Вакуум: визначення

Що таке вакуум? На це питання зазвичай відповідають: “простір з розрідженим повітрям” або “простір всередині судини, з якого викачане повітря”. Але чи всяка ступінь розрідження це вакуум і перебувати чи вакуум в будь-якого зв’язку з атмосферним тиском?

Що таке вакуум?

Деякі передумови до емпіричного дослідження вакууму існували ще в античності. Давньогрецькі механіки створювали різні технічні пристрої, засновані на розрідженні повітря. Наприклад, водяні насоси, що діють шляхом створення розрідження під поршнем, були відомі ще за часів Аристотеля. Емпіричне вивчення вакууму почалося лише в 17 столітті, з кінцем Відродження і початком наукової революції Нового часу. До цього моменту вже давно було відомо, що всмоктуючі насоси можуть піднімати воду на висоту не більше 10 метрів.

На практиці сильно розріджений газ називають технічним вакуумом. У макроскопічних обсягах ідеальний вакуум недосяжний на практиці, оскільки при кінцевій температурі всі матеріали мають ненульовий щільністю насичених парів. Крім того, багато матеріалів (в тому числі товсті металеві, скляні та інші стінки судин) пропускають гази. У мікроскопічних обсягах, однак, досягнення ідеального вакууму в принципі можливо.

Строго кажучи, технічним вакуумом називають газ в посудині або трубопроводі з тиском нижче, ніж в навколишній атмосфері. Зазвичай між атмосферним повітрям і високовакуумних насосом варто так званий форвакуумних насос, створюючи попереднє розрідження, тому низький вакуум часто називають форвакуум. При подальшому зниженні тиску в камері збільшується середня довжина вільного пробігу молекул газу. При цьому молекули газу набагато частіше стикаються зі стінками, ніж один з одним. У цьому випадку говорять про високий вакуумі. Високий вакуум в мікроскопічних порах деяких кристалів досягається вже при атмосферному тиску, оскільки діаметр пори набагато менше довжини вільного пробігу молекули.

Космічний простір має дуже низьку щільність і тиск, і є найближчим наближенням фізичного вакууму. Але космічний вакуум не є справді досконалою, навіть в міжзоряному просторі є кілька атомів водню на кубічний сантиметр.

Дійсно, припустимо, що в балоні повітря розріджене в 10000 разів у порівнянні з щільністю його при нормальному атмосферному тиску, т. Е. Тиск всередині балона одно 0,076 мм. рт. ст.

Чи буде в балоні вакуум? І чи можемо ми продовжувати вважати, що в балоні вакуум, якщо цей балон піднято на висоту 100 км над поверхнею землі, де тиск повітря становить всього 0,007 мм. рт. ст. Адже в цьому випадку щільність повітря всередині балона стане в 10 разів більше, ніж зовні! Тоді, де ж буде вакуум – всередині балона або зовні?

Сучасна фізика пов’язує вакуум ні з величиною тиску поза або всередині судини, а з довжиною вільного пробігу молекул газу всередині нього. Молекули газів знаходяться в безперервному хаотичному тепловому русі; при кімнатній температурі швидкість теплового руху молекул повітря дорівнює приблизно 450 м / с, т. е. наближається до швидкості кулі. Рухаючись у всіх напрямках, молекули постійно стикаються один з одним. Чим щільніше повітря, тим більше молекул полягає в одиниці об’єму та тим частіше молекули стикаються.

Якщо повітря розрідити, то молекули будуть зіштовхуватися менш часто. В середньому їм доведеться пролітати більший шлях між двома зіткненнями, який і називається довжиною вільного пробігу.

Вакуум з фізичної точки зору – це таке розрідження, при якому довжина вільного пробігу в середньому більше розміру судини. Коли в посудині вакуум зіткнення молекул будуть рідкісними, велика частина молекул в своєму русі від однієї стінки судини до іншої не зустрінеться з іншими молекулами.

Вакуум є хорошим термоізолятором; перенесення теплової енергії в ньому відбувається лише за рахунок теплового випромінювання, конвекція і теплопровідність виключені. Ця властивість використовується для теплоізоляції в термосах, що складаються з ємності з подвійними стінками, простір між якими Вакуумована.

...
ПОДІЛИТИСЯ: