Vakuum ist ein Raum, in dem es keine Materie gibt. In der angewandten Physik und Technik bedeutet es ein Medium, in dem ein Gas mit einem Druck enth alten ist, der kleiner als der atmosphärische Druck ist. Was waren verdünnte Gase, als sie zum ersten Mal entdeckt wurden?
Verlaufsseiten
Die Idee der Leere ist seit Jahrhunderten ein Streitpunkt. Verdünnte Gase versuchten die antiken griechischen und römischen Philosophen zu analysieren. Demokrit, Lucretius, ihre Schüler glaubten: Wenn es keinen freien Raum zwischen den Atomen gäbe, wäre ihre Bewegung unmöglich.
Aristoteles und seine Anhänger widerlegten dieses Konzept, ihrer Meinung nach sollte es in der Natur keine "Leere" geben. Im Mittel alter wurde in Europa die Idee der "Angst vor der Leere" zu einer Priorität, sie wurde für religiöse Zwecke verwendet.
Die Mechanik des antiken Griechenlands basierte bei der Herstellung technischer Geräte auf der Luftverdünnung. Zum Beispiel tauchten zur Zeit von Aristoteles Wasserpumpen auf, die funktionierten, wenn über dem Kolben ein Vakuum erzeugt wurde.
Der verdünnte Zustand von Gas, Luft, ist zur Grundlage für die Herstellung von Kolbenvakuumpumpen geworden, die derzeit in der Technologie weit verbreitet sind.
Ihr Prototyp war die berühmte Kolbenspritze von Heron of Alexandria, die von ihm geschaffen wurdeEiter herausziehen.
Mitte des 17. Jahrhunderts wurde die erste Vakuumkammer entwickelt und sechs Jahre später gelang dem deutschen Wissenschaftler Otto von Guerick die Erfindung der ersten Vakuumpumpe.
Dieser Kolbenzylinder pumpte leicht Luft aus einem verschlossenen Behälter und erzeugte dort ein Vakuum. Dies ermöglichte es, die Hauptmerkmale des neuen Zustands zu untersuchen und seine Betriebseigenschaften zu analysieren.
Tech Vakuum
In der Praxis wird der verdünnte Zustand des Gases Luft als technisches Vakuum bezeichnet. In großen Volumina ist es unmöglich, einen solchen idealen Zustand zu erreichen, da die Materialien bei einer bestimmten Temperatur eine Sättigungsdampfdichte ungleich Null haben.
Der Grund für die Unmöglichkeit, ein ideales Vakuum zu erreichen, ist auch der Durchgang gasförmiger Substanzen durch Glas, Metallwände von Gefäßen.
In kleinen Mengen ist es durchaus möglich, verdünnte Gase zu gewinnen. Als Maß für die Verdünnung wird die freie Weglänge zufällig zusammenstoßender Gasmoleküle sowie die lineare Größe des verwendeten Gefäßes verwendet.
Technisches Vakuum kann als Gas in einer Rohrleitung oder einem Behälter mit einem Druckwert kleiner als in der Atmosphäre betrachtet werden. Ein niedriges Vakuum entsteht, wenn die Atome oder Moleküle eines Gases aufhören, miteinander zu kollidieren.
Zwischen Hochvakuumpumpe und atmosphärischer Luft wird ein Vorvakuum gesch altet, wodurch ein Vorvakuum entsteht. Bei einer anschließenden Abnahme des Druckraums wird eine Zunahme der Weglänge gasförmiger Teilchen beobachtet. Substanzen.
Bei einem Druck von 10 -9 Pa entsteht ein Ultrahochvakuum. Es sind diese verdünnten Gase, die verwendet werden, um Experimente mit einem Rastertunnelmikroskop durchzuführen.
Es ist möglich, einen solchen Zustand in den Poren einiger Kristalle sogar bei atmosphärischem Druck zu erreichen, da der Durchmesser der Poren viel kleiner ist als die freie Weglänge eines freien Teilchens.
