Vákuum

Vákuum (a lat.  vacuus  - üresség) - anyagtól mentes tér . A mérnöki és alkalmazott fizikában vákuum alatt olyan közeget értünk, amely a légkörinél lényegesen alacsonyabb nyomású gázból áll [1] .

A vákuumot a gázmolekulák átlagos szabad útja λ és a közeg jellemző mérete d , az úgynevezett Knudsen-szám aránya jellemzi . A d alatt a vákuumkamra falai közötti távolság , a vákuumcső átmérője stb. vehetők A λ / d arány értékétől függően alacsony ( ), közepes ( ) és magas ( ) vákuum adható meg. kiváló.

Műszaki vákuum

A gyakorlatban egy nagyon ritka gázt műszaki vákuumnak neveznek . Makroszkópikus térfogatban az ideális vákuum ( gázmolekuláktól mentes közeg) gyakorlatilag elérhetetlen, mivel véges hőmérsékleten minden anyag nullától eltérő telített gőz sűrűségű . Ezenkívül számos anyag (különösen vastag fém, üveg és egyéb edényfalak) engedi át a gázokat. Mikroszkopikus térfogatban azonban elvileg lehetséges az ideális vákuum elérése .

A vákuumritkulás mértékének mérőszáma a gázmolekulák átlagos szabad útja, amely a gázban való kölcsönös ütközésükhöz kapcsolódik, valamint annak az edénynek a jellegzetes lineáris mérete, amelyben a gáz található.

Szigorúan véve a műszaki vákuum egy edényben vagy csővezetékben lévő gáz, amelynek nyomása alacsonyabb, mint a környező atmoszférában. Egy másik definíció szerint, amikor a gáz molekulái vagy atomjai már nem ütköznek egymással, és a gázdinamikai tulajdonságokat viszkózusak váltják fel (körülbelül 1 Hgmm nyomáson ), akkor alacsony vákuum eléréséről beszélnek ( ; 10 16 molekula per 1 cm³ ). Általában a légköri levegő és a nagyvákuumú szivattyú közé helyeznek egy úgynevezett foreline szivattyút, amely előzetes vákuumot hoz létre, ezért az alacsony vákuumot gyakran elővonalnak nevezik . A kamrában a nyomás további csökkenésével a gázmolekulák átlagos szabad útja növekszik. A gázmolekulák sokkal gyakrabban ütköznek falakkal, mint egymással. Ebben az esetben nagy vákuumról beszélünk ( 10–5 Hgmm ; 1011 molekula 1 cm³ - enként ). Az ultramagas vákuum 10–9 Hgmm nyomásnak felel meg . Művészet. és alatta. Ultramagas vákuumban például a kísérleteket általában pásztázó alagútmikroszkóp segítségével végzik . Összehasonlításképpen: a térben a nyomás több nagyságrenddel alacsonyabb - 10 9 molekula per 1 cm³ (egymilliárd molekula köbcentiméterben), míg a mélyűrben akár a 10 -16 Hgmm -t is elérheti. és alatta ( 1 molekula 1 cm³ - enként ) [2] .

Egyes kristályok mikroszkopikus pórusaiban és az ultravékony kapillárisokban már légköri nyomáson nagy vákuum keletkezik, mivel a pórus/kapilláris átmérő kisebb lesz, mint a molekula átlagos szabad útja, ami normál körülmények között levegőben ~60 nanométer . [3] .

A vákuum elérésére és fenntartására használt berendezéseket vákuumszivattyúknak nevezzük . A getterek a gázok elnyelésére és a szükséges vákuumszint létrehozására szolgálnak . A tágabb értelemben vett vákuumtechnológia magában foglalja a vákuum mérésére és vezérlésére, tárgyak manipulálására, technológiai műveletek vákuumkamrában történő végrehajtására stb. szolgáló eszközöket is. A nagyvákuumszivattyúk összetett műszaki berendezések. A nagyvákuumszivattyúk fő típusai a diffúziós szivattyúk, amelyek a maradék gázmolekulákat a működő gázárammal vonják magukkal, a getter, az ionizációs szivattyúk, amelyek gázmolekulák getterekbe történő bevezetésén alapulnak (például titán ) és a krioszorpciós szivattyúk (főleg elülső vákuumot hozzon létre).

Még ideális vákuumban is, véges hőmérsékleten mindig van némi hősugárzás ( fotonokból álló gáz ). Így egy ideális vákuumba helyezett test a hőfotonok cseréje miatt előbb-utóbb termikus egyensúlyba kerül a vákuumkamra falaival.

A vákuum jó hőszigetelő; a hőenergia átadása benne csak a hősugárzás hatására történik, a konvekció és a hővezető képesség kizárt. Ezt az ingatlant hőszigetelésre használják termoszokban ( Dewar edények ), amelyek egy dupla falú tartályból állnak, amelyek közötti teret kiürítik.

