dyfuzja.
Na początku XX wieku akademikowi Lebiediewowi udało się poprawić podstawy naukowe przemysłu próżniowego. Do połowy ubiegłego wieku naukowcy nie dopuszczali możliwości uzyskania ciśnienia poniżej 10-6 Pa.
BObecnie systemy próżniowe są wykonane w całości z metalu, aby uniknąć wycieków. Kriogeniczne pompy próżniowe znajdują zastosowanie nie tylko w laboratoriach badawczych, ale także w różnych gałęziach przemysłu.
Na przykład po opracowaniu specjalnych środków ewakuacyjnych, które nie zanieczyszczają używanego obiektu, pojawiły się nowe perspektywy wykorzystania technologii próżniowej. W chemii takie systemy są aktywnie wykorzystywane do jakościowej i ilościowej analizy właściwości czystych substancji, rozdzielania mieszaniny na składniki i analizy szybkości różnych procesów.
