Вакуум
Във физиката и в ежедневната употреба вакуум е отсъствието на вещество в определен обем от пространството. Думата идва от латински - vacuum (pl. vacua) и означава празно пространство. Колкото и да е „празно“ едно пространство обаче, абсолютен вакуум няма, затова се говори за различни степени на вакуум. Понятието вакуум се прилага, когато налягането е значително по-ниско от атмосферното налягане.[1]
При равни други условия, по-ниско налягане на газа означава по-високо качество вакуум. Например, една типична прахосмукачка произвежда достатъчно засмукване, за да намали налягането на въздуха с около 20%[2] Ултра-високи вакуумни камери често срещани в химията, физиката и инженерните науки, работят под 1/1000000000000 (10 -12 ) на атмосферното налягане, и може да достигнат ≈ 100 частици / cm 3 . Самият космос е с още по-високо качество на вакуума, еквивалентно на само няколко атома водород на кубичен метър средно.[3] Въпреки това, дори и ако всеки един атом и частица могат да бъде извадени от даден обем, той все още не е "празен" поради вакуумни флуктуации, тъмна енергия, както и други явления в квантовата физика.
Вакуум е честа тема на философски дебати от страна на древногръцките философи, но не е проучен емпирично до 17-ти век. Еванджелиста Торичели произвежда първата вакуумна лаборатория през 1643 г., както и други експериментални техники в резултат на неговите теории за атмосферното налягане.[4]
Вакуумът става ценен инструмент за индустрията през 20-ти век с въвеждането на крушките с нажежаема жичка и вакуумните тръби, както и широка гама от вакуумни технологии, които възникват впоследствие. Последвалото развитие на пилотирани космически полети предизвика интерес към въздействието на вакуума върху човешкото здраве и на други форми на живот като цяло.
Съдържание |
Единици за налягане [редактиране]
Инженерите измерват степента на вакуум с единици за налягане. В SI единицата е паскал (съкратено Pa), но по-често вакуумът се измерва в милиметри живачен стълб (mmHg) или torr, като 1 mmHg или 1 torr е равен на 133,3223684 Ра. Често се използват и барометрични единици или проценти от атмосферното налягане.
Степени на вакуум [редактиране]
Определени са следните степени на вакуум според налягането:
| Степен на вакуум | Налягане (Torr) | Налягане (Pa) | Молекули на cm³ | Свободен пробег на молекулите |
|---|---|---|---|---|
| Нисък вакуум | 760 до 25 Torr | 100 до 3,3 kPa | 1019 - 1016 | 0,1 - 100 μm |
| Среден вакуум | 25 до 1×10-3 Torr | 3,3 kPa до 130 mPa | 1016 - 1013 | 0,1 - 100 mm |
| Висок вакуум | 1×10-3 до 1×10-6 Torr | 130 mPa до 130 µPa | 1013 - 109 | 10 cm - 1 km |
| Много висок вакуум | 1×10-6 до 1×10-9 Torr | 130 µPa до 130 nPa | 109 - 104 | 1 km - 105 km |
| Ултрависок вакуум | 1×10-9 Torr и по-малко | 130 nPa и по-малко | <104 | >105 km |
Идеален и частичен вакуум [редактиране]
Идеален вакуум е понятие, което се използва във физиката, но не може да се постигне в лаборатория, нито пък в далечния Космос, където при налягане от 10−14 Pa или 10−16 torr има само няколко водородни атома на кубичен сантиметър.
В съвременните съоръжения се счита, че в затворено пространство (наричано обикновено вакуумна камера) има вакуум, ако налягането на газовете в него е по-ниско от атмосферното (760 Torr или 101 kPa), или е силно понижено, така че да протече някакъв технологичен процес.
Физиците използват и понятието частичен вакуум за описание на неидеален вакуум. Пълното характеризиране на физическото състояние тогава включва и други физични величини като температура.
Стойности на вакуума в различни практически случаи [редактиране]
- Атмосферно налягане = варира, но за изчисления се приема 101,325 kPa (760 Torr) или 760 mm живачен стълб
- Степен на засмукване от обикновена прахосмукачка = приблизително 80 kPa (600 Torr)
- Механична вакуумна помпа = приблизително 100 Pa до 100 μPa (1 Torr до 10−6 Torr)
- В Космоса в близост до Земята = приблизително 100 μPa (10−6 Torr)
- Криопомпа - използва се например в камера за молекулярно-лъчева епитаксия = 100 nPa до 1 nPa (10−9 Torr до 10−11 Torr)
- На Луната = приблизително 1 nPa (10−11 Torr)
- Междузвездно пространство = приблизително 1 fPa (10−17 Torr) [1]
С намаляване на газовото налягане расте средният свободен пробег на газовите молекули. Когато той надвиши размера на камерата, помпата, космическия кораб вече не важат предположенията на механиката на флуидите. Това състояние се нарича висок вакуум, и изучаването на потоците флуид в този режим се нарича газова динамика на частици.
В междупланетното и междузвездното пространство налягането на газа е незначително в сравнение със слънчевото налягане, слънчевия вятър и динамичното налягане, затова астрофизиците предпочитат да използват единици за плътност - частици на кубичен метър.
Създаване на вакуум [редактиране]
Най-лесният начин за създаване на изкуствен вакуум е да се разшири обема на един херметически затворен контейнер. Например човешките мускули разширяват гръдния кош при вдишване и създават частичен вакуум, при което външният въздух нахлува, за да изравни налягането. Чрез последователно изпомпване и изолиране на един контейнер е възможно от една камера с фиксиран обем да се изтегли въздухът или друг газ подобно на изсмукването на напитка със сламка. Това е принципът на действие на повечето механични вакуумни помпи. Вътре в помпата има малка кухина, чийто обем се разширява механично и налягането в нея намалява. Поради създадената разлика в наляганията известна част от газа в камерата за изпомпване навлиза в кухината, след което връзката с камерата се затваря, кухината се отваря към атмосферата и обемът и отново се намалява.
В квантовата механика [редактиране]
Основна статия: В квантовата механика и квантовата теория на полето вакуумът се дефинира като състоянието (т.е. решението на уравненията на теорията) с най-ниска възможна енергия. Това е състояние без материални частици, но също и без фотони, гравитони и т.н. То не може да бъде получено експериментално - дори ако по някакъв начин всяка материална частица бъде отстранена от даден обем, би било невъзможно да се елиминират всички фотони.
Това хипотетично вакуумно състояние има интересни и сложни свойства. Например, в него съществуват вакуумни флуктуации - виртуални частици, които постоянно възникват и изчезват. То има и крайна енергия, наричана енергия на вакуума. Вакуумните флуктуации са съществен елемент от квантовата теория на полета. Сред техните най-видими ефекти са ефектът на Казимир и отместването на Ламб.[5]
Квантовата теория допуска съществуването на повече от едно възможно вакуумно състояние. Смята се, че началото и края на космологичната инфлация се дължат на преходи между различни вакуумни състояния. В теориите, изведени чрез квантоване на класическа теория, всеки локален екстремум на енергията на конфигурационното пространство поражда единствено вакуумно състояние. Теорията на струните допуска голям брой вакуумни състояния, т.нар. ландшафт на теорията на струните.
Бележки [редактиране]
- ↑ Chambers, Austin. Modern Vacuum Physics. Boca Raton, CRC Press, 2004. ISBN 0-8493-2438-6. OCLC 55000526.
- ↑ Campbell, Jeff. Speed cleaning. 2005. ISBN 1594862745. с. 97. Note that 1 inch of water is ≈0.0025 atm.
- ↑ Tadokoro, M.. A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem. // Publications of the Astronomical Society of Japan 20. 1968. с. 230. This source estimates a density of 7 × 10−29 g/cm for the Local Group. An atomic mass unit is 1.66 × 10−24 g, for roughly 40 atoms per cubic meter.
- ↑ How to Make an Experimental Geissler Tube, Popular Science monthly, February 1919, Unnumbered page, Scanned by Google Books: http://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3
- ↑ ((en)) Barrow, John D. The book of nothing : vacuums, voids, and the latest ideas about the origins of the universe. 1st American. New York, Pantheon Books, 2000. ISBN 0-09-928845-1. OCLC 46600561.
Външни препратки [редактиране]
- American Vacuum Society
- Journal of Vacuum Science and Technology A
- Journal of Vacuum Science and Technology B
- Дискусия за ефекта на излагане на човек на висок вакуум (на англ.).
- Енергия на вакуума (Физика на високите енергии)
- Учени, изследвали вакуума
- (Кратка история на вакуумната технология и терминология)
