Zředěné plyny: koncept a vlastnosti. Vakuum

Vakuum je prostor, ve kterém není žádná látka. V Aplikovaná fyzika

Stránky historie

Myšlenka prázdnoty po mnoho staletí byla předmětem kontroverze. Ropné plyny se pokoušely analyzovat starověké řecké a římské filozofy. Democritus, Lucretius, jejich učedníci věřili: pokud mezi atomy nebyl volný prostor, jejich pohyb by byl nemožný.

Aristotle a jeho následovníci tento koncept vyvrátili, podle jejich názoru by v přírodě neměla být "prázdnota". Ve středověku v Evropě se myšlenka "strachu z prázdnoty" stala prioritou, byla použita pro náboženské účely.

Mechanika starověkého Řecka při vytváření technických zařízení byla založena na vyčerpání vzduchu. Například vodní čerpadla, které fungovaly při vytváření vakua přes píst, se objevily v době Aristotle.

Vzácný stav plynu a vzduchu se stal základem pro výrobu vratných vývěvních čerpadel, které jsou v současnosti ve strojírenství široce využívány.

Jejich prototypem byla známá pistonová stříkačka Heron Alexandrie, kterou vytvořil pro kreslení hnisu.

V polovině sedmnáctého století vznikla první vakuová komora a o šest let později se německému vědci Otto von Guerickovi podařilo vymyslet první vakuové čerpadlo.

Tento pístový válec snadno vyprázdnil vzduch z uzavřeného kontejneru, čímž vzniklo vakuum. To nám umožnilo studovat hlavní charakteristiky nového státu, analyzovat jeho provozní vlastnosti.

Technické vakuum

V praxi se vzácný stav plynu a vzduchu nazývá technické vakuum. Ve velkých objemech není možné získat takový ideální stav, protože při určité teplotě mají materiály nenulovou nasycenou hustotu par.

Důvodem pro nemožnost získání ideálního vakua je i přenos plynných látek sklem, kovovými stěnami nádob.

V malých množstvích je možné získat vzácné plyny. Jako stupně zředění používaných bez překážek Délka dráhy molekul plynu, které náhodně vyskytly, a lineární rozměr použité nádoby.

Technické technické vakuum lze považovat za plyn v potrubí nebo v nádobě s hodnotou tlaku menší než v atmosféře. Nízké vakuum nastává, když se atomy nebo molekuly plynového zastavení vzájemně srážejí.

Mezi vysokotlakovým čerpadlem a atmosférickým vzduchem je umístěna vakuová nádoba, která vytváří předběžné vakuum. V případě následného poklesu tlakové komory je pozorováno zvýšení průměrné volné dráhy částic plynné látky.

Při tlacích 10 ^-9. Pa vytváří ultrahrudní vakuum. Právě tyto vzácné plyny se používají k provádění experimentů pomocí skenovacího tunelového mikroskopu.

Takový stav je možné získat v pórech některých krystalů i při atmosférickém tlaku, protože průměr pórů je mnohem menší než průměrná volná dráha volné částice.

Zařízení založená na vakuu

Vzácný stav plynu se aktivně používá v zařízeních nazývaných vakuová čerpadla. Getry se používají k absorpci plynů a získání určitého stupně vakua. Vakuová technologie také zahrnuje řadu zařízení, která jsou nezbytná pro monitorování a měření tohoto stavu, jakož i pro ovládání objektů, provádění různých technologických procesů. Nejsložitějšími technickými zařízeními, ve kterých jsou používány zředěné plyny, jsou vysokotlaké čerpadla. Například difúzní zařízení fungují na základě pohybu molekul zbytkových plynů působením proudu pracovního plynu. Dokonce i v případě ideálního vakua, když je dosaženo konečné teploty, dochází k nepatrnému tepelnému záření. To vysvětluje základní vlastnosti zředěných plynů, např., Z počátkem tepelné rovnováhy po určitém časovém období mezi tělem a stěnami vakuové komoře.

Vzácný monatomický plyn je vynikající tepelný izolátor. Přenos tepelné energie se provádí pouze radiací, tepelným vodivostí a konvekcí. Tato vlastnost se používá v plavidla Dewar (termózy), skládající se ze dvou nádob, mezi nimiž je podtlak.

Vakuum se uplatňuje také v radiových trubkách, například magnetrony kineskopů, mikrovlnné trouby.

Fyzické vakuum

V kvantové fyzice je takový stav země (nejnižší) energetický stav kvantového pole, který je charakterizován nulovými hodnotami kvantová čísla.

V takovém stavu není monatomický plyn zcela prázdný. Podle kvantové teorie se ve fyzickém vakuu objevují a systematicky vymizí virtuální částice, což způsobuje oscilace nulového pole.

Teoreticky může současně existovat několik různorodých vysavačů, které se liší v hustotě energie i v jiných fyzikálních vlastnostech. Tato myšlenka se stala základem inflační teorie velkého výbuchu.

Falešné vysávání

Tím se rozumí stav pole v kvantové teorii, která není stavem s minimální energií. Je stabilní po určitou dobu. Existuje pravděpodobnost "tunelování" falešného stavu do skutečného vakua při dosažení potřebných hodnot základních fyzikálních veličin.

