Nach der Definition in der Physik impliziert der Begriff "Vakuum" die Abwesenheit jeglicher Substanz und Materieelemente in einem bestimmten Raum, in diesem Fall spricht man von einem absoluten Vakuum. Ein Teilvakuum wird beobachtet, wenn die Dichte der Substanz an einem bestimmten Ort im Weltraum gering ist. Sehen wir uns dieses Problem im Artikel genauer an.
Vakuum und Druck
Bei der Definition des Begriffs "absolutes Vakuum" sprechen wir von der Dichte der Materie. Aus der Physik ist bekannt, dass bei gasförmigen Stoffen die Dichte des Stoffes direkt proportional zum Druck ist. Wenn man wiederum von einem Teilvakuum spricht, impliziert man, dass die Dichte von Materieteilchen in einem bestimmten Raum geringer ist als die von Luft bei normalem atmosphärischem Druck. Deshalb ist die Frage des Vakuums eine Frage des Drucks im betreffenden System.
In der Physik ist der absolute Druck eine Größe, die dem Verhältnis der Kraft entspricht(gemessen in Newton (N)), die senkrecht auf eine Oberfläche aufgebracht wird, auf die Fläche dieser Oberfläche (gemessen in Quadratmetern), dh P=F / S, wobei P Druck ist, F Kraft ist, S ist die Oberfläche. Die Druckeinheit ist Pascal (Pa), also 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Teilvakuum
Experimentell wurde festgestellt, dass bei einer Temperatur von 20 °C auf der Erdoberfläche auf Meereshöhe der atmosphärische Druck 101.325 Pa beträgt. Dieser Druck wird als 1. Atmosphäre (atm.) bezeichnet. Ungefähr können wir sagen, dass der Druck 1 atm beträgt. entspricht 0,1 MPa. Bei der Beantwortung der Frage, wie viele Atmosphären in 1 Pascal sind, bilden wir den entsprechenden Anteil und erh alten 1 Pa=10-5 atm. Ein Teilvakuum entspricht jedem Druck im betrachteten Raum, der kleiner als 1 atm ist.
Wenn wir die angegebenen Zahlen aus der Sprache des Drucks in die Sprache der Teilchenzahl übersetzen, dann müsste man sagen, dass bei 1 atm. 1 m3 Luft enthält ungefähr 1025 Moleküle. Jede Abnahme der genannten Molekülkonzentration führt zur Bildung eines Teilvakuums.
Vakuummessung
Das gebräuchlichste Gerät zur Messung eines kleinen Vakuums ist ein herkömmliches Barometer, das nur verwendet werden kann, wenn der Gasdruck einige zehn Prozent des Atmosphärendrucks beträgt.
Zur Messung höherer Vakuumwerte wird eine elektrische Sch altung mit Wheatstone-Brücke verwendet. Die Idee der Verwendung ist das Messender Widerstand des Sensorelements, der von der umgebenden Konzentration von Molekülen im Gas abhängt. Je größer diese Konzentration ist, desto mehr Moleküle treffen auf das Sensorelement und desto mehr Wärme wird auf sie übertragen, was zu einer Abnahme der Temperatur des Elements führt, was sich auf seinen elektrischen Widerstand auswirkt. Dieses Gerät kann Vakuum mit Drücken von 0,001 atm messen.
Historischer Hintergrund
Es ist interessant festzustellen, dass das Konzept des "absoluten Vakuums" von berühmten antiken griechischen Philosophen wie Aristoteles vollständig abgelehnt wurde. Außerdem war die Existenz des atmosphärischen Drucks bis Anfang des 17. Jahrhunderts nicht bekannt. Erst mit dem Aufkommen des New Age begannen Experimente mit mit Wasser und Quecksilber gefüllten Röhren, die zeigten, dass die Erdatmosphäre Druck auf alle umgebenden Körper ausübt. Insbesondere Blaise Pascal war 1648 in der Lage, den Druck mit einem Quecksilberbarometer in einer Höhe von 1000 Metern über dem Meeresspiegel zu messen. Der gemessene Wert fiel viel niedriger aus als auf Meereshöhe, womit der Wissenschaftler die Existenz von atmosphärischem Druck bewies.
Das erste Experiment, das die Kraft des atmosphärischen Drucks deutlich demonstrierte und auch das Konzept des Vakuums betonte, wurde 1654 in Deutschland durchgeführt, jetzt bekannt als Magdeburger Kugelexperiment. 1654 gelang es dem deutschen Physiker Otto von Guericke, zwei Metallhalbkugeln mit einem Durchmesser von nur 30 cm fest miteinander zu verbinden und dann Luft aus der entstandenen Struktur zu pumpen und so zu erschaffenTeilvakuum. Die Geschichte erzählt, dass zwei Gespanne mit jeweils 8 Pferden, die in entgegengesetzte Richtungen zogen, diese Sphären nicht trennen konnten.
Absolutes Vakuum: Gibt es das?
Mit anderen Worten, gibt es einen Ort im Raum, der keine Materie enthält? Moderne Technologien ermöglichen es, ein Vakuum von 10-10 Pa und noch weniger zu erzeugen, aber dieser absolute Druck bedeutet nicht, dass keine Materiepartikel mehr im betrachteten System vorhanden sind.
Wenden wir uns nun dem leersten Raum im Universum zu - dem offenen Raum. Wie hoch ist der Druck im Vakuum des Weltraums? Der Druck im Weltraum um die Erde beträgt 10-8 Pa, bei diesem Druck befinden sich etwa 2 Millionen Moleküle in einem Volumen von 1 cm3. Wenn wir über den intergalaktischen Raum sprechen, dann gibt es laut Wissenschaftlern sogar darin mindestens 1 Atom in einem Volumen von 1 cm3. Außerdem ist unser Universum von elektromagnetischer Strahlung durchdrungen, deren Träger Photonen sind. Elektromagnetische Strahlung ist Energie, die nach der berühmten Einstein-Formel (E=mc2) in die entsprechende Masse umgerechnet werden kann, d.h. Energie ist neben Materie ein Aggregatzustand. Daraus lässt sich schließen, dass es im uns bekannten Universum kein absolutes Vakuum gibt.