A vákuumot széles körben használják elektromos vákuumkészülékekben - rádiócsövekben (például mikrohullámú sütők magnetronjaiban ), katódsugárcsövekben stb.

Fizikai vákuum

A kvantumtérelmélet vákuuma

A kvantumfizikában a fizikai vákuumot a kvantált mező legalacsonyabb (alap)energiájú állapotaként értjük, amelynek nulla impulzusa, szögimpulzusa és egyéb kvantumszámai vannak. Ráadásul egy ilyen állapot nem feltétlenül felel meg az ürességnek: a legalacsonyabb állapotú mező lehet például egy szilárd testben vagy akár egy atommagban lévő kvázirészecskék mezője , ahol a sűrűség rendkívül nagy. A fizikai vákuumot olyan térnek is nevezik, amely teljesen anyagmentes , és ilyen állapotban mezővel van kitöltve [4] [5] . Az ilyen állapot nem abszolút üresség . A kvantumtérelmélet azt állítja, hogy a bizonytalanság elvének megfelelően a virtuális részecskék folyamatosan születnek és eltűnnek a fizikai vákuumban : a mezők úgynevezett nullponti rezgései következnek be. Egyes speciális terepelméletekben a vákuumnak nem triviális topológiai tulajdonságai lehetnek. Elméletileg több különböző vákuum létezhet, amelyek energiasűrűségükben vagy más fizikai paramétereikben különböznek (az alkalmazott hipotézisektől és elméletektől függően). A vákuum spontán szimmetriatörés hatására bekövetkező degenerációja a vákuumállapotok folytonos spektrumához vezet, amelyek a Goldstone-bozonok számában különböznek egymástól . A helyi energiaminimumokat bármely mező különböző értékeinél, amelyek energiája különbözik a globális minimumtól, hamis vákuumoknak nevezzük ; az ilyen állapotok metastabilok, és hajlamosak az energia felszabadulásával bomlásra, átmennek a valódi vákuumba vagy a mögöttes hamis vákuum egyikébe.

E térelméleti előrejelzések közül néhányat már sikeresen megerősítettek kísérletekkel. Így a Casimir-effektus [6] és az atomi szintek Lamb-eltolódása az elektromágneses tér nulla rezgésével magyarázható a fizikai vákuumban. A modern fizikai elméletek a vákuummal kapcsolatos egyéb elképzeléseken alapulnak. Például a többszörös vákuumállapot (a fent említett hamis vákuum) létezése az ősrobbanás inflációs elméletének egyik fő alapja .

Hamis vákuum

A hamis vákuum  a kvantumtérelméletben olyan állapot , amely nem egy globálisan minimális energiájú állapot , hanem megfelel a lokális minimumának. Az ilyen állapot egy bizonyos ideig stabil (metastabil), de " alagútba " kerülhet a valódi vákuum állapotába.

Einsteini vákuum

Az Einstein-vákuum az általános relativitáselméletben Einstein-egyenletek  megoldásainak néha használt elnevezése egy üres, anyagmentes téridőre . Az Einstein-űr szinonimája .

Az Einstein-egyenletek a tér-idő metrikát (a g μν metrikus tenzort ) az energia-impulzus tenzorral kapcsolják össze. Általában úgy írják őket

ahol a G μν Einstein-tenzor a metrikus tenzor és parciális deriváltjainak határozott függvénye, R  a skaláris görbület , Λ  a kozmológiai állandó , T μν  az anyag energia-impulzus tenzora , π  a pi szám , c  a fénysebesség vákuumban, G  a Newton gravitációs állandó .

Ezen egyenletek vákuummegoldásait anyag hiányában kapjuk meg, vagyis amikor az energia-impulzus tenzor a téridő vizsgált tartományában azonos nullával: T μν = 0 . Gyakran a lambda-tagot is nullának vesszük, különösen lokális (nem kozmológiai) megoldások vizsgálatakor. Ha azonban nem nulla lambda taggal ( lambda vákuum ) rendelkező vákuumoldatokat vizsgálunk, olyan fontos kozmológiai modellek merülnek fel, mint a De Sitter modell ( Λ > 0 ) és az anti-De Sitter modell ( Λ < 0 ).

Az Einstein-egyenletek triviális vákuummegoldása a lapos Minkowski-tér , azaz a speciális relativitáselméletben figyelembe vett metrika .

Az Einstein-egyenletek egyéb vákuummegoldásai közé tartoznak különösen a következő esetek:

Világűr

A világűrnek nagyon alacsony a sűrűsége és nyomása, és ez a fizikai vákuum legjobb közelítése. A tér vákuuma nem igazán tökéletes, még a csillagközi térben is van néhány hidrogénatom köbcentiméterenként. Az ionizált atomos hidrogén sűrűsége a Lokális Csoport intergalaktikus terében 7×10 −29 g/cm³ [7] .

