Razrijeđeni plinovi: koncept i svojstva. vakuum

Vakuum je prostor u kojem nema tvari. U Primijenjena fizika

Stranice povijesti

Ideja praznine već stoljećima bila je predmetom kontroverzi. Razni plinovi pokušali su analizirati drevne grčke i rimske filozofe. Demokrit, Lucretius, njihovi su učenici vjerovali: ako nema slobodnog prostora između atoma, njihov bi pokret bio nemoguć.

Aristotel i njegovi sljedbenici opovrgavali su taj koncept, po njihovom mišljenju, ne bi trebalo biti "praznine" u prirodi. U srednjem vijeku u Europi, ideja "straha od praznine" postala je prioritet, korištena je u vjerske svrhe.

Mehanika antičke Grčke u stvaranju tehničkih uređaja temelji se na rijetkom zraku. Na primjer, crpke za vodu, koje su funkcionirale pri stvaranju vakuuma na klipu, pojavile su se u vrijeme Aristotela.

Rijetko stanje plina i zraka postalo je osnovom za proizvodnju izmjenjivih vakuumskih pumpi, koje su danas naširoko koristi u tehnici.

Njihov prototip bio je poznata štrcaljka klipa Herona iz Aleksandrije, koju je stvorio za crtanje gnoja.

Sredinom sedamnaestog stoljeća razvila se prva vakuumska komora, a šest godina kasnije njemački znanstvenik Otto von Guerick uspio je izmisliti prvu vakuumsku pumpu.

Ovaj klipni cilindar je lako evakuirao zrak iz zapečaćenog spremnika, stvarajući vakuum tamo. To nam je omogućilo proučavanje glavnih obilježja nove države, da bismo analizirali njezina operativna svojstva.

Tehnički vakuum

U praksi, rijetko stanje plina i zraka naziva se tehnički vakuum. U velikim količinama nemoguće je dobiti takvo idealno stanje, jer pri određenoj temperaturi materijali imaju zasićenu gustoću pare.

Razlog za nemogućnost dobivanja idealnog vakuuma je također prijenos plinovitih tvari od stakla, metalnih zidova posuda.

U malim količinama moguće je nabaviti rijetke plinove. Kao mjera pražnjenja, koristi se duljina neometanog raspona molekula plina koja nasumično sudaraju, kao i linearna veličina korištene posude.

Tehnički vakuum može se smatrati plinom u plinovodu ili posudi s manjom tlakom nego u atmosferi. Nizak se vakuum javlja kada se atomi ili molekule plina prestanu sudarati jedni s drugima.

Između pumpe s visokim vakuumom i atmosferskog zraka postavlja se spremnik za izbacivanje, koji stvara preliminarni vakuum. U slučaju naknadnog smanjenja tlačne komore, opaženo je povećanje srednjeg slobodnog puta čestica plinovite tvari.

Pod pritiskom od 10 ^-9 Pa stvara ultrazvučni vakuum. To su rijetki plinovi koji se upotrebljavaju za provođenje eksperimenata pomoću skeniranog tunelskog mikroskopa.

Moguće je dobiti takvo stanje u porama nekih kristala čak i pri atmosferskom tlaku, budući da je promjer pora puno manji od srednjeg slobodnog puta slobodne čestice.

Uređaji na bazi vakuuma

Rijetko se stanje plina aktivno koristi u uređajima pod nazivom vakuumske pumpe. Dobavljači se koriste za apsorpciju plinova i dobivanje određenog stupnja vakuuma. Vakuumska tehnologija podrazumijeva i brojne uređaje koji su potrebni za praćenje i mjerenje tog stanja, kao i za kontrolu objekata, obavljanje različitih tehnoloških procesa. Najsloženije tehničke naprave u kojima se rabe razrijeđeni plinovi su visokotlačne pumpe. Na primjer, uređaji za difuziju funkcioniraju na temelju gibanja molekula preostalih plinova pod djelovanjem struje plina. Čak iu slučaju idealnog vakuuma, kada se postigne zadnja temperatura, postoji neznatno termičko zračenje. To objašnjava osnovna svojstva rijetkih plinova, na primjer, pojavu toplinske ravnoteže kroz određeni vremenski interval između tijela i zidova vakuumske komore.

Rijetkog monatomskog plina je izvrstan izolator topline. U njemu se prijenos toplinske energije provodi samo zračenjem, ne dolazi do toplinske provodljivosti i konvekcije. Ova se nekretnina koristi u posude Dewara (termoze), koji se sastoji od dva spremnika, između kojih se nalazi vakuum.

Vakuum je pronašao široku primjenu također u radijskim epruvetama, na primjer, magnetrona kineskopa, mikrovalnih pećnica.

Fizički vakuum

U kvantnoj fizici takvo stanje znači tlo (najniže) energetsko stanje kvantnog polja, koje karakterizira nula vrijednosti kvantni brojevi.

U takvom stanju, monatomski plin nije apsolutno prazan. Prema kvantnoj teoriji, u fizičkom vakuumu, virtualne čestice se pojavljuju i nestaju sustavno, što uzrokuje nulte oscilacije polja.

Teoretski, istodobno, može postojati nekoliko različitih vakuuma, koji se razlikuju u gustoći energije kao i drugim fizičkim karakteristikama. Ova ideja postala je temelj u teoriji inflacije velike eksplozije.

Lažni vakuum

Pod tim se smatra stanje polja u kvantnoj teoriji, koja nije stanje s minimalnom energijom. Stabilno je za određeno vremensko razdoblje. Postoji vjerojatnost "tunela" lažne države u pravi vakuum kada se postignu potrebne vrijednosti osnovnih fizikalnih veličina.

Vanjski prostor

Razmišljajući o tome što znači razrijeđeni plin, potrebno je promišljati pojam "kozmičkog vakuuma". Može se smatrati blizu fizičkog vakuuma, ali postoji u međuzvjezdanom prostoru. Na planetima, svojim prirodnim satelitima, mnogim zvijezdama, postoje određene snage privlačenja koje imaju određenu udaljenost od atmosfere. Kako se udaljenost od površine zvjezdastog objekta mijenja, gustoća rijetkog plina mijenja se.

Na primjer, postoji linija Karmana, koja se smatra općom definicijom s kozmičkim prostorom granice planeta. Iza njega, izotropni tlak plina bitno se smanjuje u usporedbi s sunčevim zračenjem i dinamičkim pritiskom solarnog vjetra, pa je teško tumačiti pritisak rijetkog plina.

U vanjskom prostoru postoje mnogi fotoni, reliktni neutrini, koji su teško detektirati.

Mjerne značajke

Stupanj vakuuma obično se određuje količinom tvari koja ostaje u sustavu. Glavno obilježje mjerenja ovog stanja je apsolutni pritisak, uz to se uzima u obzir i kemijski sastav plina i njegove temperature.

Važan parametar za vakuum je srednja vrijednost srednjeg slobodnog puta plinova koji ostaju u sustavu. Postoji podjela vakuuma u određene raspone u skladu s tehnologijom koja je neophodna za izradu mjerenja: lažna, tehnička, fizička.

Vakuumski kalupljenje

To je proizvodnja proizvoda od suvremenih termoplastičnih materijala u toplom obliku djelovanjem niskog tlaka zraka ili djelovanjem vakuuma.

Vakuumsko kalupljenje smatra se metodom za crtanje, što rezultira zagrijavanjem plastične ploče koja se nalazi iznad matrice na određenu temperaturu. Zatim ploča ponavlja oblik matrice, što je objašnjeno stvaranjem vakuuma između njega i plastike.

Elektrovjetarskih uređaja

To su uređaji koji su dizajnirani za stvaranje, pojačavanje i pretvaranje elektromagnetske energije. U takvom uređaju zrak se uklanja iz radnog prostora i koristi se nepropusna ljuska za zaštitu od okoline. Primjeri takvih uređaja su elektronički vakuumski uređaji, gdje su elektroni prikladni u vakuumu. Žarulje sa žarnom niti također se mogu smatrati uređajima za elektrošak.

Plinovi pri niskim pritiscima

Plin se naziva rijetkim ako je njegova gustoća beznačajna, a prosječni slobodni put molekula je usporediv s veličinom posude u kojoj se nalazi plin. U takvom stanju, smanjenje broja elektrona je proporcionalno gustoći plina.

U slučaju vrlo rijetkog plina, praktički nema unutarnjeg trenja. Umjesto toga, postoji vanjski trenje pokretnog plina na zidu, što je objašnjeno promjenom zamaha molekula sudaranjem s posudom. U takvoj situaciji postoji izravna proporcionalnost između brzine čestica i gustoće plina.

U slučaju niskog vakuuma uočavaju se česti sudari između čestica plina u cjelini, uz praćenje stabilne izmjene toplinske energije. To objašnjava transportni fenomen (difuzija, toplinska vodljivost), aktivno se koristi u suvremenoj tehnologiji.

Proizvodnja rijetkih plinova

Znanstveno istraživanje i razvoj vakuumskih uređaja započelo je sredinom sedamnaestog stoljeća. Talijan Torricelli je 1643. godine mogao odrediti atmosferski tlak, a nakon izuma O. Gericke mehanička klipna pumpa s posebnom brtvom za vodu, postojala je stvarna prilika za provedbu brojnih studija o svojstvima ispuštenog plina. Istodobno su istražene mogućnosti djelovanja vakuuma na živa bića. Eksperimenti provedeni u vakuumu s električnim pražnjenjem olakšali su otkrivanje negativnog elektrona, rentgenskog zračenja.

Zbog toplinske izolacijske sposobnosti vakuuma postalo je moguće objasniti načine prijenosa topline, kako bi se koristile teorijske informacije za razvoj moderne kriogene opreme.

Primjena vakuuma

Godine 1873. izumio je prvi elektro-usisni uređaj. Postali su žarulja sa žarnom niti koju je stvorio ruski fizičar Lodygin. Od tog se vremena proširila praktična upotreba vakuumske tehnologije, pojavile su se nove metode dobivanja i proučavanja tog stanja.

Za mali vremenski interval stvoreni su različiti tipovi vakuum pumpi:

• rotacija;
• cryoadsorption;
• molekularni;
• difuzija.

Početkom dvadesetog stoljeća, akademik Lebedev je uspio poboljšati znanstvene temelje vakuumske industrije. Do sredine prošlog stoljeća, znanstvenici nisu dopuštali mogućnost dobivanja pritiska manjeg od 10-6 Pa.

trenutno, vakuumski sustavi stvoriti sve metal kako bi se izbjeglo curenje. Vakuumske kriogene pumpe se koriste ne samo u istraživačkim laboratorijima nego iu raznim industrijama.

Na primjer, nakon razvoja posebnih crpnih postrojenja koja ne zagrijavaju iskorišteni pogon, pojavile su se nove mogućnosti korištenja vakuumske tehnologije. U kemiji se takvi sustavi aktivno koriste za kvalitativnu i kvantitativnu analizu svojstava čiste tvari, odvajanje smjese u komponente, analiza brzine protoka različitih procesa.