Вакуум - бұл зат жоқ кеңістік. Қолданбалы физика мен технологияда бұл атмосфералық қысымнан аз қысымда газ болатын ортаны білдіреді. Сиректелген газдар алғаш ашылған кезде қандай болды?
Тарих беттері
Бостық идеясы ғасырлар бойы дау туғызды. Сиректелген газдар ежелгі грек және рим философтарын талдауға тырысты. Демокрит, Лукреций, олардың шәкірттері: атомдар арасында бос кеңістік болмаса, олардың қозғалысы мүмкін болмас еді деп есептеді.
Аристотель және оның ізбасарлары бұл ұғымды жоққа шығарды, олардың пікірінше, табиғатта «бостық» болмауы керек. Орта ғасырларда Еуропада «бостықтан қорқу» идеясы басымдыққа ие болды, ол діни мақсатта қолданылды.
Ежелгі Грецияның механикасы техникалық құрылғыларды жасау кезінде ауаның сирек болуына негізделген. Мысалы, поршеньдің үстінде вакуум пайда болған кезде жұмыс істейтін су сорғылары Аристотель кезінде пайда болды.
Газдың, ауаның сирек күйі қазіргі уақытта технологияда кеңінен қолданылатын поршенді вакуумдық сорғыларды өндіруге негіз болды.
Олардың прототипі ол жасаған Александрияның Геронының әйгілі поршенді шприці болды.ірің шығару.
XVII ғасырдың ортасында алғашқы вакуумдық камера жасалды, ал алты жылдан кейін неміс ғалымы Отто фон Герик бірінші вакуумдық сорғыны ойлап тапты.
Бұл поршеньді цилиндр тығыздалған контейнерден ауаны оңай айдап, онда вакуум жасайды. Бұл жаңа күйдің негізгі сипаттамаларын зерттеуге, оның операциялық қасиеттерін талдауға мүмкіндік берді.
Техникалық шаңсорғыш
Тәжірибеде газдың, ауаның сирек кездесетін күйі техникалық вакуум деп аталады. Үлкен көлемде мұндай идеалды күйді алу мүмкін емес, өйткені белгілі бір температурада материалдардың нөлдік емес қаныққан бу тығыздығы болады.
Идеал вакуумды алу мүмкін еместігінің себебі, сонымен қатар шыны, ыдыстардың металл қабырғалары арқылы газ тәрізді заттардың өтуі болып табылады.
Аз мөлшерде сиректірілген газдарды алуға әбден болады. Сиректеу өлшемі ретінде кездейсоқ соқтығысатын газ молекулаларының еркін жолы, сондай-ақ пайдаланылатын ыдыстың сызықтық өлшемі пайдаланылады.
Техникалық вакуумды құбырдағы немесе ыдыстағы қысым мәні атмосферадағыдан аз газ деп санауға болады. Төмен вакуум газдың атомдары немесе молекулалары бір-бірімен соқтығысуды тоқтатқанда пайда болады.
Алдыңғы вакуум жоғары вакуумды сорғы мен атмосфералық ауаның арасына қойылады, бұл алдын ала вакуум жасайды. Қысым камерасының кейіннен төмендеуі жағдайында газ тәрізді бөлшектердің жол ұзындығының ұлғаюы байқалады.заттар.
Қысым 10 -9 Па дейін болғанда, өте жоғары вакуум пайда болады. Дәл осы сирек кездесетін газдар сканерлеуші туннельдік микроскоп арқылы эксперименттер жүргізу үшін пайдаланылады.
Кейбір кристалдардың кеуектерінде мұндай күйді тіпті атмосфералық қысымда да алуға болады, өйткені кеуектердің диаметрі бос бөлшектің бос жолынан әлдеқайда аз.
