Vakuum

Vakuum (z lat.  vacuus  – prázdnota) – prostor zbavený hmoty. Vakuem se ve strojírenství a aplikované fyzice rozumí prostředí skládající se z plynu o tlaku výrazně nižším než atmosférický [1] .

Vakuum je charakterizováno poměrem mezi střední volnou cestou molekul plynu λ a charakteristickou velikostí prostředí d , tzv. Knudsenovým číslem . Pod d lze vzít vzdálenost mezi stěnami vakuové komory , průměr vakuového potrubí atd. Podle hodnoty poměru λ / d je nízké ( ), střední ( ) a vysoké ( ) vakuum. rozlišoval.

Technické vakuum

V praxi se vysoce zředěný plyn nazývá technické vakuum . V makroskopických objemech je ideální vakuum (prostředí bez molekul plynu) prakticky nedosažitelné, protože při konečné teplotě mají všechny materiály nenulovou hustotu nasycených par . Navíc mnoho materiálů (zejména silný kov, sklo a další stěny nádob) umožňuje průchod plynů. V mikroskopických objemech je však dosažení ideálního vakua v zásadě možné.

Měřítkem stupně vakuové redukce je střední volná dráha molekul plynu , spojená s jejich vzájemnými srážkami v plynu, a charakteristická lineární velikost nádoby, ve které se plyn nachází.

Přísně vzato, technické vakuum je plyn v nádobě nebo potrubí s tlakem nižším než v okolní atmosféře. Podle jiné definice, když se molekuly nebo atomy plynu přestanou navzájem srážet a plynodynamické vlastnosti jsou nahrazeny viskózními (při tlaku asi 1 mm Hg ), hovoří o dosažení nízkého vakua ( ; 10 16 molekul na 1 cm³ ). Obvykle je mezi atmosférický vzduch a vysokotlaké čerpadlo umístěno takzvané přední vakuum, které vytváří předběžné vakuum, takže nízké vakuum se často nazývá přední čára . S dalším poklesem tlaku v komoře se střední volná dráha molekul plynu zvětšuje. Při , molekuly plynu narážejí na stěny mnohem častěji než do sebe. V tomto případě se hovoří o vysokém vakuu ( 10 −5 mm Hg ; 10 11 molekul na 1 cm3 ). Ultravysoké vakuum odpovídá tlaku 10 −9 mm Hg. Umění. a níže. V ultravysokém vakuu se například běžně provádějí experimenty pomocí skenovacího tunelového mikroskopu . Pro srovnání, tlak ve vesmíru je o několik řádů nižší - 10 9 molekul na 1 cm³ (miliarda molekul v centimetru krychlovém), zatímco v hlubokém vesmíru může dosáhnout i 10 −16 mm Hg . a níže ( 1 molekula na 1 cm³ ) [2] .

Vysokého vakua v mikroskopických pórech některých krystalů a v ultratenkých kapilárách je dosaženo již při atmosférickém tlaku, protože průměr pórů/kapilár je menší než střední volná dráha molekuly, která se za normálních podmínek rovná ~60 nanometrům ve vzduchu. [3] .

Přístroje používané k dosažení a udržení vakua se nazývají vakuové pumpy . Getry slouží k absorpci plynů a vytvoření požadovaného stupně vakua . Širší pojem vakuová technika zahrnuje i zařízení pro měření a řízení vakua, manipulaci s předměty a provádění technologických operací ve vakuové komoře apod. Vysoká vakuová čerpadla jsou složitá technická zařízení. Hlavními typy vysokovakuových vývěv jsou difúzní vývěvy založené na strhávání molekul zbytkového plynu proudem pracovního plynu, getry, ionizační vývěvy založené na vnášení molekul plynu do getrů (například titanové ) a kryosorpční vývěvy (především do vytvořit přední vakuum).

I v ideálním vakuu při konečné teplotě vždy existuje nějaké tepelné záření (plyn fotonů ). Těleso umístěné v ideálním vakuu se tedy díky výměně tepelných fotonů dříve nebo později dostane do tepelné rovnováhy se stěnami vakuové komory.

Vakuum je dobrý tepelný izolant; k přenosu tepelné energie v něm dochází pouze vlivem tepelného záření, konvekce a tepelná vodivost jsou vyloučeny. Této vlastnosti se využívá pro tepelnou izolaci v termoskách ( Dewarových nádobách ), skládajících se z nádoby s dvojitými stěnami, mezi nimiž je prostor evakuován.