Vakuumgeräte
Der verdünnte Zustand des Gases wird aktiv in Geräten verwendet, die als Vakuumpumpen bezeichnet werden. Getter werden verwendet, um Gase anzusaugen und ein gewisses Vakuum zu erreichen. Die Vakuumtechnologie umfasst auch zahlreiche Geräte, die zur Steuerung und Messung dieses Zustands sowie zur Steuerung von Objekten zur Durchführung verschiedener technologischer Prozesse erforderlich sind. Die komplexesten technischen Geräte, die verdünnte Gase verwenden, sind Hochvakuumpumpen. Beispielsweise arbeiten Diffusionsvorrichtungen auf der Grundlage der Bewegung von Restgasmolekülen unter Einwirkung eines Arbeitsgasstroms. Selbst bei einem idealen Vakuum gibt es beim Erreichen der Endtemperatur wenig Wärmestrahlung. Dies erklärt die wesentlichen Eigenschaften verdünnter Gase, zum Beispiel das Einsetzen des thermischen Gleichgewichts nach einer bestimmten Zeitspanne zwischen dem Körper und den Wänden der Vakuumkammer.
Verdünntes einatomiges Gas ist ein ausgezeichneter Wärmeisolator. Darin erfolgt die Übertragung von Wärmeenergie nur mit Hilfe von Strahlung, Wärmeleitfähigkeit und Konvektion nichtwerden beobachtet. Diese Eigenschaft wird bei Dewargefäßen (Thermosen) genutzt, die aus zwei Behältern bestehen, zwischen denen ein Vakuum herrscht.
Vakuum hat breite Anwendung in Radioröhren gefunden, zum Beispiel Magnetrons von Bildröhren, Mikrowellenöfen.
Physisches Vakuum
In der Quantenphysik bedeutet ein solcher Zustand den (niedrigsten) Grundenergiezustand des Quantenfeldes, der durch Nullwerte der Quantenzahlen gekennzeichnet ist.
In diesem Zustand ist ein einatomiges Gas nicht vollständig leer. Gemäß der Quantentheorie erscheinen und verschwinden virtuelle Teilchen systematisch im physikalischen Vakuum, was zu Nulloszillationen der Felder führt.
Theoretisch können mehrere verschiedene Vakuums gleichzeitig existieren, die sich in der Energiedichte sowie anderen physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Diese Idee wurde zur Grundlage der inflationären Urknalltheorie.
Falsches Vakuum
Es bedeutet den Zustand des Feldes in der Quantentheorie, der kein Zustand mit minimaler Energie ist. Es ist über einen gewissen Zeitraum stabil. Es besteht die Möglichkeit, einen falschen Zustand in ein echtes Vakuum zu „tunneln“, wenn die erforderlichen Werte der wichtigsten physikalischen Größen erreicht sind.
Weltraum
Bei der Diskussion, was ein verdünntes Gas bedeutet, ist es notwendig, auf das Konzept des "kosmischen Vakuums" einzugehen. Es kann als nahe am physikalischen Vakuum betrachtet werden, existiert aber im InterstellarenPlatz. Die Planeten, ihre natürlichen Trabanten, viele Sterne haben gewisse Anziehungskräfte, die die Atmosphäre auf Distanz h alten. Wenn Sie sich von der Oberfläche eines Sternobjekts entfernen, ändert sich die Dichte des verdünnten Gases.
Zum Beispiel gibt es die Karman-Linie, die als gemeinsame Definition mit dem Weltraum der Grenze des Planeten gilt. Dahinter nimmt der Wert des isotropen Gasdrucks im Vergleich zur Sonneneinstrahlung und zum dynamischen Druck des Sonnenwinds stark ab, sodass der Druck eines verdünnten Gases schwer zu interpretieren ist.
Der Weltraum ist voller Photonen, Relikt-Neutrinos, die schwer zu entdecken sind.
Messfunktionen
Der Grad des Vakuums wird normalerweise durch die Menge an Substanz bestimmt, die im System verbleibt. Das Hauptmerkmal der Messung dieses Zustands ist der Absolutdruck, zusätzlich werden die chemische Zusammensetzung des Gases und seine Temperatur berücksichtigt.
Ein wichtiger Parameter für das Vakuum ist der Mittelwert der Weglänge der im System verbleibenden Gase. Es gibt eine Einteilung des Vakuums in bestimmte Bereiche entsprechend der für Messungen notwendigen Technologie: falsch, technisch, physikalisch.
Vakuumformen
Dabei handelt es sich um die Herstellung von Produkten aus modernen thermoplastischen Werkstoffen in heißer Form mit geringem Luftdruck oder Vakuumeinwirkung.
Vakuumformen gilt als Ziehverfahren, bei dem Kunststoffplatten erhitzt werden,sich oberhalb der Matrix befindet, bis zu einem bestimmten Temperaturwert. Als nächstes wiederholt die Platte die Form der Matrix, was auf die Erzeugung eines Vakuums zwischen ihr und dem Kunststoff zurückzuführen ist.