Вакуумға негізделген құрылғылар
Газдың сирек күйі вакуумдық сорғылар деп аталатын құрылғыларда белсенді қолданылады. Алғыштар газдарды сорып, белгілі дәрежеде вакуум алу үшін қолданылады. Вакуумдық технологияға сонымен қатар осы күйді бақылау және өлшеу, сондай-ақ объектілерді басқару, әртүрлі технологиялық процестерді жүргізу үшін қажет көптеген құрылғылар кіреді. Сиректелген газдарды пайдаланатын ең күрделі техникалық құрылғылар жоғары вакуумды сорғылар болып табылады. Мысалы, диффузиялық құрылғылар жұмысшы газ ағынының әсерінен қалдық газ молекулаларының қозғалысы негізінде жұмыс істейді. Тіпті идеалды вакуум жағдайында да соңғы температураға жеткенде жылулық сәулелену аз болады. Бұл сирек кездесетін газдардың негізгі қасиеттерін түсіндіреді, мысалы, дене мен вакуумдық камераның қабырғалары арасындағы белгілі бір уақыт аралығынан кейін жылулық тепе-теңдіктің пайда болуы.
Сиректелген монотомды газ тамаша жылу изоляторы болып табылады. Онда жылу энергиясын беру тек сәулеленудің көмегімен жүзеге асырылады, жылу өткізгіштік және конвекция жоқ.байқалады. Бұл қасиет арасында вакуум бар екі контейнерден тұратын Дьюар ыдыстарында (термостарда) пайдаланылады.
Вакуум радио түтіктерде, мысалы, кинескоптардың магнетрондарында, микротолқынды пештерде кең қолданыс тапты.
Физикалық вакуум
Кванттық физикада мұндай күй кванттық өрістің негізгі (ең төменгі) энергетикалық күйін білдіреді, ол кванттық сандардың нөлдік мәндерімен сипатталады.
Бұл күйде бір атомды газ толығымен бос емес. Кванттық теорияға сәйкес виртуалды бөлшектер физикалық вакуумда жүйелі түрде пайда болады және жоғалады, бұл өрістердің нөлдік тербелістерін тудырады.
Теориялық тұрғыдан алғанда, энергия тығыздығымен, сондай-ақ басқа физикалық сипаттамалармен ерекшеленетін бірнеше түрлі вакуумдар бір уақытта болуы мүмкін. Бұл идея инфляциялық үлкен жарылыс теориясына негіз болды.
Жалған шаңсорғыш
Бұл кванттық теориядағы өрістің күйін білдіреді, ол минималды энергиясы бар күй емес. Ол белгілі бір уақыт аралығында тұрақты. Негізгі физикалық шамалардың қажетті мәндеріне жеткенде жалған күйді шынайы вакуумға «туннельдеу» мүмкіндігі бар.
Ғарыш ғарыш
Сиректелген газдың нені білдіретінін талқылағанда «ғарыштық вакуум» ұғымына тоқталған жөн. Оны физикалық вакуумға жақын деп санауға болады, бірақ жұлдыз аралықта барғарыш. Планеталар, олардың табиғи серіктері, көптеген жұлдыздар атмосфераны белгілі бір қашықтықта ұстайтын белгілі бір тартымды күштерге ие. Жұлдыздық нысанның бетінен алыстаған сайын сирек кездесетін газдың тығыздығы өзгереді.
Мысалы, планета шекарасының ғарыш кеңістігіне ортақ анықтама болып саналатын Карман сызығы бар. Оның артында изотропты газ қысымының мәні күн радиациясымен және күн желінің динамикалық қысымымен салыстырғанда күрт төмендейді, сондықтан сирек кездесетін газдың қысымын түсіндіру қиын.
Ғарыш кеңістігі фотондарға, реликті нейтриноларға толы, оларды табу қиын.
Өлшем мүмкіндіктері
Вакуум дәрежесі әдетте жүйеде қалған зат мөлшерімен анықталады. Бұл күйді өлшеудің негізгі сипаттамасы абсолютті қысым болып табылады, сонымен қатар газдың химиялық құрамы және оның температурасы ескеріледі.
Вакуумның маңызды параметрі жүйеде қалған газдардың жол ұзындығының орташа мәні болып табылады. Өлшеу үшін қажетті технологияға сәйкес вакуумды белгілі диапазондарға бөлу бар: жалған, техникалық, физикалық.
Вакуумдық қалыптау
Бұл төмен ауа қысымы немесе вакуумдық әрекетті пайдалана отырып, ыстық пішінде заманауи термопластикалық материалдардан өнімдерді өндіру.
Вакуумды қалыптау сызу әдісі болып саналады, нәтижесінде пластмасса табақ қызады,матрицаның үстінде, белгілі бір температура мәніне дейін орналасқан. Әрі қарай парақ матрицаның пішінін қайталайды, бұл оның және пластик арасында вакуумның пайда болуына байланысты.