A csillagok, bolygók és műholdak a gravitáció által tartják össze légkörüket, és mint ilyenek, a légkörnek nincs jól meghatározott határa: a légköri gáz sűrűsége egyszerűen csökken az objektumtól való távolsággal. A Föld légköri nyomása 100 km magasságonként körülbelül 3,2 × 10 -2 Pa-ra csökken - az úgynevezett Karman - vonalon , amely a világűr határának általános meghatározása. Ezen a vonalon túl a gáz izotróp nyomása gyorsan elhanyagolhatóvá válik a Nap sugárzási nyomásához és a napszél dinamikus nyomásához képest , így a nyomásdefiníció nehezen értelmezhető. Az ebbe a tartományba tartozó termoszféra nyomása, hőmérséklete és összetétele nagy gradienssel rendelkezik, és az űridőjárás miatt erősen változó.

A légkör sűrűsége a Kármán-vonal feletti első néhány száz kilométeren még mindig elegendő ahhoz, hogy jelentős ellenállást biztosítson a mesterséges földi műholdak mozgásával szemben . A legtöbb műhold ebben a régióban, az úgynevezett alacsony Föld körüli pályán működik, és néhány naponta árammal kell ellátni őket a stabil pálya fenntartása érdekében.

A világűr tele van nagyszámú fotonnal, az úgynevezett kozmikus mikrohullámú háttérrel , valamint nagyszámú neutrínóval, amelyek egyelőre még nem észlelhetők. E sugárzások jelenlegi hőmérséklete körülbelül 3 K, vagyis –270 °C [8] .

A vákuum tanulmányozásának története

A vákuum (üresség) gondolata az ókori görög és római filozófusok kora óta vita tárgya. Az atomisták  - Leukipposz (i.e. 500 körül), Démokritosz (i.e. 460-370), Epikurosz (i.e. 341-270), Lucretius (i.e. 99-55) és követőik - azt feltételezték, hogy minden, ami létezik, atomok és egy űr van köztük, és vákuum nélkül nem lenne mozgás, az atomok nem tudnának mozogni, ha nincs közöttük üres tér. Strato (i.e. 270 körül) és sok filozófus a későbbi időkben úgy gondolta, hogy az üresség lehet "szilárd" ( vacuum coacervatum ) és "szórt" (az anyagrészecskék között, vacuum disseminatum ).

Éppen ellenkezőleg, Arisztotelész (Kr. e. 384-322) és számos más filozófus úgy gondolta, hogy "a természet irtózik a vákuumtól". Az „űrtől való félelem” ( horror vacui ) fogalma, amely már Arisztotelész előtt, Empedoklész (i. e. 490-430) és a jón iskola más filozófusai körében keletkezett, uralkodóvá vált a középkori Európa filozófiai gondolkodásában, és vallásossá vált. és misztikus vonások .

A vákuum empirikus vizsgálatának bizonyos előfeltételei már az ókorban is léteztek. Az ókori görög mechanika különféle műszaki eszközöket készített a levegő ritkítása alapján. Például a dugattyú alatt vákuumot létrehozó vízszivattyúkat már Arisztotelész idejében is ismerték. Korunkig fennmaradt egy rajz egy tűzoltószivattyúról, amelyet a „pneumatika atyja”, Ktesibius (i. e. 250 körül) talált fel. Az ilyen típusú vízszivattyúk valójában a csaknem két évezreddel később megjelent vákuumdugattyús szivattyú prototípusai voltak. Ctesibius egyik tanítványa, az alexandriai Heron kifejlesztett egy dugattyús fecskendőt genny kiszívására, amely lényegében szintén egy vákuumeszköz.

A vákuum empirikus vizsgálata csak a 17. században kezdődött, a reneszánsz végével és a modern idők tudományos forradalmának kezdetével . Ekkor már régóta ismert volt, hogy a szívószivattyúk legfeljebb 10 méter magasra képesek felemelni a vizet. Például George Agricola (1494-1555) "A bányászatról" című értekezésében vízszivattyúk láncának képe található a bányából való víz szivattyúzására.

Galilei Beszélgetések és két új tudomány matematikai bizonyítékai [9] (1638), az arisztotelészi fizika pusztítását befejező könyvében a gyakorlatra hivatkozva rámutatott, hogy az a magasság, amelyre a szívószivattyúk vizet emelnek, mindig azonos. körülbelül 18 könyök . Ebben a könyvben konkrétan egy dugattyús vákuumkészüléket ír le, amely a víz és a szilárd test szakítószilárdságának összehasonlításához szükséges, bár a szilárd anyagokra és folyadékokra jellemző szakítószilárdságot azzal magyarázza, hogy fél üresség, feltételezve, hogy az anyag részecskéi között apró üres pórusok léteznek, feszültség hatására kitágulnak.