Vakuum je široce používáno v elektrických vakuových zařízeních - rádiové trubice (například magnetrony mikrovlnných trub), katodové trubice atd.

Fyzikální vakuum

Vakuum kvantové teorie pole

Fyzikální vakuum v kvantové fyzice je chápáno jako nejnižší (základní) energetický stav kvantovaného pole, které má nulovou hybnost, moment hybnosti a další kvantová čísla. Takový stav navíc nemusí nutně odpovídat prázdnotě: polem v nejnižším stavu může být například pole kvazičástic v pevném tělese nebo dokonce v jádře atomu, kde je hustota extrémně vysoká. Fyzikální vakuum je také nazýváno prostorem zcela bez hmoty , vyplněným polem v takovém stavu [4] [5] . Takový stav není absolutní prázdnotou . Kvantová teorie pole tvrdí, že v souladu s principem neurčitosti se virtuální částice neustále rodí a mizí ve fyzickém vakuu : dochází k takzvaným oscilacím polí s nulovým bodem . V některých specifických teoriích pole může mít vakuum netriviální topologické vlastnosti. Teoreticky může existovat několik různých vakuů, lišících se hustotou energie nebo jinými fyzikálními parametry (v závislosti na použitých hypotézách a teoriích). Degenerace vakua při spontánním porušení symetrie vede k existenci spojitého spektra vakuových stavů, které se od sebe liší počtem Goldstoneových bosonů . Místní minima energie při různých hodnotách jakéhokoli pole, které se liší energií od globálního minima, se nazývají falešné vakuum ; takové stavy jsou metastabilní a mají tendenci se rozpadat s uvolněním energie, přecházet do skutečného vakua nebo do jednoho ze základních falešných vakuů.

Některé z těchto předpovědí teorie pole již byly úspěšně potvrzeny experimentem. Casimirův jev [6] a Lambův posun atomárních hladin jsou tedy vysvětlovány nulovými oscilacemi elektromagnetického pole ve fyzikálním vakuu. Moderní fyzikální teorie jsou založeny na některých jiných představách o vakuu. Například existence vícenásobných vakuových stavů ( falešná vakua zmíněná výše ) je jedním z hlavních základů inflační teorie velkého třesku .

Falešné vakuum

Falešné vakuum  je v kvantové teorii pole stav , který není stavem s globálně minimální energií , ale odpovídá jeho lokálnímu minimu. Takový stav je po určitou dobu stabilní (metastabilní), ale může se „ vytunelovat “ do stavu skutečného vakua.

Einsteinovské vakuum

Einsteinovo vakuum  je někdy používaný název pro řešení Einsteinových rovnic v obecné teorii relativity pro prázdný prostoročas bez hmoty . Synonymum Einsteinova prostoru .

Einsteinovy ​​rovnice spojují metriku časoprostoru (metrický tenzor g μν ) s tenzorem energie-hybnosti. Obecně se píší jako

kde Einsteinův tenzor G μν je určitá funkce metrického tenzoru a jeho parciálních derivací, R  je skalární zakřivení , Λ  je kosmologická konstanta , T μν  je tenzor energie-hybnosti hmoty , π  je číslo pi , c  je rychlost světla ve vakuu, G  je gravitační konstanta Newton.

Vakuové řešení těchto rovnic získáme za nepřítomnosti hmoty, to znamená, když je tenzor energie-hybnosti v uvažované oblasti časoprostoru shodně roven nule: T μν = 0 . Termín lambda je často také považován za nulu, zejména při zkoumání místních (nekosmologických) řešení. Při zvažování vakuových řešení s nenulovým členem lambda ( lambda vakuum ) však vyvstávají důležité kosmologické modely, jako je De Sitterův model ( Λ > 0 ) a anti-De Sitterův model ( Λ < 0 ).

Triviální vakuové řešení Einsteinových rovnic je plochý Minkowského prostor , tj. metrika uvažovaná ve speciální relativitě .

Mezi další vakuová řešení Einsteinových rovnic patří zejména následující případy:

Vesmír

Vesmír má velmi nízkou hustotu a tlak a je nejlepší aproximací fyzikálního vakua. Vakuum vesmíru není skutečně dokonalé, dokonce i v mezihvězdném prostoru je několik atomů vodíku na centimetr krychlový. Hustota ionizovaného atomárního vodíku v mezigalaktickém prostoru Místní skupiny se odhaduje na 7×10 −29 g/cm³ [7] .