Elektrovakuumgeräte
Das sind Geräte, die entwickelt wurden, um elektromagnetische Energie zu erzeugen, zu verstärken und umzuwandeln. Bei einer solchen Vorrichtung wird Luft aus dem Arbeitsraum entfernt und eine undurchlässige Hülle zum Schutz vor der Umgebung verwendet. Beispiele für solche Geräte sind elektronische Vakuumgeräte, bei denen die Elektronen in ein Vakuum passen. Auch Glühlampen können als Vakuumgeräte betrachtet werden.
Gase bei niedrigen Drücken
Ein Gas wird als verdünnt bezeichnet, wenn seine Dichte vernachlässigbar ist und die Länge der Molekülstrecke vergleichbar mit der Größe des Gefäßes ist, in dem sich das Gas befindet. In einem solchen Zustand wird eine Abnahme der Elektronenzahl proportional zur Dichte des Gases beobachtet.
Bei stark verdünntem Gas gibt es praktisch keine innere Reibung. Stattdessen tritt eine äußere Reibung des sich bewegenden Gases an den Wänden auf, was durch die Änderung des Impulses der Moleküle erklärt wird, wenn sie mit dem Gefäß kollidieren. In einer solchen Situation besteht eine direkte Proportionalität zwischen der Geschwindigkeit der Teilchen und der Dichte des Gases.
Im Grobvakuum werden häufige Kollisionen zwischen Gasteilchen im vollen Volumen beobachtet, die mit einem stabilen Austausch thermischer Energie einhergehen. Dies erklärt das Übertragungsphänomen (Diffusion, Wärmeleitfähigkeit), das in der modernen Technologie aktiv genutzt wird.
Gewinnung verdünnter Gase
Die wissenschaftliche Erforschung und Entwicklung von Vakuumgeräten begann Mitte des 17. Jahrhunderts. 1643 gelang es dem Italiener Torricelli, den Wert des atmosphärischen Drucks zu bestimmen, und nach der Erfindung einer mechanischen Kolbenpumpe mit einer speziellen Wasserdichtung durch O. Guericke ergab sich eine echte Gelegenheit, zahlreiche Studien über die Eigenschaften eines verdünnten Gases durchzuführen. Gleichzeitig wurden die Möglichkeiten der Wirkung von Vakuum auf Lebewesen untersucht. Vakuumexperimente mit elektrischer Entladung trugen zur Entdeckung eines negativen Elektrons, der Röntgenstrahlung, bei.
Dank der wärmeisolierenden Fähigkeit des Vakuums wurde es möglich, die Methoden der Wärmeübertragung zu erklären und theoretische Informationen für die Entwicklung moderner Kryotechnik zu nutzen.
Vakuum verwenden
1873 wurde das erste Elektrovakuumgerät erfunden. Sie wurden zu einer Glühlampe, die vom russischen Physiker Lodygin geschaffen wurde. Seit dieser Zeit hat sich der praktische Einsatz der Vakuumtechnologie ausgeweitet, neue Methoden zur Erlangung und Untersuchung dieses Zustands sind aufgetaucht.
Verschiedene Arten von Vakuumpumpen wurden in kurzer Zeit entwickelt:
- Rotation;
- Kryosorption;
- molekular;
- Diffusion.
Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts gelang es dem Akademiker Lebedev, die wissenschaftlichen Grundlagen der Vakuumindustrie zu verbessern. Bis zur Mitte des letzten Jahrhunderts erlaubten die Wissenschaftler nicht die Möglichkeit, einen Druck von weniger als 10-6 Pa zu erreichen.
BGegenwärtig werden Vakuumsysteme ganz aus Metall gebaut, um Undichtigkeiten zu vermeiden. Vakuumkryogenpumpen werden nicht nur in Forschungslabors, sondern auch in verschiedenen Industrien eingesetzt.
Zum Beispiel haben sich nach der Entwicklung spezieller Evakuierungsmittel, die das verwendete Objekt nicht verschmutzen, neue Perspektiven für den Einsatz der Vakuumtechnologie ergeben. In der Chemie werden solche Systeme aktiv zur qualitativen und quantitativen Analyse der Eigenschaften reiner Substanzen, zur Trennung eines Gemisches in Komponenten und zur Analyse der Geschwindigkeit verschiedener Prozesse eingesetzt.