Galilei értekezésének hatására, amely rámutatott az „ürességtől való félelem” korlátaira, 1639-1643-ban. Gasparo Berti római házának homlokzatára épített egy készüléket (későbbi szóhasználattal barometrikus vízcsövet), amely a vákuum fizikai vizsgálatának első installációjának tekinthető. A cső felső, 10 m -nél magasabb, üveges zárt részében, a légköri nyomással kiegyensúlyozott vízoszlop felett üres teret találtunk (valójában a víz rugalmasságának megfelelő nyomású vízgőzzel töltötték meg gőz környezeti hőmérsékleten, valamint oldott levegő, vagyis az üregben a nyomás körülbelül 0,1 atmoszféra volt ). Emanuel Magnano harangot és kalapácsot rögzített ebben az üregben. Mágnessel a kalapácsra hatva kalapáccsal megütötte a harangot. Ennek az első, vákuumban (pontosabban ritka gázban) végzett kísérlet eredményeként azt találták, hogy a harang hangja tompa volt [10] .

A római tudós, Rafaelo Maggiotti [11] (1597-1656) számolt be Berti és Magnano kísérleteiről Galilei tanítványának, a firenzei Evangelista Torricellinek . Ugyanakkor Maggiotti azt javasolta, hogy a sűrűbb folyadék alacsonyabb szinten megálljon [12] . 1644 -ben Torricellinek ( Galileo másik tanítványa, Vincenzo Viviani segítségével ) sikerült létrehoznia az első vákuumkamrát. A légköri nyomás elméleteivel kapcsolatos munkája további kísérleti technikák alapját adta. A Torricelli-módszer szerinti vákuumot ( Torricelli void ) úgy érik el, hogy egy hosszú, egyik végén lezárt üvegcsövet megtöltenek higannyal , majd megfordítják úgy, hogy a cső nyitott vége a higany felszíne alá kerüljön egy szélesebb nyitott edényben. [13] . A higany addig fog kifolyni a csőből, amíg a higanyoszlop gravitációját a légköri nyomás ki nem kompenzálja. A cső felső, lezárt végén lévő higanymentes térben vákuum képződik. Ez a módszer alapozza meg a higanybarométer működését . Normál légköri nyomáson a higanyoszlop magassága a légköri nyomással egyensúlyban 760 mm .

1650 körül a német tudós, Otto von Guericke feltalálta az első vákuumszivattyút (dugattyús henger vízzárral), amely megkönnyítette a levegő szivattyúzását a lezárt tartályokból és a vákuummal való kísérletezést [14] . A szerző által antlia pneumaticának nevezett szivattyú még mindig nagyon messze volt a tökéletestől, és legalább három embert igényelt a vízbe merített dugattyú és csapok kezeléséhez, hogy jobban elszigetelje a keletkező űrt a külső levegőtől. Segítségével azonban Guericke képes volt bemutatni a vákuum számos tulajdonságát, különösen a magdeburgi féltekékkel végzett híres kísérlet létrehozásával . Guericke egy elvileg Torricelli higanybarométeréhez hasonló vízbarométert is készített, bár a higanyhoz képest kisebb vízsűrűség miatt a légköri nyomást kiegyenlítő vízoszlop magassága 13,6-szor nagyobb - körülbelül 10 méter. Guericke először fedezte fel, hogy a vákuum nem vezeti a hangot, és leáll benne az égés [15] .

Guericke vákuumszivattyúját Robert Boyle nagymértékben továbbfejlesztette , lehetővé téve számára, hogy egy sor kísérletet végezzen a vákuum tulajdonságainak és különféle tárgyakra gyakorolt ​​hatásának tisztázására. Boyle felfedezte, hogy a kis állatok a vákuumban elpusztulnak, a tűz kialszik, és a füst elsüllyed (és ezért a gravitáció ugyanolyan hatással van rá, mint más testekre). Boyle azt is kiderítette, hogy a folyadék felemelkedése a kapillárisokban is vákuumban történik, és ezzel megcáfolta azt az akkoriban uralkodó véleményt, hogy a légnyomás szerepet játszott ebben a jelenségben. Éppen ellenkezőleg, a folyadék áramlása a szifonon keresztül vákuumban leállt, ami bebizonyította, hogy ez a jelenség a légköri nyomásnak köszönhető. Kimutatta, hogy a kémiai reakciókban (például a mészoltásban), valamint a testek kölcsönös súrlódásában hő is szabadul fel vákuumban.