Hvězdy, planety a satelity drží svou atmosféru pohromadě gravitací a atmosféra jako taková nemá přesně definovanou hranici: hustota atmosférického plynu jednoduše klesá se vzdáleností od objektu. Atmosférický tlak Země klesá na asi 3,2×10 −2 Pa na 100 km nadmořské výšky – na tzv. Karmanově linii , což je běžná definice hranice s vesmírem. Za touto hranicí se izotropní tlak plynu rychle stane zanedbatelným ve srovnání s tlakem záření ze Slunce a dynamickým tlakem slunečního větru , takže definice tlaku se stává obtížně interpretovatelnou. Termosféra v tomto rozmezí má velké gradienty tlaku, teploty a složení a je velmi proměnlivá kvůli kosmickému počasí.

Hustota atmosféry během prvních několika set kilometrů nad linií Karman je stále dostatečná k tomu, aby poskytovala značný odpor pohybu umělých družic Země . Většina satelitů operuje v této oblasti, nazývané nízká oběžná dráha Země, a musí být každých pár dní napájena, aby si udržela stabilní dráhu.

Vnější prostor je vyplněn velkým množstvím fotonů, takzvaným kosmickým mikrovlnným pozadím , a také velkým množstvím dosud nedetekovatelných neutrin. Aktuální teplota těchto záření je asi 3 K, neboli −270 °C [8] .

Historie studia vakua

Myšlenka vakua (prázdnoty) byla předmětem sporů již od dob starověkých řeckých a římských filozofů. Atomisté  – Leucippus (asi 500 př. n. l.), Demokritos (asi 460–370 př. n. l.), Epikuros (341–270 př. n. l.), Lucretius (asi 99–55 př. n. l.) a jejich následovníci – předpokládali, že vše, co existuje, jsou atomy a mezi nimi prázdnota a bez vakua by nebyl pohyb, atomy by se nemohly pohybovat, kdyby mezi nimi nebyl prázdný prostor. Strato (asi 270 př. n. l.) a mnoho filozofů v pozdějších dobách věřilo, že prázdnota může být „pevná“ ( coacervatum vakua ) a „rozptýlená“ (mezi částicemi hmoty, disseminatum vakua ).

Naopak Aristoteles (384–322 př. n. l.) a řada dalších filozofů věřili, že „příroda vakuum nenávidí“. Pojem „strach z prázdna“ ( horror vacui ), který vznikl ještě před Aristotelem, mezi Empedoklem (asi 490-430 př. n. l.) a dalšími filozofy iónské školy, se stal dominantním ve filozofickém myšlení středověké Evropy a získal náboženské a mystické rysy.

Některé předpoklady pro empirické studium vakua existovaly již ve starověku. Starověcí řečtí mechanici vytvářeli různá technická zařízení založená na ředění vzduchu. Například vodní pumpy fungující na principu vytváření vakua pod pístem byly známy již v době Aristotela. Nákres požárního čerpadla vynalezený „otcem pneumatiky“ Ktesibiem (kolem roku 250 př. n. l.) se dochoval do naší doby. Vodní pumpy tohoto typu byly vlastně prototypy vakuové pístové pumpy, která se objevila téměř o dvě tisíciletí později. Ktesibiův student, Heron z Alexandrie, vyvinul pístovou stříkačku pro odsávání hnisu, což je také v podstatě vakuové zařízení.

Empirické studium vakua začalo teprve v 17. století, s koncem renesance a začátkem vědecké revoluce moderní doby . V tomto okamžiku bylo již dlouho známo, že sací čerpadla mohou zvedat vodu do výšky maximálně 10 metrů. Například v pojednání George Agricoly (1494-1555) „O hornictví“ je vyobrazen řetěz vodních čerpadel na čerpání vody z dolu.

Galileo ve svých Rozhovorech a matematických důkazech dvou nových věd [9] (1638), knize, která dokončila zkázu aristotelské fyziky, poukázal s odkazem na praxi, že výška, do které sací čerpadla zvedají vodu, je vždy stejná - asi 18 loket . V této knize zejména popisuje ve skutečnosti vakuové zařízení s pístem, které je nezbytné pro srovnání pevnosti v tahu vody a pevného tělesa, i když pevnost v tahu charakteristickou pro pevné látky a kapaliny vysvětluje strachem z prázdnota za předpokladu existence drobných prázdných pórů mezi částicemi hmoty.rozpínající se pod napětím.