Vnější prostor

Když se domníváme, co znamená zředěný plyn, je třeba se zabývat pojetím "vesmírného vakua". To může být považováno za blízko k fyzickému vakuu, ale existují v mezihvězdném prostoru. Na planetách, jejich přirozených družicích, mnoha hvězdách, existují určité síly přitažlivosti, které udržují určitou vzdálenost atmosféry. Při změně vzdálenosti od povrchu hvězdného objektu se mění hustota vzácného plynu.

Existuje například linie Karman, která je považována za obecnou definici s kosmickým prostorem hranice planety. Za ní se izotropní plyn výrazně snižuje ve srovnání se slunečním zářením a dynamickým tlakem slunečního větru, takže je těžké interpretovat tlak vzácného plynu.

Ve vesmíru existuje mnoho fotonů, reliktních neutrin, které je obtížné zjistit.

Funkce měření

Stupeň vakua je obvykle určen množstvím látky, která zůstává v systému. Hlavní charakteristikou měření tohoto stavu je absolutní tlak, navíc se bere v úvahu chemické složení plynu a jeho teplota.

Důležitým parametrem pro vakuum je střední hodnota střední volné dráhy zbývajících plynů v systému. Existuje rozdělení vakua do určitých rozsahů v souladu s technologií, která je nezbytná pro měření: falešná, technická, fyzická.

Vakuové tvarování

Jedná se o výrobu výrobků z moderních termoplastických materiálů v horké formě působením nízkého tlaku vzduchu nebo působením vakua.

Vákuové tvarování se považuje za způsob kreslení, který vede k zahřívání plastové fólie umístěné nad matricí na určitou teplotu. Pak list opakuje tvar matice, což je vysvětleno vytvořením vakua mezi ním a plastem.

Elektrovakuové přístroje

Jsou to zařízení, která jsou určena k vytváření, zesílení a konverzi elektromagnetické energie. Tento nástroj se odstraní z pracovního prostoru vzduch a nepropustný plášť se používá k ochraně proti prostředí. Příklady takových zařízení jsou elektronická vakuová zařízení, kde elektrony jsou vhodné ve vakuu. Žárovky mohou být také považovány za elektrovakuové přístroje.

Plyny při nízkých tlacích

Plyn nazývá řídký, jestliže jeho hodnota hustoty je malý, a střední volná dráha molekul je srovnatelný s velikostí nádoby, ve které se plyn. V takovém stavu je pokles počtu elektronů úměrný hustotě plynu.

V případě velmi vzácného plynu neexistuje prakticky žádné vnitřní tření. Namísto toho existuje vnější tření pohybujícího se plynu proti stěně, což je vysvětleno změnou hybnosti molekul kolizí s nádobou. V takové situaci existuje přímá proporce mezi rychlostí částic a hustotou plynu.

V případě nízkého vakua se pozoruje častá kolize mezi plnými částicemi plynu, které jsou doprovázeny stabilní výměnou tepelné energie. To vysvětluje dopravní jev (difúze, tepelná vodivost), je aktivně využíván v moderních technologiích.

Výroba vzácných plynů

Vědecké studium a vývoj vakuových zařízení začal v polovině sedmnáctého století. V roce 1643 byl italský Torricelli schopen stanovit atmosférický tlak a po vynalezu mechanického pístového čerpadla O. Gericke se speciálním vodním těsněním existovala skutečná příležitost pro provedení mnoha studií charakteristik vypouštěného plynu. Zároveň byly prozkoumány možnosti vlivu vakua na živé bytosti. Pokusy prováděné ve vakuu s elektrickým výbojem usnadnily objev negativního elektronu, rentgenové záření.

Vzhledem k tepelné izolaci vakua bylo možné vysvětlit způsoby přenosu tepla, využívat teoretické informace pro vývoj moderního kryogenního zařízení.

Použití vakua

V roce 1873 bylo vynalezeno první elektrické zařízení. Staly se žárovkou, kterou vytvořil ruský fyzik Lodygin. Právě od této doby se rozšířilo praktické využití vakuové technologie, objevily se nové metody získávání a studium tohoto stavu.

Pro malý časový interval byly vytvořeny různé typy vakuových čerpadel:

• rotační;
• kryosorpce;
• molekulární;
• difuzní.

Na počátku dvacátého století, akademik Lebedev podařilo zlepšit vědecký základ vakuové průmyslu. Až do poloviny minulého století, vědci neumožnil možnost získání tlaku je nižší než 10-6 Pa.

V současné době vakuové systémy vytvořit celokov, aby nedošlo k úniku. Vakuové kryogenní čerpadla se používají nejen ve výzkumných laboratořích, ale i v různých průmyslových odvětvích.

Například po vývoji speciálních čerpacích zařízení, která neznečisťují použité zařízení, vznikly nové vyhlídky na použití vakuové technologie. V chemii se takové systémy aktivně využívají pro kvalitativní a kvantitativní analýzu vlastností čisté látky, separace směsi do složek, analýza rychlosti toku různých procesů.