Emberekre és állatokra gyakorolt ​​hatások

A vákuumnak kitett emberek és állatok néhány másodperc múlva elvesztik az eszméletüket, és perceken belül hipoxiában meghalnak , de ezek a tünetek általában eltérnek a populáris kultúrában és a médiában bemutatottaktól. A nyomáscsökkenés csökkenti azt a forráspontot, amelyen a vérnek és más biológiai folyadékoknak fel kell forrniuk, de az erek rugalmas nyomása nem teszi lehetővé, hogy a vér elérje a 37 °C-os forráspontot [16] . Bár a vér nem forr, a vérben és más testnedvekben alacsony nyomáson lévő gázbuborékok hatása, az úgynevezett ebullizmus (levegőtágulat) komoly probléma. A gáz képes felfújni a testet a normál méretének kétszeresére, de a szövetek elég rugalmasak ahhoz, hogy megakadályozzák azok felszakadását [17] . Az ödéma és az ebullizmus egy speciális repülőruhával megelőzhető. Az űrsiklós űrhajósok a Crew Altitude Protection Suit (CAPS) nevű speciális, rugalmas ruhadarabot viselték, amely 2 kPa -nál ( 15 Hgmm ) nagyobb nyomáson megakadályozza az ebulizmust [18] . A víz gyors párolgása 0 °C-ra hűti a bőrt és a nyálkahártyákat, különösen a szájban, de ez nem jelent nagy veszélyt.

Állatkísérletek azt mutatják, hogy 90 másodperces vákuumban való tartózkodás után a szervezet általában gyorsan és teljes mértékben felépül, de a hosszabb vákuumban tartózkodás végzetes, az újraélesztés pedig haszontalan [19] . A vákuum emberre gyakorolt ​​hatásairól csak korlátozott mennyiségű adat áll rendelkezésre (ez általában akkor történt, amikor az emberek balesetet szenvedtek), de ezek összhangban vannak az állatkísérletek során szerzett adatokkal. A végtagok sokkal hosszabb ideig lehetnek vákuumban, ha a légzés nem zavart [20] . Robert Boyle volt az első, aki 1660 -ban kimutatta , hogy a vákuum végzetes a kis állatok számára.

Méret

A vákuum mértékét a rendszerben maradt anyag mennyisége határozza meg. A vákuumot elsősorban az abszolút nyomás határozza meg , és a teljes jellemzéshez további paraméterekre, például hőmérsékletre és kémiai összetételre van szükség. Az egyik legfontosabb paraméter a maradék gázok átlagos szabad útja (MFP), amely azt az átlagos távolságot jelzi, amelyet egy részecske szabad útja során megtesz egyik ütközéstől a másikig. Ha a gáz sűrűsége csökken, az MFP növekszik. Az MFP levegőben atmoszférikus nyomáson nagyon rövid, 70 nm körüli , míg 100 mPa ( ~1×10 −3 Torr ) mellett a levegő MFP körülbelül 100 mm . A ritkított gáz tulajdonságai nagymértékben megváltoznak, ha az átlagos szabad út összehasonlíthatóvá válik a gázt tartalmazó edény méreteivel.

A vákuumot az eléréséhez vagy méréséhez szükséges technológia szerint tartományokra osztják. Ezek a tartományok nem rendelkeznek általánosan elfogadott definíciókkal, de egy tipikus eloszlás így néz ki [21] [22] :

Nyomás ( Hgmm ) Nyomás ( Pa )
Légköri nyomás 760 1,013 × 10 +5
alacsony vákuum 760-tól 25-ig 1×10 +5 -től 3,3×10 +3 -ig
Közepes vákuum 25-től 1×10 −3 -ig 3,3×10 +3 -tól 1,3×10 -1 -ig
nagy vákuum 1×10 −3 -tól 1×10 −9 -ig 1,3×10 −1 -től 1,3×10 −7 -ig
Ultra nagy vákuum 1×10 −9 -től 1×10 −12 -ig 1,3×10 −7 -től 1,3×10 −10 -ig
extrém vákuum <1×10 −12 <1,3×10 −10
Tér 1 × 10 -6 - <3 × 10 -17 1,3×10 −4 -től <1,3×10 −15 -ig
Abszolút vákuum 0 0