Pod vlivem Galileiho traktátu, který poukázal na omezení „strachu z prázdna“, v letech 1639-1643. Gasparo Berti postavil na fasádu svého domu v Římě zařízení (v pozdější terminologii barometrická trubice), které lze považovat za první instalaci pro fyzikální studium vakua. V horní, skleněné, uzavřené části potrubí vysoké více než 10 m , nad vodním sloupcem vyváženým atmosférickým tlakem byl nalezen prázdný prostor (ve skutečnosti byl naplněn vodní párou pod tlakem rovným pružnosti vody pára při teplotě okolí, stejně jako rozpuštěný vzduch, tj. tlak v dutině byl asi 0,1 atmosféry ). Emanuel Magnano v této dutině upevnil zvon a kladivo. Zapůsobil na kladivo pomocí magnetu a udeřil kladivem do zvonu. V důsledku tohoto vůbec prvního experimentu ve vakuu (přesněji ve zředěném plynu) bylo zjištěno, že zvuk zvonu byl utlumen [10] .

Vědec Rafaelo Maggiotti [11] (1597-1656) z Říma informoval o experimentech Bertiho a Magnana Galileovu studentovi, Florenťanovi Evangelistovi Torricellimu . Současně Maggiotti navrhl, že hustší kapalina by se zastavila na nižší úrovni [12] . V roce 1644 se Torricellimu (s pomocí Vincenza Vivianiho , dalšího Galileova studenta) podařilo vytvořit první vakuovou komoru. Jeho práce týkající se teorií atmosférického tlaku poskytly základ pro další experimentální techniky. Vakuum podle Torricelliho metody ( Torricelli void ) se dosáhne naplněním dlouhé skleněné trubice, na jednom konci utěsněné, rtutí a jejím otočením tak, aby otevřený konec trubice byl pod povrchem rtuti v širší otevřené nádobě [13] . Rtuť bude vytékat z trubice, dokud nebude gravitace rtuťového sloupce kompenzována atmosférickým tlakem. V prostoru bez rtuti na horním utěsněném konci trubice se vytvoří vakuum. Tato metoda je základem činnosti rtuťového barometru . Při standardním atmosférickém tlaku je výška rtuťového sloupce vyvážená atmosférickým tlakem 760 mm .

Kolem roku 1650 vynalezl německý vědec Otto von Guericke první vakuovou pumpu (pístový válec s vodním uzávěrem), díky kterému bylo snadné odčerpávat vzduch z uzavřených nádob a experimentovat s vakuem [14] . Čerpadlo, nazvané autorem antlia pneumatica , mělo k dokonalosti ještě velmi daleko a vyžadovalo nejméně tři osoby, aby manipulovali s pístem a kohouty ponořenými ve vodě, aby se výsledná dutina lépe izolovala od vnějšího vzduchu. S jeho pomocí však Guericke dokázal demonstrovat mnoho vlastností vakua, a to zejména tím, že připravil slavný experiment s magdeburskými polokoulemi . Guericke také vytvořil vodní barometr, v principu podobný Torricelliho rtuťovému barometru, i když díky nižší hustotě vody ve srovnání se rtutí je výška vodního sloupce, který vyrovnává atmosférický tlak, 13,6krát větší – asi 10 metrů. Guericke poprvé zjistil, že vakuum nevede zvuk a spalování v něm ustává [15] .

Guerickeho vakuová pumpa byla výrazně vylepšena Robertem Boylem , což mu umožnilo provést sérii experimentů k objasnění vlastností vakua a jeho účinku na různé objekty. Boyle zjistil, že malá zvířata umírají ve vakuu, oheň uhasíná a kouř klesá (a proto je gravitací stejně ovlivněn jako jiná těla). Boyle také zjistil, že ke vzestupu kapaliny v kapilárách dochází i ve vakuu, a tím vyvrátil tehdejší převládající názor, že se na tomto jevu podílí tlak vzduchu. Naopak průtok kapaliny sifonem ve vakuu se zastavil, což prokázalo, že tento jev je způsoben atmosférickým tlakem. Ukázal, že při chemických reakcích (např. hašení vápna), stejně jako při vzájemném tření těles, se teplo uvolňuje i ve vakuu.

