Vidul este un spațiu în care nu există nicio materie. În fizica și tehnologie aplicată, înseamnă un mediu în care un gaz este conținut la o presiune mai mică decât presiunea atmosferică. Care erau gazele rarefiate când au fost descoperite pentru prima dată?
Pagini de istorie
Ideea de gol a fost un punct de disputa de secole. Gazele rarefiate au încercat să analizeze vechii filosofi greci și romani. Democrit, Lucretius, studenții lor credeau: dacă nu ar exista spațiu liber între atomi, mișcarea lor ar fi imposibilă.
Aristotel și adepții săi au infirmat acest concept, în opinia lor, nu ar trebui să existe „gold” în natură. În Evul Mediu în Europa, ideea de „frica de vid” a devenit o prioritate, a fost folosită în scopuri religioase.
Mecanica Greciei Antice, la crearea dispozitivelor tehnice, se baza pe rarefacția aerului. De exemplu, pompele de apă care funcționau atunci când era creat un vid deasupra pistonului au apărut pe vremea lui Aristotel.
Starea rarefiată a gazului, aerul, a devenit baza pentru fabricarea pompelor de vid cu piston, care în prezent sunt utilizate pe scară largă în tehnologie.
Prototipul lor a fost celebra seringă cu piston a lui Heron din Alexandria, creată de ela scoate puroiul.
La mijlocul secolului al XVII-lea, a fost dezvoltată prima cameră de vid, iar șase ani mai târziu, omul de știință german Otto von Guerick a reușit să inventeze prima pompă de vid.
Acest cilindru cu piston pompa cu ușurință aerul dintr-un recipient sigilat, creând un vid acolo. Acest lucru a făcut posibilă studierea principalelor caracteristici ale noului stat, analiza proprietăților sale operaționale.
Aspirator tehnic
În practică, starea rarefiată a gazului, aerul se numește vid tehnic. În volume mari, este imposibil să se obțină o astfel de stare ideală, deoarece la o anumită temperatură materialele au o densitate de vapori saturați diferită de zero.
Motivul imposibilității obținerii unui vid ideal este și transmiterea substanțelor gazoase prin sticlă, pereții metalici ai vaselor.
În cantități mici este destul de posibil să se obțină gaze rarefiate. Ca măsură a rarefării, se utilizează calea liberă a moleculelor de gaz care se ciocnesc aleatoriu, precum și dimensiunea liniară a vasului utilizat.
Vidul tehnic poate fi considerat un gaz într-o conductă sau vas cu o valoare a presiunii mai mică decât în atmosferă. Un vid scăzut apare atunci când atomii sau moleculele unui gaz încetează să se ciocnească între ele.
Un vid anterior este plasat între pompa de vid în alt și aerul atmosferic, care creează un vid preliminar. În cazul unei scăderi ulterioare a camerei de presiune, se observă o creștere a lungimii drumului particulelor gazoase.substanțe.
Când presiunea este de la 10 -9 Pa, se creează un vid ultra-în alt. Aceste gaze rarefiate sunt folosite pentru a efectua experimente folosind un microscop cu scanare tunel.
Este posibil să se obțină o astfel de stare în porii unor cristale chiar și la presiunea atmosferică, deoarece diametrul porilor este mult mai mic decât drumul liber al unei particule libere.
Aparate pe bază de vid
Starea rarefiată a gazului este utilizată în mod activ în dispozitivele numite pompe de vid. Getterele sunt folosite pentru a aspira gaze și pentru a obține un anumit grad de vid. Tehnologia vacuumului include și numeroase dispozitive care sunt necesare pentru controlul și măsurarea acestei stări, precum și pentru controlul obiectelor, pentru realizarea diferitelor procese tehnologice. Cele mai complexe dispozitive tehnice care folosesc gaze rarefiate sunt pompele de vid în alt. De exemplu, dispozitivele de difuzie funcționează pe baza mișcării moleculelor de gaz rezidual sub acțiunea unui flux de gaz de lucru. Chiar și în cazul unui vid ideal, există puțină radiație termică atunci când se atinge temperatura finală. Astfel se explică principalele proprietăți ale gazelor rarefiate, de exemplu, apariția echilibrului termic după un anumit interval de timp între corp și pereții camerei cu vid.
Gazul monoatomic rarefiat este un excelent izolator termic. În ea, transferul de energie termică se realizează numai cu ajutorul radiației, conductivitatea termică și convecția nu suntsunt observate. Această proprietate este utilizată în vasele Dewar (termose), formate din două recipiente, între care există un vid.
Vacuum-ul a găsit o aplicație largă în tuburile radio, de exemplu, magnetronii de kinescoape, cuptoarele cu microunde.
Vidul fizic
În fizica cuantică, o astfel de stare înseamnă starea de energie fundamentală (cea mai joasă) a câmpului cuantic, care este caracterizată de valori zero ale numerelor cuantice.
În această stare, un gaz monoatomic nu este complet gol. Conform teoriei cuantice, particulele virtuale apar și dispar sistematic în vidul fizic, ceea ce provoacă oscilații zero ale câmpurilor.
Teoretic, pot exista simultan mai multe vacuumuri diferite, care diferă ca densitate de energie, precum și alte caracteristici fizice. Această idee a devenit baza teoriei inflaționiste a big bang-ului.
Vid fals
Înseamnă starea câmpului în teoria cuantică, care nu este o stare cu o energie minimă. Este stabil pe o anumită perioadă de timp. Există posibilitatea „tunelării” unei stări false într-un vid adevărat atunci când sunt atinse valorile necesare ale principalelor mărimi fizice.
