Vakum je prostor, v katerem ni materije. V uporabni fiziki in tehnologiji pomeni medij, v katerem je plin pod tlakom, ki je nižji od atmosferskega. Kateri so bili redki plini, ko so jih prvič odkrili?
Zgodovinske strani
Zamisel o praznini je bila že stoletja predmet spora. Redke pline so poskušali analizirati stari grški in rimski filozofi. Demokrit, Lukrecij, njihovi učenci so verjeli: če ne bi bilo prostega prostora med atomi, bi bilo njihovo gibanje nemogoče.
Aristotel in njegovi privrženci so ta koncept ovrgli, po njihovem mnenju v naravi ne bi smelo biti "praznine". V srednjem veku v Evropi je ideja o "strahu pred praznino" postala prednostna naloga, uporabljali so jo v verske namene.
Mehanika antične Grčije je pri ustvarjanju tehničnih naprav temeljila na redčenju zraka. Na primer, vodne črpalke, ki so delovale, ko je bil nad batom ustvarjen vakuum, so se pojavile v času Aristotela.
Razredčeno stanje plina, zraka, je postalo osnova za izdelavo batnih vakuumskih črpalk, ki se trenutno široko uporabljajo v tehnologiji.
Njihov prototip je bila znamenita batna brizga Herona Aleksandrijskega, ki jo je ustvaril samizvleči gnoj.
Sredi sedemnajstega stoletja je bila razvita prva vakuumska komora, šest let pozneje pa je nemškemu znanstveniku Ottu von Guericku uspelo izumiti prvo vakuumsko črpalko.
Ta batni cilinder je enostavno črpal zrak iz zaprte posode in tam ustvaril vakuum. To je omogočilo preučevanje glavnih značilnosti nove države, analizo njenih operativnih lastnosti.
Tehnični vakuum
V praksi se redko stanje plina, zraka imenuje tehnični vakuum. V velikih količinah je nemogoče doseči tako idealno stanje, saj imajo materiali pri določeni temperaturi nasičeno parno gostoto, ki ni nič.
Razlog za nezmožnost doseganja idealnega vakuuma je tudi prenos plinastih snovi skozi steklene, kovinske stene posod.
V majhnih količinah je povsem mogoče dobiti redke pline. Kot merilo redčenja se uporablja prosta pot plinskih molekul, ki naključno trčijo, in linearna velikost uporabljene posode.
Tehnični vakuum lahko štejemo za plin v cevovodu ali posodi z vrednostjo tlaka, manjšo od atmosferske. Nizek vakuum nastane, ko atomi ali molekule plina prenehajo trčiti drug ob drugega.
Med visokovakuumsko črpalko in atmosferskim zrakom je postavljen prednji vakuum, ki ustvari predhodni vakuum. V primeru naknadnega zmanjšanja tlačne komore opazimo povečanje dolžine poti plinastih delcev.snovi.
Ko je tlak od 10 -9 Pa, se ustvari ultra visok vakuum. Ti redki plini se uporabljajo za izvajanje eksperimentov s skenirajočim tunelskim mikroskopom.
Takšno stanje je mogoče dobiti v porah nekaterih kristalov tudi pri atmosferskem tlaku, saj je premer por veliko manjši od proste poti prostega delca.
Aparati na osnovi vakuuma
Razredčeno stanje plina se aktivno uporablja v napravah, imenovanih vakuumske črpalke. Getterji se uporabljajo za sesanje plinov in doseganje določene stopnje vakuuma. Vakuumska tehnologija vključuje tudi številne naprave, ki so potrebne za nadzor in merjenje tega stanja, pa tudi za nadzor objektov, za izvajanje različnih tehnoloških procesov. Najbolj zapletene tehnične naprave, ki uporabljajo redke pline, so visokovakuumske črpalke. Na primer, difuzijske naprave delujejo na podlagi gibanja molekul preostalega plina pod delovanjem toka delovnega plina. Tudi v primeru idealnega vakuuma je malo toplotnega sevanja, ko je dosežena končna temperatura. To pojasnjuje glavne lastnosti redkih plinov, na primer vzpostavitev toplotnega ravnotežja po določenem časovnem intervalu med telesom in stenami vakuumske komore.
Rafiniran enoatomni plin je odličen toplotni izolator. V njem se prenos toplotne energije izvaja le s pomočjo sevanja, toplotna prevodnost in konvekcija nistaso opazovani. Ta lastnost se uporablja v Dewarovih posodah (termozah), sestavljenih iz dveh posod, med katerima je vakuum.
Vakuum je našel široko uporabo v radijskih ceveh, na primer v magnetronih kineskopov, mikrovalovnih pečicah.
Fizični vakuum
V kvantni fiziki takšno stanje pomeni osnovno (najnižje) energijsko stanje kvantnega polja, za katerega so značilne ničelne vrednosti kvantnih števil.
V tem stanju enoatomski plin ni popolnoma prazen. V skladu s kvantno teorijo se virtualni delci sistematično pojavljajo in izginjajo v fizičnem vakuumu, kar povzroča nič nihanja polj.
Teoretično lahko hkrati obstaja več različnih vakuumov, ki se razlikujejo po energijski gostoti, pa tudi po drugih fizikalnih značilnostih. Ta ideja je postala osnova za inflacijsko teorijo velikega poka.
Lažni vakuum
To pomeni stanje polja v kvantni teoriji, ki ni stanje z minimalno energijo. V določenem časovnem obdobju je stabilen. Obstaja možnost "tuneliranja" napačnega stanja v pravi vakuum, ko so dosežene zahtevane vrednosti glavnih fizikalnih veličin.