Účinky na lidi a zvířata

Lidé a zvířata vystavení vakuu ztrácejí vědomí po několika sekundách a umírají na hypoxii během několika minut, ale tyto příznaky mají tendenci být na rozdíl od těch, které se objevují v populární kultuře a médiích. Pokles tlaku snižuje bod varu, při kterém by se měla krev a další biologické tekutiny vařit, ale elastický tlak cév neumožňuje krvi dosáhnout bodu varu 37 °C [16] . Přestože se krev nevaří , vážným problémem je účinek plynových bublin v krvi a jiných tělesných tekutinách při nízkém tlaku, známý jako ebulismus (vzduchový emfyzém). Plyn může nafouknout tělo na dvojnásobek jeho normální velikosti, ale tkáně jsou dostatečně elastické, aby zabránily jejich prasknutí [17] . Edému a ebulismu lze předejít speciálním leteckým oblekem. Astronauti raketoplánů nosili speciální pružný oděv nazývaný Crew Altitude Protection Suit (CAPS), který zabraňuje ebullizmu při tlacích větších než 2 kPa ( 15 mmHg ) [18] . Rychlé odpařování vody ochladí pokožku a sliznice na 0 °C, zejména v ústech, ale nepředstavuje to velké nebezpečí.

Pokusy na zvířatech ukazují, že po 90 sekundách pobytu ve vakuu obvykle dochází k rychlému a úplnému zotavení těla, ale delší pobyt ve vakuu je fatální a resuscitace je zbytečná [19] . Existuje pouze omezené množství údajů o účincích vakua na člověka (zpravidla se to stalo, když se lidé dostali do nehody), ale shodují se s údaji získanými při pokusech na zvířatech. Končetiny mohou být ve vakuu mnohem déle, pokud není narušeno dýchání [20] . Robert Boyle jako první v roce 1660 ukázal , že vakuum je pro malá zvířata smrtelné.

Rozměr

Stupeň vakua je určen množstvím látky zbývající v systému. Vakuum je primárně určeno absolutním tlakem a úplná charakterizace vyžaduje další parametry, jako je teplota a chemické složení. Jedním z nejdůležitějších parametrů je střední volná dráha (MFP) zbytkových plynů, která udává průměrnou vzdálenost, kterou částice urazí během své volné dráhy od jedné srážky k další. Pokud se hustota plynu sníží, MFP se zvýší. MFP ve vzduchu při atmosférickém tlaku je velmi krátká, kolem 70 nm , zatímco při 100 mPa ( ~1×10 −3 Torr ) je MFP vzduchu přibližně 100 mm . Vlastnosti zředěného plynu se značně změní, když se střední volná dráha stane srovnatelnou s rozměry nádoby obsahující plyn.

Vakuum je rozděleno do rozsahů podle technologie potřebné k jeho dosažení nebo měření. Tyto rozsahy nemají obecně přijímané definice, ale typická distribuce vypadá takto [21] [22] :

Tlak ( mmHg ) Tlak ( Pa )
Atmosférický tlak 760 1,013 × 10 +5
nízké vakuum od 760 do 25 od 1×10 +5 do 3,3×10 +3
Střední vakuum od 25 do 1×10 −3 od 3,3 × 10 +3 do 1,3 × 10 −1
vysoké vakuum od 1×10 −3 do 1×10 −9 od 1,3×10 −1 do 1,3×10 −7
Ultra vysoké vakuum od 1×10 −9 do 1×10 −12 od 1,3×10 −7 do 1,3×10 −10
extrémní vakuum <1× 10–12 <1,3× 10–10
Prostor 1×10 −6 až <3×10 −17 od 1,3×10 −4 do <1,3×10 −15
Absolutní vakuum 0 0