Spațiul exterior
Când discutăm despre ce înseamnă un gaz rarefiat, este necesar să ne oprim asupra conceptului de „vid cosmic”. Poate fi considerat aproape de vidul fizic, dar existent în interstelarspaţiu. Planetele, sateliții lor naturali, multe stele au anumite forțe atractive care țin atmosfera la o anumită distanță. Pe măsură ce vă îndepărtați de suprafața unui obiect stelar, densitatea gazului rarefiat se modifică.
De exemplu, există linia Karman, care este considerată o definiție comună cu spațiul cosmic al graniței planetei. În spatele acestuia, valoarea presiunii izotrope a gazului scade brusc în comparație cu radiația solară și presiunea dinamică a vântului solar, deci este dificil de interpretat presiunea unui gaz rarefiat.
Spațiul exterior este plin de fotoni, neutrini relicve care sunt greu de detectat.
Funcții de măsurare
Gradul de vid este de obicei determinat de cantitatea de substanță care rămâne în sistem. Principala caracteristică a măsurării acestei stări este presiunea absolută, în plus, se ia în considerare compoziția chimică a gazului și temperatura acestuia.
Un parametru important pentru vid este valoarea medie a lungimii traseului gazelor rămase în sistem. Există o împărțire a vidului în anumite intervale în conformitate cu tehnologia care este necesară pentru măsurători: fals, tehnic, fizic.
Formare în vid
Aceasta este fabricarea de produse din materiale termoplastice moderne, sub formă fierbinte, folosind presiune scăzută a aerului sau acțiune de vid.
Formarea în vid este considerată o metodă de desen, ca urmare a cărei folie de plastic este încălzită,situat deasupra matricei, până la o anumită valoare a temperaturii. Apoi, foaia repetă forma matricei, acest lucru se datorează creării unui vid între aceasta și plastic.
Dispozitive cu electrovacuum
Sunt dispozitive concepute pentru a crea, amplifica și converti energia electromagnetică. Într-un astfel de dispozitiv, aerul este îndepărtat din spațiul de lucru și este folosită o carcasă impermeabilă pentru a proteja împotriva mediului. Exemple de astfel de dispozitive sunt dispozitivele electronice de vid, unde electronii se potrivesc într-un vid. Lămpile cu incandescență pot fi considerate și dispozitive de vid.
Gaze la presiuni joase
Un gaz se numește rarefiat dacă densitatea lui este neglijabilă, iar lungimea căii moleculare este comparabilă cu dimensiunea vasului în care se află gazul. Într-o astfel de stare se observă o scădere a numărului de electroni proporțional cu densitatea gazului.
În cazul unui gaz foarte rarefiat, practic nu există frecare internă. În schimb, apare frecarea externă a gazului în mișcare împotriva pereților, care se explică prin modificarea impulsului moleculelor atunci când acestea se ciocnesc cu vasul. Într-o astfel de situație, există o proporționalitate directă între viteza particulelor și densitatea gazului.
În cazul vidului scăzut, se observă ciocniri frecvente între particulele de gaz în volum maxim, care sunt însoțite de un schimb stabil de energie termică. Astfel se explică fenomenul de transfer (difuzie, conductivitate termică), care este utilizat activ în tehnologia modernă.
Obținerea gazelor rarefiate
Studiul științific și dezvoltarea dispozitivelor cu vid a început la mijlocul secolului al XVII-lea. În 1643, italianul Torricelli a reușit să determine valoarea presiunii atmosferice, iar după inventarea unei pompe mecanice cu piston cu etanșare specială de apă de către O. Guericke, a apărut o oportunitate reală pentru realizarea a numeroase studii asupra caracteristicilor unui gaz rarefiat. Totodată, au fost studiate și posibilitățile impactului vidului asupra ființelor vii. Experimentele efectuate în vid cu o descărcare electrică au contribuit la descoperirea unui electron negativ, radiația cu raze X.
Datorită capacității de termoizolare a vidului, a devenit posibilă explicarea metodelor de transfer de căldură, utilizarea informațiilor teoretice pentru dezvoltarea tehnologiei criogenice moderne.
Folosirea unui aspirator
În 1873 a fost inventat primul dispozitiv de electrovacuum. Au devenit o lampă cu incandescență, creată de fizicianul rus Lodygin. De atunci, utilizarea practică a tehnologiei vidului s-a extins, au apărut noi metode de obținere și studiere a acestei stări.
Diferitele tipuri de pompe de vid au fost create într-o perioadă scurtă de timp:
- rotațional;
- criosorbție;
- molecular;
- difuzie.
La începutul secolului al XX-lea, academicianul Lebedev a reușit să îmbunătățească bazele științifice ale industriei vidului. Până la jumătatea secolului trecut, oamenii de știință nu au permis posibilitatea de a obține o presiune mai mică de 10-6 Pa.
BÎn prezent, sistemele de vid sunt construite integral din metal pentru a evita scurgerile. Pompele criogenice de vid sunt folosite nu numai în laboratoarele de cercetare, ci și în diverse industrii.
De exemplu, după dezvoltarea mijloacelor speciale de evacuare care nu poluează obiectul folosit, au apărut noi perspective de utilizare a tehnologiei vidului. În chimie, astfel de sisteme sunt utilizate în mod activ pentru analiza calitativă și cantitativă a proprietăților substanțelor pure, separarea unui amestec în componente și analiza vitezei diferitelor procese.