Alkalmazás

A vákuum számos folyamathoz hasznos, és különféle eszközökben használják. A tömegesen használt áruk esetében először használták izzólámpákban , hogy megvédjék az izzószálat a kémiai bomlástól . Az anyagok vákuum által biztosított kémiai tehetetlensége az elektronsugaras hegesztéshez , hideghegesztéshez , vákuumcsomagoláshoz és vákuumos sütéshez is hasznos . Az ultramagas vákuumot atomtiszta szubsztrátumok vizsgálatára használják, mivel csak nagyon nagy vákuum tartja a felületeket atomi szinten kellően hosszú ideig (percektől napokig) tisztán. A nagy és ultramagas vákuum megszünteti a légellenállást, lehetővé téve a részecskesugarak lerakódását vagy eltávolítását szennyeződés nélkül. Ez az elv a kémiai gőzleválasztás , vákuumleválasztás és száraz maratás alapja, amelyeket a félvezető- és optikai bevonatok iparában, valamint a felületkémiában használnak. A csökkentett konvekció hőszigetelést biztosít a termoszokban . A nagy vákuum csökkenti a folyadék forráspontját, és elősegíti az alacsony gáztalanítási hőmérsékletet , amelyet fagyasztva szárításban , ragasztóanyag - előkészítésben , desztillációban , kohászatban és vákuumfinomításban használnak. A vákuum elektromos tulajdonságai lehetővé teszik az elektronmikroszkópokat és vákuumcsöveket , beleértve a katódsugárcsöveket is . A vákuum-megszakítókat elektromos kapcsolóberendezésekben használják . A vákuumbontás ipari jelentőséggel bír bizonyos acélminőségek vagy nagy tisztaságú anyagok előállításánál. A légsúrlódás megszüntetése hasznos energiatároláshoz lendkerekekben és ultracentrifugákban .

Vákuumhajtású gépek

A vákuumot általában szívás előállítására használják , aminek még szélesebb az alkalmazási köre. A Newcomen gőzgép nyomás helyett vákuumot használt a dugattyú meghajtására. A 19. században Isambard Brunel kísérleti pneumatikus vasútján vákuumot használtak vontatásra . A vákuumfékeket valaha széles körben használták a vonatokon az Egyesült Királyságban, de a hagyományos vasutak kivételével ezeket légfékekre cserélték .

A szívócsonk-vákuum az autók tartozékainak meghajtására használható. A legismertebb alkalmazás a vákuumerősítő a fékerő növelésére . A vákuumot korábban a vákuumtörlő működtetőiben és az Autovac üzemanyag-szivattyúkban használták . Egyes repülőgép-műszerek (a helyzetjelző és az irányjelző) általában vákuumvezérlésűek, biztosítva az összes (elektromos) műszer meghibásodását, mivel a korai repülőgépekben gyakran nem volt elektromos rendszer, és mivel két könnyen elérhető vákuumforrás létezik. egy mozgó repülőgép, a hajtómű és a Venturi . A vákuum-indukciós olvasztás elektromágneses indukciót használ vákuumban.

A kondenzátorban a vákuum fenntartása elengedhetetlen a gőzturbinák hatékony működéséhez . Ehhez gőzbefecskendezőt vagy vízgyűrűs szivattyút használnak . A kondenzátor gőztérfogatában a turbina kipufogógázánál fenntartott tipikus vákuum (más néven turbina kondenzátornyomás) 5-15 kPa, a kondenzátor típusától és a környezeti feltételektől függően.

Gáztalanítás

A vákuumban történő párolgást és szublimációt gáztalanításnak nevezzük . Minden anyag, legyen az szilárd vagy folyékony, rendelkezik némi gőzzel (kigázosodik), és a gáztalanításra akkor van szükség, ha a vákuumnyomás a gőznyomásuk alá esik. Az anyagok vákuumban történő elpárologtatása ugyanolyan hatással bír, mint a szivárgás, és korlátozhatja az elérhető vákuumot. A párolgási termékek lecsapódhatnak a közeli hidegebb felületeken, ami problémákat okozhat, ha bevonják az optikai műszereket vagy reakcióba lépnek más anyagokkal. Ez nagy nehézségeket okoz az űrben való repülés során, ahol egy kitakart távcső vagy napelem kisiklhat egy költséges műveletet.

A vákuumrendszerekben a leggyakrabban kilépő termék a kamra anyagai által elnyelt víz . Mennyisége csökkenthető a kamra szárításával, felmelegítésével és a nedvszívó anyagok eltávolításával. Az elpárolgó víz lecsapódhat a forgólapátos szivattyúk olajában, és drasztikusan csökkentheti működési sebességüket, ha nem használnak gázballasztot. A nagyvákuumú rendszereknek tisztáknak és szerves anyagoktól menteseknek kell lenniük, hogy minimálisra csökkentsék a gázkibocsátást.

Az UHV rendszereket jellemzően izzítják, lehetőleg vákuum alatt, hogy átmenetileg növeljék az összes anyag párologtatását és elpárologtassanak. Miután az elpárolgott anyagok nagy részét elpárologtatták és eltávolították, a rendszer lehűthető, hogy csökkentse az anyagok elpárolgását és minimalizálja a maradék gázképződést működés közben. Egyes rendszereket jóval szobahőmérséklet alá hűtnek folyékony nitrogénnel , hogy teljesen leállítsák a maradék gázfejlődést, és ezzel egyidejűleg a rendszer kriogén szivattyúzásának hatását keltsék.

Szivattyúzás és légköri nyomás

A gázokat egyáltalán nem lehet kiűzni, így vákuumot szívással nem lehet létrehozni. A szívás kiterjesztheti és hígíthatja a vákuumot, lehetővé téve, hogy a nagy nyomás gázokat vezesse be, de mielőtt a szívás megtörténne, vákuumot kell létrehozni. A mesterséges vákuum létrehozásának legegyszerűbb módja a kamra térfogatának bővítése. Például a rekeszizom izom kiterjeszti a mellkas üregét, ami a tüdő kapacitásának növekedéséhez vezet. Ez a tágulás csökkenti a nyomást és alacsony vákuumot hoz létre, amely hamarosan megtelik atmoszférikus nyomású levegővel.

Annak érdekében, hogy a kamra korlátlanul ürüljön, anélkül, hogy folyamatosan használnánk a növelését, az azt porszívózó rekesz többször zárható, légteleníthető, újra bővíthető stb. Ez a térfogat-kiszorításos (gázszállító) szivattyúk, például a kézi vízszivattyú működési elve. A szivattyú belsejében egy mechanizmus tágítja ki a kis zárt üreget, hogy vákuumot hozzon létre. A nyomásesés miatt a kamrából (vagy példánkban a kútból) a folyadék egy része a szivattyú kis üregébe kerül. Ezután a szivattyú üregét hermetikusan lezárják a kamrából, kinyitják a légkör felé, és minimális méretre összenyomják, kinyomva a folyadékot.

A fenti magyarázat egy egyszerű bevezetés a porszívózásba, és nem reprezentálja a használatban lévő szivattyúk teljes körét. A térfogat-kiszorításos szivattyúk számos változatát fejlesztették ki, és sok szivattyú kialakítás gyökeresen eltérő elveken alapul. Az impulzustranszfer szivattyúk, amelyek némileg hasonlítanak a nagyobb nyomáson használt dinamikus szivattyúkhoz, sokkal jobb vákuumminőséget biztosítanak, mint a térfogat-kiszorításos szivattyúk. A szilárd vagy elnyelt gázok felszívására alkalmas gázcsatlakozó szivattyúk gyakran mozgó alkatrészek, tömítések és vibráció nélkül működnek. Ezen szivattyúk egyike sem univerzális; mindegyik típusnak komoly alkalmazási korlátai vannak. Mindenkinek nehézségei vannak a kis tömegű gázok, különösen a hidrogén, a hélium és a neon szivattyúzásával.

A rendszerben elérhető legalacsonyabb nyomás a szivattyúk kialakításán kívül sok tényezőtől is függ. A nagyobb vákuum elérése érdekében több szivattyú úgynevezett fokozatos sorba kapcsolható. A tömítések, a kamra geometriája, az anyagok és a szivattyúzási eljárások megválasztása mind hatással lesz. Mindezt együttesen vákuumtechnológiának nevezik. És néha a keletkező nyomás nem az egyetlen jelentős jellemző. A szivattyúrendszerekre jellemző az olajszennyeződés, a vibráció, bizonyos gázok szelektív szivattyúzása, a szivattyúzási sebességek, a szakaszos működés, a megbízhatóság vagy a nagy szivárgási arányokkal szembeni ellenállás.

Az UHV rendszerekben figyelembe kell venni néhány nagyon "furcsa" szivárgási utat és gőzforrást. Az alumínium és a palládium vízfelvevő képessége elfogadhatatlan párolgási forrássá válik, még a szilárd fémek, például a rozsdamentes acél vagy a titán adszorpciós képességét is figyelembe kell venni. Egyes olajok és zsírok nagy vákuum alatt felforrnak. Szükséges lehet figyelembe venni a fém kristályszerkezetének a kamrák fémfalainak áteresztőképességére gyakorolt ​​hatását, például a fémkarimák szemcséinek irányának párhuzamosságát a karima homlokfelületével. .

A jelenleg laboratóriumi körülmények között elérhető legalacsonyabb nyomás 10-13 Torr (13 pPa) körül van. Az 5 × 10 -17 Torr (6,7 fPa) alatti nyomás azonban közvetve mérhető volt kriogén vákuumrendszerben. Ez ≈100 részecske/cm 3 -nek felel meg .

Lásd még

Alkalmazások

Jegyzetek

  1. ↑ Chambers, Austin. Modern  vákuumfizika . — Boca Raton: CRC Press , 2004. — ISBN 0-8493-2438-6 .
  2. ↑ Tadokoro, M. A helyi csoport vizsgálata a vírustétel   segítségével // A Japán Csillagászati ​​Társaság kiadványai : folyóirat. - 1968. - 1. évf. 20 . — 230. o . - Iránykód .
  3. ↑ Rodin A. M., Druzhinin A. V. Vákuum // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Szovjet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohm-effektus - Hosszú sorok. - S. 235-236. — 707 p. — 100.000 példány.
  4. ↑ Werner S. Weiglhofer. 4.1. § A klasszikus vákuum mint referenciaközeg // Bevezetés az optikai és elektromágneses komplex médiumokba  (angol) / Werner S. Weiglhofer és Akhlesh Lakhtakia, szerk. - SPIE Press, 2003. - P. 28, 34. - ISBN 978-0-8194-4947-4 .
  5. ↑ Tom G. MacKay. Elektromágneses mezők lineáris bianizotrop közegekben // Progress in Optics, 51. kötet / Wolf Emil. - Elsevier , 2008. - P. 143. - ISBN 978-0-444-52038-8 .  
  6. ↑ Fizikai enciklopédia, v.5. Stroboszkópos eszközök - Fényerő / Fej. szerk. A. M. Prohorov. Szerkesztői csapat: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich és mások - M.: Great Russian Encyclopedia, 1994, 1998.-760 p.: ill. ISBN 5-85270-101-7 , 644. o
  7. ↑ Tadokoro, M. [1]  =  A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem // Publications of the Astronomical Society of Japan. - 1968. - 1. évf. 20 . — 230. o .
  8. ↑ Sugárzási hőmérséklet . elementy.ru Letöltve: 2019. szeptember 27. Az eredetiből archiválva : 2019. szeptember 7..
  9. ↑ Galileo G. Válogatott művek két kötetben. / Összeállította: W. I. Frankfurt. - 2. kötet. - M .: Nauka, 1964.
  10. ↑ Schotti HG Technica Curiosa. 1664.
  11. ↑ Horror Vacui? - Raffaello Magiotti (1597-1656) - IMSS archiválva 2015. szeptember 24-én a Wayback Machine -nél .
  12. ↑ Cornelis De Waard. L'experience barometrique. Ses előzmények és magyarázatok. Thouars, 1936. 181. o.
  13. ↑ Hogyan készítsünk kísérleti Geissler csövet , Popular Science havilap, 1919. február, számozatlan oldal, beolvasott a Google Books által: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 Archiválva : 2016. december 3. a Wayback Machine -nél
  14. ↑ V. P. Boriszov (S. I. Vavilov RAS-ról elnevezett Természettudományi és Technikatörténeti Intézet.) . Találmány, amely utat engedett a felfedezéseknek: 2002-ben volt a vákuumszivattyú feltalálója, Otto von Guericke születésének 400. évfordulója. Archív másolat 2014. december 5-én a Wayback Machine -nél // Az Orosz Tudományos Akadémia közleménye. - 2003. - T. 73., 8. sz. - S. 744-748.
  15. ↑ V. P. Boriszov, A vákuumszivattyú feltalálása és a „Fear of the Void” dogma összeomlása 2014. május 15-i archív példány a Wayback Machine -nél // Természettudomány- és technikatörténeti kérdések, 2002. 4. szám
  16. ↑ Landis, Geoffrey Human Exposure to Vacuum (a link nem érhető el) . www.geoffreylandis.com (2007. augusztus 7.). Hozzáférés dátuma: 2006. március 25. Az eredetiből archiválva : 2009. július 21. 
  17. ↑ Billings, Charles E. 1. fejezet) Barometric Pressure // Bioastronautics Data Book  / Parker, James F.; West, Vita R.. – Második. - NASA, 1973. - 5. o.
  18. ↑ Webb P. The Space Activity Suit: An Elastic Leotard for Extravehicular Activity  //  Aerospace Medicine: Journal. - 1968. - 1. évf. 39 , sz. 4 . - P. 376-383 . — PMID 4872696 .
  19. ↑ Cooke JP, RW Bancroft. Néhány szív- és érrendszeri válasz érzéstelenített kutyákban a közeli vákuumig történő ismételt dekompresszió során  //  Aerospace Medicine : folyóirat. - 1966. - 1. évf. 37 , sz. 11 . - P. 1148-1152 . — PMID 5972265 .
  20. ↑ Harding, Richard M. Survival in Space: Medical Problems of Manned Spaceflight  . - London: Routledge , 1989. - ISBN 0-415-00253-2 . .
  21. ↑ Amerikai Vákuum Társaság. Szójegyzék . AVS Referencia útmutató . Letöltve: 2006. március 15. Az eredetiből archiválva : 2013. június 15.
  22. ↑ National Physical Laboratory, Egyesült Királyság. Mit jelent a „nagy vákuum” és az „alacsony vákuum”? (GYIK - Nyomás) . Letöltve: 2012. április 22. Archiválva az eredetiből: 2013. június 15.

Irodalom

  Перейти к элементу Викиданных  Szótárak és enciklopédiák