Aplikace

Vakuum je užitečné pro mnoho procesů a používá se v různých zařízeních. Poprvé u masově používaného zboží byl použit v žárovkách , aby chránil vlákno před chemickým rozkladem . Chemická inertnost materiálů poskytovaná vakuem je také užitečná pro svařování elektronovým paprskem, svařování za studena , vakuové balení a vakuové smažení. Ultravysoké vakuum se používá při studiu atomově čistých substrátů, protože pouze velmi vysoké vakuum udrží povrchy čisté na atomární úrovni po dostatečně dlouhou dobu (od minut až po dny). Vysoké a ultra vysoké vakuum eliminuje odpor vzduchu, což umožňuje paprskům částic ukládat nebo odstraňovat materiály bez kontaminace. Tento princip je základem chemického nanášení par , vakuového nanášení a suchého leptání, které se používají v průmyslu polovodičových a optických povlaků a také v povrchové chemii. Snížená konvekce zajišťuje tepelnou izolaci v termoskách . Vysoké vakuum snižuje bod varu kapaliny a podporuje nízkou teplotu odplynění , což se používá při lyofilizaci , přípravě lepidla , destilaci , metalurgii a vakuové rafinaci. Elektrické vlastnosti vakua umožňují použití elektronových mikroskopů a elektronek , včetně katodových trubic . Vakuové vypínače se používají v elektrických rozvaděčích . Vakuové štěpení má průmyslový význam pro výrobu určitých druhů oceli nebo vysoce čistých materiálů. Eliminace tření vzduchu je užitečná pro ukládání energie v setrvačnících a ultracentrifugách .

Vakuově poháněné stroje

K výrobě sání se obvykle používá vakuum , které má ještě širší rozsah použití. Parní stroj Newcomen používal k pohonu pístu místo tlaku vakuum. V 19. století bylo vakuum použito pro trakci na experimentální pneumatické železnici Isambarda Brunela . Vakuové brzdy byly kdysi široce používány na vlacích ve Velké Británii, ale s výjimkou historických železnic byly nahrazeny vzduchovými brzdami .

Podtlak v sacím potrubí lze použít k pohonu příslušenství na automobilech. Nejznámější aplikací je podtlakový posilovač pro zvýšení brzdného výkonu . Vakuum se dříve používalo v ovladačích podtlakových stěračů a palivových čerpadlech Autovac . Některé letecké přístroje (indikátor letové polohy a kurzový ukazatel) jsou obvykle podtlakově řízeny jako pojistka proti selhání všech (elektrických) přístrojů, protože raná letadla často neměla elektrické systémy a protože na nich jsou dva snadno dostupné zdroje vakua. pohybující se letadlo, motor a Venturiho trubice . Vakuové indukční tavení využívá elektromagnetickou indukci ve vakuu.

Udržování vakua v kondenzátoru je nezbytné pro efektivní provoz parních turbín . K tomu se používá parní injektor nebo vodní kruhové čerpadlo . Typické vakuum udržované v objemu páry kondenzátoru na výstupu z turbíny (také označované jako tlak kondenzátoru turbíny) se pohybuje od 5 do 15 kPa v závislosti na typu kondenzátoru a podmínkách prostředí.

Odplynění

Odpařování a sublimace ve vakuu se nazývá odplyňování . Všechny materiály, pevné nebo kapalné, mají určité množství páry (odplynění) a odplynění je nutné, když tlak vakua klesne pod tlak jejich páry. Odpařování materiálů ve vakuu má stejný účinek jako únik a může omezit vakuum, kterého lze dosáhnout. Produkty odpařování mohou kondenzovat na blízkých chladnějších površích, což může způsobit problémy, pokud pokrývají optické přístroje nebo reagují s jinými materiály. To způsobuje velké potíže při létání ve vesmíru, kde zakrytý dalekohled nebo solární článek může vykolejit nákladnou operaci.

Nejběžnějším unikajícím produktem ve vakuových systémech je voda absorbovaná materiály komory . Jeho množství lze snížit vysušením nebo zahřátím komory a odstraněním savých materiálů. Odpařující se voda může kondenzovat v oleji rotačních lamelových čerpadel a drasticky snížit jejich provozní rychlost, pokud není použito plynové balastní zařízení. Systémy s vysokým vakuem musí být čisté a bez organických látek, aby se minimalizovalo odplyňování.

UHV systémy se typicky žíhají, nejlépe ve vakuu, aby se dočasně zvýšilo odpařování všech materiálů a odpařily se. Poté, co byla většina těkavých materiálů odpařena a odstraněna, může být systém ochlazen, aby se snížilo odpařování materiálů a minimalizovalo se zbytkové odplynění během provozu. Některé systémy jsou chlazeny kapalným dusíkem hluboko pod pokojovou teplotu , aby se zcela zastavil vývoj zbytkového plynu a současně se vytvořil efekt kryogenního čerpání systému.

