Razredčeni plini: koncept in lastnosti. Vakuum

Vakuum je prostor, v katerem ni snovi. V Ljubljani Uporabna fizika

Strani zgodovine

Zamisel o praznini za več stoletij je bila predmet polemike. Redki plini so poskušali analizirati starodavne grške in rimske filozofe. Democritus, Lucretius, njihovi učenci verjeli: če med atomi ni prostega prostora, bi bilo njihovo gibanje nemogoče.

Aristotel in njegovi privrženci tega pojma zavračajo, po njihovem mnenju v naravi ne sme biti "praznine". V srednjem veku v Evropi je bila ideja o »strahu pred praznino« prednostna naloga, uporabljena je bila za verske namene.

Mehanika starodavne Grčije pri ustvarjanju tehničnih naprav je temeljila na razbremenitvi zraka. Na primer, v času Aristotela so se pojavile vodne črpalke, ki so delovale pri ustvarjanju vakuuma nad batom.

Razdrobljeno stanje plina, zraka, je postalo osnova za izdelavo recipročnih vakuumskih črpalk, ki se trenutno pogosto uporabljajo v inženirstvu.

Njihov prototip je bil znameniti brizgalni bat Batov Alexandria, ki ga je ustvaril za risanje gnojil.

Sredi sedemnajstega stoletja je bila razvita prva vakuumska komora, šest let kasneje pa je nemški nemški znanstvenik Otto von Guerick uspel izumiti prvo vakuumsko črpalko.

Ta batni valj preprosto evakuira zrak iz zaprtega posode, s čimer ustvari vakuum. To nam je omogočilo, da preučimo glavne značilnosti nove države, da analiziramo njegove operativne lastnosti.

Tehnični vakuum

V praksi se redčenje stanja plina in zraka imenuje tehnični vakuum. V velikih količinah ni mogoče dobiti takšnega idealnega stanja, saj imajo materiali na določeni temperaturi nenadno nasičeno gostoto pare.

Razlog za nezmožnost pridobitve idealnega vakuuma je tudi prenos plinastih snovi s steklenimi, kovinskimi stenami posod.

V majhnih količinah je mogoče dobiti raztopljene pline. Kot merilo izpusta se uporablja dolžina neoviranega obsega molekul plinov, ki se naključno trčijo, in linearno velikost uporabljenega plovila.

Tehnični vakuum lahko štejemo za plin v cevovodu ali plovilu s tlakom manj kot v ozračju. Nizek vakuum se pojavi, ko se atomi ali molekule plina ustavijo med seboj.

Med visoko-vakuumsko črpalko in atmosferskim zrakom postavi vakuumsko posodo, ki ustvarja predhodni vakuum. V primeru naknadnega znižanja tlačne komore opazimo povečanje povprečne proste poti delcev plinaste snovi.

Ob pritisku 10 ^-9 Pa ustvarja ultrahigh vakuum. Te redčene pline, ki se uporabljajo za izvajanje poskusov z mikroskopom za skeniranje tunela.

Takšno stanje je mogoče doseči v poreih nekaterih kristalov tudi pri atmosferskem tlaku, ker je premer premera veliko manjši od povprečne proste poti prostega delca.

Naprave na podlagi vakuuma

Redčeni plin se aktivno uporablja v napravah, imenovanih vakuumske črpalke. Pripravljavci se uporabljajo za absorpcijo plinov in pridobijo določeno stopnjo vakuuma. Vakuumska tehnologija pomeni tudi številne naprave, ki so potrebne za spremljanje in merjenje tega stanja, pa tudi za nadzor objektov, ki izvajajo različne tehnološke procese. Najbolj zapletene tehnične naprave, v katerih se uporabljajo razredčeni plini, so visokovakuumske črpalke. Na primer, difuzijske naprave delujejo na podlagi gibanja molekul preostalih plinov pod delovanjem delovnega plinskega toka. Tudi v primeru idealnega vakuuma, ko je dosežena končna temperatura, je nepomembno toplotno sevanje. To pojasnjuje osnovne lastnosti razžvepljenih plinov, na primer začetek toplotnega ravnovesja skozi določen časovni interval med telesom in stenami vakuumske komore.

Redčeni monatomski plin je odličen toplotni izolator. Pri tem prenos toplotne energije poteka le s sevanjem, toplotna prevodnost in konvekcija se ne upoštevata. Ta lastnost se uporablja v plovila Dewar (termoze), sestavljene iz dveh posod, med katerimi je vakuum.

Vakuum je našel široko uporabo tudi v radijskih epruvetah, na primer magnetrone kinematografov, mikrovalovne pečice.

Fizični vakuum

V kvantni fiziki takšno stanje pomeni talno (najmanjšo) energijsko stanje kvantnega polja, ki ga označujejo nič vrednosti kvantne številke.

V takem stanju monatomski plin ni povsem prazen. Glede na kvantno teorijo se v fizičnem vakuumu pojavijo in izginjajo navidezni delci, ki povzročajo ničelna poljska nihanja.

Teoretično lahko istočasno obstaja več različnih vakuumov, ki se razlikujejo glede na gostoto energije in druge fizikalne lastnosti. Ta zamisel je postala osnova inflacijske teorije ogromne eksplozije.

Lažen vakuum

Pomeni je stanje polja v kvantni teoriji, ki ni stanje z minimalno energijo. Stabilen je za določeno časovno obdobje. Obstaja verjetnost, da se "napolniti" napačno stanje v pravi vakuum, ko dosežete potrebne vrednosti osnovnih fizičnih veličin.