Vesolje
Ko razpravljamo o tem, kaj pomeni redki plin, se je treba osredotočiti na koncept "kozmičnega vakuuma". Lahko ga štejemo za blizu fizičnega vakuuma, vendar obstaja v medzvezdjuprostor. Planeti, njihovi naravni sateliti, številne zvezde imajo določene privlačne sile, ki ohranjajo atmosfero na določeni razdalji. Ko se oddaljite od površine zvezdnega predmeta, se spremeni gostota raztopljenega plina.
Na primer, obstaja Karmanova črta, ki velja za skupno definicijo z vesoljem meje planeta. Za njo se vrednost izotropnega tlaka plina močno zmanjša v primerjavi s sončnim sevanjem in dinamičnim tlakom sončnega vetra, zato je težko interpretirati tlak redčenega plina.
Vesolje je polno fotonov, reliktnih nevtrinov, ki jih je težko zaznati.
Merilne funkcije
Stopnja vakuuma je običajno določena s količino snovi, ki ostane v sistemu. Glavna značilnost merjenja tega stanja je absolutni tlak, poleg tega se upoštevata kemična sestava plina in njegova temperatura.
Pomemben parameter za vakuum je povprečna vrednost dolžine poti plinov, ki ostanejo v sistemu. Vakuum je razdeljen na določene razpone v skladu s tehnologijo, ki je potrebna za meritve: lažni, tehnični, fizični.
vakuumsko oblikovanje
To je izdelava izdelkov iz sodobnih termoplastičnih materialov v vroči obliki z uporabo nizkega zračnega tlaka ali vakuumskega delovanja.
Vakumsko oblikovanje velja za metodo vlečenja, zaradi katere se plastična plošča segreje,ki se nahaja nad matriko, do določene temperaturne vrednosti. Nato list ponovi obliko matrice, to je posledica ustvarjanja vakuuma med njo in plastiko.
Elektrovakumske naprave
So naprave, ki so zasnovane za ustvarjanje, ojačanje in pretvarjanje elektromagnetne energije. V takšni napravi se iz delovnega prostora odstrani zrak, za zaščito pred okoljem pa se uporablja neprepustna lupina. Primeri takšnih naprav so elektronske vakuumske naprave, kjer se elektroni prilegajo v vakuum. Žarnice z žarilno nitko lahko štejemo tudi za vakuumske naprave.
Plini pri nizkih tlakih
Plin imenujemo redčen, če je njegova gostota zanemarljiva in je dolžina molekularne poti primerljiva z velikostjo posode, v kateri se nahaja plin. V takem stanju opazimo zmanjšanje števila elektronov sorazmerno z gostoto plina.
Pri zelo redkem plinu praktično ni notranjega trenja. Namesto tega se pojavi zunanje trenje gibljivega plina ob stene, kar je razloženo s spremembo gibalne količine molekul, ko trčijo v posodo. V takšni situaciji obstaja neposredna sorazmernost med hitrostjo delcev in gostoto plina.
V primeru nizkega vakuuma opazimo pogoste trke med delci plina v polni prostornini, ki jih spremlja stabilna izmenjava toplotne energije. To pojasnjuje pojav prenosa (difuzija, toplotna prevodnost), ki se aktivno uporablja v sodobni tehnologiji.
Pridobivanje redkih plinov
Znanstveno preučevanje in razvoj vakuumskih naprav se je začelo sredi sedemnajstega stoletja. Leta 1643 je Italijanu Torricelliju uspelo določiti vrednost atmosferskega tlaka, po izumu mehanske batne črpalke s posebnim vodnim tesnilom O. Guerickeja pa se je pojavila prava priložnost za izvedbo številnih študij lastnosti razredčenega plina. Hkrati so se preučevale možnosti vpliva vakuuma na živa bitja. Poskusi, izvedeni v vakuumu z električnim razelektritvijo, so prispevali k odkritju negativnega elektrona, rentgenskega sevanja.
Zahvaljujoč toplotnoizolacijski sposobnosti vakuuma je postalo mogoče razložiti metode prenosa toplote, uporabiti teoretične informacije za razvoj sodobne kriogene tehnologije.
Uporaba vakuuma
Leta 1873 je bila izumljena prva elektrovakuumska naprava. Postali so žarnica z žarilno nitko, ki jo je ustvaril ruski fizik Lodygin. Od takrat se je praktična uporaba vakuumske tehnologije razširila, pojavile so se nove metode za pridobivanje in preučevanje tega stanja.
V kratkem času so bile ustvarjene različne vrste vakuumskih črpalk:
- rotacijski;
- kriosorpcija;
- molekularno;
- difuzija.
Na začetku dvajsetega stoletja je akademiku Lebedevu uspelo izboljšati znanstvene temelje vakuumske industrije. Do sredine prejšnjega stoletja znanstveniki niso dopuščali možnosti, da bi dosegli tlak manj kot 10-6 Pa.
BTrenutno so vakuumski sistemi izdelani iz kovine, da se prepreči puščanje. Vakuumske kriogene črpalke se ne uporabljajo samo v raziskovalnih laboratorijih, ampak tudi v različnih panogah.
Na primer, po razvoju posebnih evakuacijskih sredstev, ki ne onesnažujejo uporabljenega predmeta, so se pojavile nove možnosti za uporabo vakuumske tehnologije. V kemiji se takšni sistemi aktivno uporabljajo za kvalitativno in kvantitativno analizo lastnosti čistih snovi, ločevanje zmesi na komponente in analizo hitrosti različnih procesov.
