Разредени газове: концепция и свойства. вакуум

Вакуумът е пространство, в което няма вещество. В Приложна физика

Страници с история

Идеята за празнота в продължение на много векове е била обект на противоречия. Бяха направени опити да се анализират древните газове, за да се анализират древните гръцки и римски философи Демокрит, Лукреций, учениците им вярвали, че ако няма свободно пространство между атомите, тяхното движение би било невъзможно.

Аристотел и неговите последователи опровергаха това понятие, според тях не трябва да има "празнота" в природата. През Средните векове в Европа идеята за "страх от празнота" се превърна в приоритет, тя се използва за религиозни цели.

Механиката на древна Гърция в създаването на технически средства се основаваше на разрязването на въздуха. Например, във времето на Аристотел се появиха водни помпи, които функционираха при създаването на вакуум върху буталото.

Редифицираното състояние на газ, въздух се превръща в основата за производството на възвратно-постъпателни вакуумни помпи, които в момента се използват широко в машиностроенето.

Техният прототип е известната бутална спринцовка на Херън Александрия, създадена от него за рисуване.

В средата на седемнадесети век е разработена първата вакуумна камера и шест години по-късно германският учен Ото фон Гурик успя да измисли първата вакуумна помпа.

Този бутален цилиндър лесно евакуира въздуха от запечатан контейнер, създавайки там вакуум. Това ни позволи да изучим основните характеристики на новата държава, да анализираме нейните оперативни свойства.

Технически вакуум

На практика рядкото състояние на газа и въздух се нарича технически вакуум. В големи обеми е невъзможно да се получи такова идеално състояние, тъй като при определена температура материалите имат ненаситена плътност на наситените пари.

Причината за невъзможността за получаване на идеален вакуум е и предаването на газообразни вещества от стъклените метални стени на съдовете.

В малки количества е възможно да се получат редки газове. Както стъпки на разреждане се използват безпрепятствено дължина на пътя на молекулите на газа, който случайно срещат и линейната измерение на контейнера използва.

Технически вакуум може да се счита за газ в тръбопровод или съд с стойност на налягането, по-малка от тази в атмосферата. Нисък вакуум се получава, когато атомите или молекулите на газа спират да се сблъскват един с друг.

Между високо вакуумната помпа и атмосферния въздух се поставя вакуумен съд, който създава предварително вакуум. В случай на последващо намаляване на налягането в камерата се наблюдава увеличение на средния свободен път на частиците на газовото вещество.

Натиск от 10 ^-9 Pa създава ултра висок вакуум. Това са тези редки газове, които се използват за провеждане на експерименти с помощта на сканиращ тунелен микроскоп.

Възможно е да се получи такова състояние в порите на някои кристали дори при атмосферно налягане, тъй като диаметърът на порите е много по-малък от средния свободен път на свободната частица.

Уреди на базата на вакуум

Редифицираното състояние на газа се използва активно в устройства, наречени вакуумни помпи. Getters се използват за абсорбиране на газове и получаване на определена степен на вакуум. Вакуумната технология включва и множество устройства, които са необходими за наблюдение и измерване на това състояние, както и за контролиране на обекти, извършващи различни технологични процеси. Най-сложните технически средства, в които се използват разредени газове, са високо вакуумни помпи. Например дифузионните устройства функционират на базата на движението на молекулите на остатъчните газове под действието на работещ газов поток. Дори в случая на идеален вакуум, когато се достигне крайната температура, има незначително топлинно излъчване. Това обяснява основните свойства на редифицираните газове, например, началото на термичното равновесие през определен интервал от време между тялото и стените на вакуумната камера.

Рязаният монатомен газ е отличен термо изолатор. В него преносът на топлинна енергия се извършва само чрез лъчение, топлинна проводимост и конвекция не се наблюдават. Тази собственост се използва в кораби на Девар (термози), състоящи се от два контейнера, между които има вакуум.

Вакуумът е намерил широко приложение и в радиоелементи, например магнетрони на кинескопи, микровълнови печки.

Физически вакуум

В квантовата физика такова състояние означава земното (най-ниското) енергийно състояние на квантово поле, което се характеризира с нулеви стойности квантови числа.

В такова състояние монатомен газ не е абсолютно празен. Съгласно квантовата теория във физически вакуум виртуалните частици се появяват и изчезват систематично, което предизвиква трептения на нулеви полета.

Теоретично, в същото време може да съществуват няколко различни вакуума, които се различават в енергийната плътност, както и в други физически характеристики. Тази идея се превърна в основата на инфлационната теория за огромна експлозия.

Фалшив вакуум

С това се има предвид състоянието на полето в квантовата теория, която не е държава с минимална енергия. Той е стабилен за определен период от време. Има вероятност да се "тунелира" фалшивото състояние в истински вакуум, когато се достигнат необходимите стойности на основните физически величини.

Външно пространство

Като аргументираме какво означава разреден газ, е необходимо да се замислим за понятието "космически вакуум". Тя може да се счита за близо до физически вакуум, но съществува в междузвездното пространство. На планетите, техните естествени спътници, много звезди, има определени привличащи сили, които задържат определено разстояние от атмосферата. С изменението на разстоянието от повърхността на звездния обект се променя плътността на изрязания газ.

Например, има линията Karman, която се счита за обща дефиниция с космическото пространство на границата на планетата. Зад него изотопният натиск на газа намалява рязко в сравнение със слънчевата радиация и динамичното налягане на слънчевия вятър, така че е трудно да се интерпретира налягането на изрязания газ.

В космоса има много фотони, реликви неутрино, които трудно могат да бъдат открити.

Характеристики на измерването

Степента на вакуум обикновено се определя от количеството вещество, което остава в системата. Основната характеристика на измерването на това състояние е абсолютното налягане, освен това се взема под внимание химичният състав на газа и неговата температура.

Важен параметър за вакуума е средната стойност на средния свободен път на оставащите в системата газове. Има подразделение на вакуум в определени диапазони в съответствие с технологията, която е необходима за извършване на измервания: фалшиви, технически, физически.

Вакуумно формоване

Това е производството на продукти от съвременни термопластични материали в гореща форма чрез действието на ниско налягане на въздуха или действието на вакуум.

Вакуумното формоване се счита за метод на изтегляне, което води до загряване на пластмасовия лист, разположен над матрицата, до определена стойност на температурата. След това листата повтаря формата на матрицата, това се обяснява с създаването на вакуум между нея и пластмасата.

Електровакуумни устройства

Те са устройства, предназначени да създават, усилват и преобразуват електромагнитната енергия. В такова устройство въздухът се отстранява от работното пространство и се използва непроницаема обвивка, за да се предпази от околната среда. Примери за такива устройства са електронните вакуумни устройства, където електроните са подходящи във вакуум. Лампите с нажежаема жичка могат да се считат също за електровакуумни устройства.

Газове при ниски налягания

Газ наречен рядко, ако стойността му плътност е малка, а средният свободен пътя на молекули е сравним с размера на съда, в който газът. В такова състояние намаляването на броя на електроните е пропорционално на плътността на газа.

В случая на много редки газове, практически няма вътрешно триене. Вместо това има външно триене на движещия се газ срещу стената, което се обяснява с промяната в инерцията на молекулите чрез сблъсък с съда. В такава ситуация съществува пряка пропорционалност между скоростта на частиците и плътността на газа.

В случай на нисък вакуум се наблюдават чести сблъсъци между частиците на газа, които се съпровождат от стабилна смяна на топлинна енергия. Това обяснява транспортния феномен (дифузия, термична проводимост), който активно се използва в съвременната технология.

Производство на редки газове

Научното изследване и разработването на вакуумни устройства започва в средата на XVII век. През 1643 г. италианският Torricelli е успял да определи атмосферното налягане и след изобретението на механичната бутална помпа на O. Gericke със специален воден печат съществува реална възможност за извършване на многобройни изследвания на характеристиките на изхвърления газ. В същото време бяха проучени възможностите за ефекта на вакуума върху живите същества. Експериментите, проведени във вакуум с електрическо разреждане, улесняват откриването на отрицателен електронен, рентгеново излъчване.

Благодарение на топлоизолационната способност на вакуума стана възможно да се обяснят начините за пренос на топлина, да се използва теоретична информация за развитието на модерно криогенно оборудване.

Приложение на вакуума

През 1873 г. е измислено първото електровакуумно устройство. Те станаха лампа с нажежаема жичка, създадена от руския физик Лодигън. Оттогава се е разширило практическото използване на вакуумната технология, са се появили нови методи за получаване и изучаване на това състояние.

За кратък интервал от време са създадени различни видове вакуумни помпи:

• въртене;
• cryoadsorption;
• молекулна;
• дифузия.

В началото на ХХ век акад. Лебедев успя да подобри научните основи на вакуумната индустрия. До средата на миналия век учените не позволяват възможността да се получи налягане по-малко от 10-6 Pa.

В момента вакуумни системи създайте изцяло метал, за да избегнете изтичане. Вакуумните криогенни помпи се използват не само в изследователските лаборатории, но и в различни отрасли.

Например, след разработването на специални помпени съоръжения, които не замърсяват използваното съоръжение, възникнаха нови перспективи за използване на вакуумна технология. В химията такива системи се използват активно за качествен и количествен анализ на свойствата чисти вещества, разделяне на сместа на компоненти, анализ на скоростта на протичане на различни процеси.