Outer space

Glede na to, kaj pomeni razredčeni plin, je treba upoštevati pojem kozmičnega vakuuma. Lahko se obravnava v bližini fizičnega vakuuma, vendar obstaja v medzvezdnem prostoru. Na planetih, njihovih naravnih sateliti, številnih zvezd, obstajajo določene privlačne sile, ki imajo določeno razdaljo ozračja. Ker se razdalja od površine zvezdnega objekta spremeni, se spremeni gostota raztopljenega plina.

Na primer, obstaja Karmanova črta, ki velja za splošno definicijo s kozmičnim prostorom meje planeta. Za njim se izotropni tlak plina strmo zmanjša v primerjavi s sončnim obsevanjem in dinamičnim pritiskom sončnega vetra, zato je težko razlagati tlak raztopljenega plina.

V vesolju je veliko fotonov, relikvijskih nevtrinov, ki jih je težko zaznati.

Merilne funkcije

Stopnjo vakuuma se običajno določi s količino snovi, ki ostane v sistemu. Glavna značilnost merjenja tega stanja je absolutni tlak, poleg tega se upoštevajo tudi kemična sestava plina in njegova temperatura.

Pomemben parameter za vakuum je srednja vrednost povprečne proste poti plinov, ki ostanejo v sistemu. V določenih obsegih je razdelitev vakuuma v skladu s tehnologijo, ki je potrebna za meritve: napačna, tehnična, fizična.

Vakuumsko oblikovanje

To je proizvodnja izdelkov iz sodobnih termoplastičnih materialov v vroči obliki z delovanjem nizkega zračnega tlaka ali delovanja vakuuma.

Vakuumsko oblikovanje se šteje za risalno metodo, kar ima za posledico segrevanje plastične folije, ki se nahaja nad matrico, na določeno temperaturno vrednost. Potem list ponovi obliko matrice, kar je razloženo z ustvarjanjem vakuuma med njim in plastiko.

Elektrovacuum naprave

So naprave, ki so namenjene ustvarjanju, razširjanju in pretvorbi elektromagnetne energije. V takšni napravi je zrak odstranjen iz delovnega prostora in neprepustna lupina se uporablja za zaščito pred okoljem. Primeri takšnih naprav so elektronski vakuumski aparati, kjer so elektroni primerni v vakuumu. Žarnice z žarilno nitko se lahko štejejo tudi za elektrovacuum naprave.

Plini pri nizkih tlakih

Plin se imenuje redko, če je njena gostota nepomembna in je povprečna prosta pot molekul primerljiva z velikostjo posode, v kateri je plin. V takem stanju je zmanjšanje števila elektronov sorazmerno z gostoto plinov.

V primeru zelo redčenega plina praktično ni notranjega trenja. Namesto tega obstaja zunanji trenje gibajočega plina proti steni, kar je razloženo s spremembo impulza molekul s trkom s posodo. V takšni situaciji obstaja neposredna proporcionalnost med hitrostjo delcev in gostoto plina.

V primeru nizkega vakuuma opazimo pogoste trke med delci plina v celoti, ki jih spremlja stabilna izmenjava toplotne energije. To pojasnjuje fenomen transporta (difuzija, toplotna prevodnost), se aktivno uporablja v sodobni tehnologiji.

Proizvodnja razžvepljenih plinov

Znanstveno učenje in razvoj vakuumskih naprav se je začel sredi sedemnajstega stoletja. Leta 1643 Italijane Torricelli lahko določitev vrednosti atmosferskega tlaka, in po izumu O. Gericke mehanski bat črpalke s posebnim vodno tesnjenje, obstaja realna možnost izvajanja številnih študij izpraznjenega karakteristik plina. Istočasno so raziskovali možnosti učinka vakuuma na živa bitja. Poskusi, izvedeni v vakuumu z električnim izpustom, so olajšali odkrivanje negativnega elektronskega rentgenskega sevanja.

Zaradi toplotnoizolacijske sposobnosti vakuuma je bilo mogoče razložiti načine prenosa toplote, uporabiti teoretične podatke za razvoj sodobne kriogenske opreme.

Uporaba vakuuma

Leta 1873 je bila izdelana prva elektrovakumska naprava. Postali so žarnico, ki jo je ustvaril ruski fizik Lodygin. Od takrat se je razširila praktična uporaba vakuumske tehnologije, pojavili so se novi načini pridobivanja in preučevanja tega stanja.

Za majhen časovni interval so bile ustvarjene različne vrste vakuumskih črpalk:

• rotacijski;
• kriosorpcija;
• molekularno;
• difuzijski.

V začetku dvajsetega stoletja je akademik Lebedev uspel izboljšati znanstvene temelje vakuumske industrije. Do sredine prejšnjega stoletja znanstveniki niso dovolili, da bi dobili tlak manj kot 10-6 Pa.

Trenutno vakuumski sistemi ustvariti celotno kovino, da se prepreči puščanje. Vakumske kriogenske črpalke se uporabljajo ne samo v raziskovalnih laboratorijih, ampak tudi v različnih panogah.

Na primer, po razvoju posebnih črpalnih naprav, ki ne onesnažujejo uporabljenega objekta, so se pojavile nove možnosti za uporabo vakuumske tehnologije. V kemiji se takšni sistemi aktivno uporabljajo za kvalitativno in kvantitativno analizo lastnosti čiste snovi, ločevanje mešanice v komponentah, analiza stopnje pretoka različnih procesov.