Электровакуумдық құрылғылар
Олар электромагниттік энергияны жасауға, күшейтуге және түрлендіруге арналған құрылғылар. Мұндай құрылғыда ауа жұмыс кеңістігінен шығарылады, қоршаған ортадан қорғау үшін өткізбейтін қабық қолданылады. Мұндай құрылғылардың мысалдары электрондар вакуумға сыйатын электронды вакуумдық құрылғылар болып табылады. Қыздыру шамдарын да вакуумдық құрылғылар деп санауға болады.
Төмен қысымдағы газдар
Газдың тығыздығы шамалы болса, ал молекулалық жолдың ұзындығы газ орналасқан ыдыстың өлшемімен салыстырылатын болса, оны сиректелген деп атайды. Мұндай күйде электрондар санының азаюы газдың тығыздығына пропорционалды түрде байқалады.
Өте сиректелген газ жағдайында іс жүзінде ішкі үйкеліс болмайды. Оның орнына қозғалатын газдың қабырғаларға қарсы сыртқы үйкелісі пайда болады, бұл молекулалардың ыдыспен соқтығысқандағы импульсінің өзгеруімен түсіндіріледі. Мұндай жағдайда бөлшектердің жылдамдығы мен газдың тығыздығы арасында тура пропорционалдылық бар.
Төмен вакуум жағдайында жылу энергиясының тұрақты алмасуымен жүретін газ бөлшектерінің толық көлемде жиі соқтығысуы байқалады. Бұл заманауи технологияда белсенді түрде қолданылатын тасымалдау құбылысын (диффузия, жылу өткізгіштік) түсіндіреді.
Сиректелген газдарды алу
Вакуумдық құрылғыларды ғылыми зерттеу және дамыту XVII ғасырдың ортасында басталды. 1643 жылы итальяндық Торричелли атмосфералық қысымның мәнін анықтай алды және О. Герик арнайы су тығыздағыштары бар механикалық поршеньді сорғыны ойлап тапқаннан кейін сирек кездесетін газдың сипаттамаларына көптеген зерттеулер жүргізуге нақты мүмкіндік пайда болды. Сонымен бірге вакуумның тірі тіршілік иелеріне әсер ету мүмкіндіктері зерттелді. Электр разряды бар вакуумда жүргізілген тәжірибелер теріс электронның, рентгендік сәулеленудің ашылуына ықпал етті.
Вакуумның жылуоқшаулағыш қабілетінің арқасында жылу беру әдістерін түсіндіру, теориялық ақпаратты қазіргі криогендік технологияны дамыту үшін пайдалану мүмкін болды.
Шаңсорғышты пайдалану
1873 жылы бірінші электровакуумдық құрылғы ойлап табылды. Олар орыс физигі Лодыгин жасаған қыздыру шамына айналды. Сол уақыттан бері вакуумдық технологияны практикалық қолдану кеңейді, осы күйді алу мен зерттеудің жаңа әдістері пайда болды.
Қысқа уақыт ішінде вакуумдық сорғылардың әртүрлі түрлері жасалды:
- ротациялық;
- криосорбция;
- молекулярлық;
- диффузия.
ХХ ғасырдың басында академик Лебедев вакуум өнеркәсібінің ғылыми негіздерін жетілдіре алды. Өткен ғасырдың ортасына дейін ғалымдар 10-6 Па төмен қысымды алу мүмкіндігіне жол бермеді.
БҚазіргі уақытта вакуумдық жүйелер ағып кетпеу үшін толығымен металдан жасалған. Вакуумдық криогендік сорғылар тек ғылыми-зерттеу зертханаларында ғана емес, сонымен қатар әртүрлі салаларда да қолданылады.
Мысалы, пайдаланылған объектіні ластамайтын арнайы эвакуациялық құралдар дамығаннан кейін вакуумдық технологияны қолданудың жаңа перспективалары пайда болды. Химияда мұндай жүйелер таза заттардың қасиеттерін сапалық және сандық талдау, қоспаны компоненттерге бөлу және әртүрлі процестердің жылдамдығын талдау үшін белсенді түрде қолданылады.