Čerpání a atmosférický tlak

Plyny nelze vůbec vytlačit, takže vakuum nelze vytvořit odsáváním. Sání může expandovat a zředit vakuum, což umožňuje vysokému tlaku zavést do něj plyny, ale než může dojít k sání, musí být vytvořeno vakuum. Nejjednodušší způsob, jak vytvořit umělé vakuum, je rozšířit objem komory. Například sval bránice rozšiřuje hrudní dutinu, což vede ke zvýšení kapacity plic. Tato expanze snižuje tlak a vytváří nízké vakuum, které se brzy naplní vzduchem o atmosférickém tlaku.

Aby bylo možné pokračovat ve vyprazdňování komory donekonečna, bez neustálého používání jejího zvýšení, lze komoru, která ji vysává, uzavřít, odvětrat, znovu rozšířit a tak dále mnohokrát. Toto je princip činnosti objemových (plynových) čerpadel, jako je ruční vodní čerpadlo. Uvnitř pumpy mechanismus rozšiřuje malou utěsněnou dutinu a vytváří vakuum. Kvůli poklesu tlaku je část kapaliny z komory (nebo studny, v našem příkladu) vytlačena do malé dutiny čerpadla. Potom je dutina čerpadla hermeticky uzavřena od komory, otevřena do atmosféry a stlačena na minimální velikost, čímž se vytlačí kapalina.

Výše uvedené vysvětlení je jednoduchým úvodem do vysávání a není reprezentativní pro celou řadu používaných čerpadel. Bylo vyvinuto mnoho variant objemových čerpadel a mnoho konstrukcí čerpadel je založeno na radikálně odlišných principech. Impulzní přenosová čerpadla, která mají určitou podobnost s dynamickými čerpadly používanými při vyšších tlacích, mohou poskytovat mnohem lepší kvalitu vakua než objemová čerpadla. Plynová spojovací čerpadla, schopná zachytit pevné nebo absorbované plyny, často pracují bez pohyblivých částí, bez těsnění a bez vibrací. Žádné z těchto čerpadel není univerzální; každý typ má vážná aplikační omezení. Každý má potíže s čerpáním plynů s nízkou hmotností, zejména vodíku, hélia a neonu.

Nejnižší tlak, kterého lze v systému dosáhnout, závisí kromě konstrukce čerpadel také na mnoha faktorech. Pro dosažení vyššího vakua lze zapojit několik čerpadel do série v tzv. stupních. Účinek bude mít výběr těsnění, geometrie komory, materiálů a postupů čerpání. Souhrnně se tomu všemu říká vakuová technologie. A někdy není výsledný tlak jedinou významnou charakteristikou. Čerpací systémy se vyznačují znečištěním olejem, vibracemi, selektivním čerpáním určitých plynů, rychlostmi čerpání, přerušovaným provozem, spolehlivostí nebo odolností vůči vysokým únikům.

V systémech UHV je třeba vzít v úvahu některé velmi "divné" únikové cesty a zdroje par. Absorpční kapacita hliníku a palladia se stává nepřijatelným zdrojem odpařování, dokonce je třeba vzít v úvahu adsorpční kapacitu pevných kovů, jako je nerezová ocel nebo titan. Některé oleje a tuky se ve vysokém vakuu vaří. Může být nutné vzít v úvahu vliv krystalové struktury kovu na propustnost kovových stěn komor, například rovnoběžnost směru zrn kovových přírub ke koncové ploše příruby. .

Nejnižší tlaky v současnosti dosažitelné v laboratorních podmínkách se pohybují kolem 10 -13 Torr (13 pPa). Nicméně tlaky nižší než 5× 10-17 Torr (6,7 fPa ) byly nepřímo měřitelné v kryogenním vakuovém systému. To odpovídá ≈100 částic/cm 3 .

Viz také

Aplikace

Poznámky

  1. ↑ Chambers, Austin. Moderní vakuová  fyzika . — Boca Raton: CRC Press , 2004. — ISBN 0-8493-2438-6 .
  2. ↑ Tadokoro, M. Study of the Local Group by Use of the  Virial Theorem  // Publications of the Astronomical Society of Japan : deník. - 1968. - Sv. 20 . — S. 230 . - .
  3. ↑ Rodin A. M., Druzhinin A. V. Vacuum // Physical Encyclopedia  : [v 5 svazcích] / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: Aharonov - Bohmův efekt - Dlouhé čáry. - S. 235-236. — 707 s. — 100 000 výtisků.
  4. ↑ Werner S. Weiglhofer. § 4.1 Klasické vakuum jako referenční médium // Úvod do komplexních médií pro optiku a elektromagnetické pole  (anglicky) / Werner S. Weiglhofer a Akhlesh Lakhtakia, eds. - SPIE Press, 2003. - S. 28, 34. - ISBN 978-0-8194-4947-4 .
  5. ↑ Tom G. MacKay. Elektromagnetická pole v lineárních bianizotropních médiích // Progress in Optics, Volume 51 / Emil Wolf. - Elsevier , 2008. - S. 143. - ISBN 978-0-444-52038-8 .  
  6. ↑ Fyzická encyklopedie, v.5. Stroboskopické přístroje - Jas / Kap. vyd. A. M. Prochorov. Redakční tým: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich a další - M.: Velká ruská encyklopedie, 1994, 1998.-760 s.: nemoc. ISBN 5-85270-101-7 , str. 644
  7. ↑ Tadokoro, M. [1]  =  Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem // Publications of the Astronomical Society of Japan. - 1968. - Sv. 20 . — S. 230 .
  8. ↑ Teplota záření . elementy.ru Získáno 27. září 2019. Archivováno z originálu 7. září 2019.
  9. ↑ Galileo G. Vybraná díla ve dvou svazcích. / Sestavil W. I. Frankfurt. - Svazek 2. - M .: Nauka, 1964.
  10. ↑ Schotti HG Technica Curiosa. 1664.
  11. ↑ Horror Vacui? - Raffaello Magiotti (1597-1656) - IMSS archivováno 24. září 2015 na Wayback Machine .
  12. ↑ Cornelis De Waard. Zažijte barometrii. Ses antecedents et ses vysvětlení. Thouars, 1936. S. 181.
  13. ↑ Jak vyrobit experimentální Geisslerovu trubici , populárně vědecký měsíčník, únor 1919, nečíslovaná strana, naskenováno službou Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 Archivováno 3. prosince 2016 na Wayback Machine
  14. ↑ V. P. Borisov (Ústav dějin přírodních věd a techniky pojmenovaný po S. I. Vavilovovi RAS.) . Vynález, který ustoupil objevům: V roce 2002 uplynulo 400 let od narození vynálezce vakuové pumpy Otto von Guericke Archivní kopie ze dne 5. prosince 2014 ve Wayback Machine // Bulletin Ruské akademie věd. - 2003. - T. 73, č. 8. - S. 744-748.
  15. ↑ V.P. Borisov, Vynález vakuové pumpy a zhroucení dogmatu „Fear of the Void“ Archivní kopie z 15. května 2014 na Wayback Machine // Otázky historie přírodních věd a techniky, č. 4, 2002
  16. ↑ Landis, Geoffrey Human Exposure to Vacuum (odkaz není k dispozici) . www.geoffreylandis.com (7. srpna 2007). Datum přístupu: 25. března 2006. Archivováno z originálu 21. července 2009. 
  17. ↑ Billings, Charles E. Kapitola 1) Barometrický tlak // Bioastronautika Data Book  / Parker, James F.; West, Vita R.. - Druhý. - NASA, 1973. - S. 5.
  18. ↑ Webb P. The Space Activity Suit: An Elastic Leotard for Extravehicular Activity  //  Aerospace Medicine: journal. - 1968. - Sv. 39 , č. 4 . - str. 376-383 . — PMID 4872696 .
  19. ↑ Cooke JP, RW Bancroft. Některé kardiovaskulární odezvy u psů v anestezii během opakovaných dekompresí v blízkosti vakua  //  Aerospace Medicine: journal. - 1966. - Sv. 37 , č. 11 . - S. 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. ↑ Americká vakuová společnost. Glosář . Referenční příručka AVS . Získáno 15. března 2006. Archivováno z originálu 15. června 2013.
  22. ↑ Národní fyzikální laboratoř, Spojené království. Co znamená „vysoké vakuum“ a „nízké vakuum“? (FAQ - Pressure) . Získáno 22. dubna 2012. Archivováno z originálu 15. června 2013.

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie