Вакуум

Ва́куум«Вакуум» в Академічному тлумачному словнику української мови в 11 томах. Т. 1, С. 282. або порожня́«Порожня» в Академічному тлумачному словнику української мови в 11 томах. Т. 7, С. 269. (, , від  — порожній) — багатозначний фізичний термін, який у залежності від контексту може означати наступне: розріджений стан газу, тиск якого менший за атмосфернийДСТУ 2758-94 Вакуумна техніка. Терміни та визначення.. Такий вакуум ще називають частковим; ідеалізовану абстракцію, простір, у якому зовсім немає речовини. Такий вакуум називається ідеальним; фізичну систему без частинок і квантів поля. Це найнижчий стан квантової системи, при якому її енергія є мінімальною: це називають вакуумним станом. Згідно з принципом невизначеності, для такого вакууму певна частина фізичних величин не може бути точно визначеною.

З винаходом ламп розжарення та електровакуумних ламп на початку XX століття частковий вакуум став широко використовуватися в промисловості. У вакуумі проводиться значна кількість фізичних експериментів: відсутність повітря чи атмосфери іншого складу дозволяє нейтралізувати небажаний сторонній вплив на об'єкт дослідження. Інтерес до вивчення вакууму неабияк зріс після виходу людини в космос. Навколоземний та міжпланетний простори є дуже розрідженим газом, який можна характеризувати як вакуум.

Історія Дослідження вакууму розпочалися зі створення «торічелевої порожнечі» італійським фізиком Еванджеліста Торрічеллі в середині 17 століття. Для отримання безповітряного простору Торрічеллі заповнив ртуттю тонку склянну трубку із запаяним кінцем, а потім опустив трубку відкритим кінцем униз в посудину, куди могла витекти ртуть. Як наслідок витікання частини ртуті з трубки, ртуть у трубці опустилася, а над нею утворився порожній простір. Запропонований Торрічеллі принцип використовується у ртутних барометрах, оскільки рівень ртуті в трубці залишається таким, щоб зрівноважити атмосферний тиск.

Досліди Торрічеллі заперечили неправильне твердження Арістотеля про те, що природа боїться порожнечі (). Однак, прихильники ідеї Аристотеля своєю чергою заперечували, що, мабуть, простір над ртуттю заповнений якоюсь невидимою речовиною. У відповідь на ці заперечення Блез Паскаль продемонстрував, що рівень ртуті змінюється з висотою.

Перший вакуумний насос (поршневий циліндр з водяним защільненням) винайшов у 1654 Отто фон Ґеріке. Цей насос дозволив легко відкачувати повітря з герметичних ємкостей та експериментувати з вакуумомБорисов В. П. Изобретение, давшее дорогу открытиям // Вестник Рооссийской академии наук, 2003, том 73, № 8, с. 744—748. . Насос, який автор назвав , був далеким від досконалості, однак з його допомогою Геріке зумів продемонструвати основні властивості вакууму. Саме за допомогою цього насоса проведено було знаменитий дослід з Магдебурзькими півкулями. Геріке створив також водяний барометр, аналогічний до ртутного барометра Торрічеллі, хоча через меншу густину води у порівнянні з ртуттю висота водяного стовпа, що зрівноважує тиск атмосфери була в 13,6 разів більшою — близько 10 метрів. Геріке вперше з'ясував, що вакуум не проводить звуку і що горіння у ньому припиняєтьсяБорисов В. П. Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «Боязни Пустоты» // Вопросы истории естествознания и техники, № 4, 2002. .

У 1850 Август Теплер винайшов ртутно-поршневий насосAndrew Guthrie Vacuum Technology. — John Wiley & Sons, Inc; New York and London; 1963., у 1855 Генріх Гайслер отримав за допомогою ртутного насоса тиск 0,01 торр, а у 1865 створив насос, названий його іменемAndrea Sella Classic Kit: Sprengel pump на сайті «Royal Society of Chemistry» . Удосконалення конструкції насосів у середині 19 ст. відкрило шлях до створення вакуумних ламп.

У 1884 році італієць А. Маліньяні вперше застосував у виробництві ламп розжарення зв'язування залишкових газів парою фосфору і тим самим поклав початок застосуванню поглиначів, так званих гетерівЩука А. А. Электроника. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2008. — 752 с. — С.9 (Учебная литература для вузов) ISBN 978-5-9775-0160-6.

У 1905 році молодий німецький фізик Вольфганг Геде робить винахід обертового ртутного вакуумного насоса. 1906 року Джеймс Дьюар розробив спосіб отримання вакууму шляхом поглинання газів активованим вугіллям, яке охолоджувалось рідким азотом (кріосорбційний насос). Далі з'являються молекулярний (В. Геде, 1912) та дифузійний насоси (В. Геде, 1913).

Паралельно з розробкою вакуумних насосів створювалась техніка вимірювання низького тиску. Уже в 1874 році Г. Мак-Леодом було розроблено компресійний манометр, який суттєво розширював нижню межу вимірювання тиску рідинними манометрами. Далі у 1909 р. М. Пірані створює тепловий, а у 1916 р. О. Баклі іонізаційний манометри.

Вакуум і тиск газу Властивості газів при низькому тиску вивчаються у фізиці вакууму, що є розділом молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) газів. Основою фізики вакууму є такі постулати: газ складається з окремих рухомих молекул; існує постійний розподіл молекул газу за швидкостями, тобто одну і ту ж швидкість має завжди однакова кількість молекул; при русі молекул газу немає переважних напрямків, тобто простір газових молекул є ізотропним; температура газу є величиною, пропорційною до середньої кінетичної енергії його молекул; при взаємодії з поверхнею твердого тіла молекула газу адсорбується. У випадку рівноваги між поверхнею і газовим середовищем, кожній адсорбованій молекулі відповідає одна десорбована молекула з протилежним напрямком вектора швидкості.

При тисках, близьких до атмосферного користуються кількісним визначенням вакууму як різниці атмосферного і абсолютного тисків. При абсолютному тиску, що відрізняється від атмосферного більше ніж на два порядки, ця різниця залишається практично постійною і не може служити кількісною характеристикою розрідженого газу. За цих умов вакуум кількісно визначають абсолютним тиском газу. При дуже малих тисках, які безпосередньо вже не можуть бути виміряні існуючими приладами, стан газу можна характеризувати лише кількістю молекул в одиниці об'єму, тобто молекулярною концентрацією газу.

На основі постулатів МКТ доведено, що тиск ідеального газу при постійній температурі на поверхню твердого тіла (за умов рівноваги між сорбцією і десорбцією молекул), пропорційний до густини (ρ) газу і квадрату швидкості (V) його молекул (одна з форм запису основного рівняння МКТ):

Згадані умови рівноваги, використані при виведенні рівняння, не завжди виконуються. Прикладом є конденсуюча поверхня, з якої протягом тривалого часу перебігу адсорбції не відбувається десорбції молекул газу. Тіло, що вилетіло в космічний простір із земної атмосфери, переважно десорбує із своєї поверхні молекули газу. Кількістю ж молекул, що вдаряються об поверхню цього тіла, можна знехтувати. Для точного розрахунку тиску газу на поверхні твердого тіла потрібно знати співвідношення потоків молекул, спрямованих до і від поверхні тіла.

Технічний вакуум Технічним називають частковий вакуум, створений у земних умовах. Мірою ступеня розрідження вакууму служить співвідношення довжини вільного пробігу молекул газу , що є характеристикою інтенсивності їхніх взаємних зіткнень у газі та характерного лінійного розміру посудини, у якій газ перебуває. Розрізняють високий, середній і низький вакуум: високий вакуум — вакуум, при якому довжина вільного пробігу молекул газу перевищує лінійні розміри посудини, в якій міститься газ (); середній вакуум — вакуум, у якому довжина вільного пробігу молекул газу і лінійні розміри посудини є сумірними величинами (); низький вакуум — якщо вільний пробіг молекул газу менший за лінійні розміри посудини ().

Високий вакуум в мікроскопічних порах деяких кристалів досягається вже при атмосферному тиску, оскільки діаметр пори є набагато меншим за довжину вільного пробігу молекули.

На практиці якість вакууму оцінюється по залишковому тиску. Високий вакуум відповідає тиску, нижчому за 10−3 мм рт.ст.(торр). Максимально високий вакуум, якого можна досягти в сучасних лабораторіях, має тиск 10−13 мм рт.ст.

Для порівняння, тиск у космосі є на декілька порядків нижчим, а у далекому ж космосі взагалі може сягати 10−16 мм рт.ст. і менше (відповідає концентрації 1 молекула на 1 см³).

Вимірювання вакууму Вакуум за величиною поділяється на діапазони відповідно до технологій, необхідних для його досягнення чи вимірювання. Ці діапазони не мають загальновизнаних визначень, а типовий розподіл має такий вигляд:

Тиск (мм рт.ст.) Тиск (Па)Атмосферний тиск 760 1,013×10+5Низький вакуум від 760 до 25 від 1×10+5 до 3×10+3Середній вакуум від 25 до 1×10−3 від 3×10+3 до 1×10−1Високий вакуум від 1×10−3 до 1×10−9 від 1×10−1 до 1×10−7Надвисокий вакуум від 1×10−9 до 1×10−12 від 1×10−7 до 1×10−10Екстремальний вакуум <1×10−12 <1×10−10Космічний простір від 1×10−6 до <3×10−17 від 1×10−4 до <3×10−15Абсолютний вакуум 0 0

Прилад для вимірювання вакууму має назву «вакуумметр»ДСТУ 3711-98 Засоби вимірювань тиску. Терміни та визначення. (вакуум-манометр, електропорожнявомі́рРосійсько-український електрорадіотехнічний словник. 30 000 термінів. Укладачі: Ю. Т. Величко. К.: В-во АН УРСР, 1961).

Вакуумметри використовуються для вимірювання тисків в діапазоні від 760 до 10−13 мм рт. ст. (105…10−11 Па). Універсального методу вимірювань, що охоплює весь цей діапазон, не існує, тому використовуються різноманітні фізичні закономірності, пов'язані (прямо чи опосередковано) з тиском газу.

Вакуумна техніка

Вакуумна техніка — технічні системи та елементи для одержання і підтримування вакууму, прикладна наука про них, техніка здійснення вакуумних вимірювань, а також розроблення, конструювання і застосування вакуумних пристроїв. Чільне місце серед знарядь вакуумної техніки займають вакуумні насоси різноманітної конструкції і принципу дії.

Основним інструментом для створення низького вакууму є об'ємний насос. Принцип його дії полягає у циклічному збільшенні та зменшенні об'єму газу в посудині. Під час фази збільшення об'єму, всмоктування, газ у посудині розширюється, заповнюючи додатковий об'єм, який потім відсікається і викидається.

Створення високого і надвисокого вакууму є складною технічною проблемою. Коли молекул газу у вакуумній камері мало, виникають проблеми, пов'язані із забрудненням камери молекулами мастила, недостатньої щільності прокладок, дегазації стінок посудини тощо.

Для отримання високого вакууму використовують дифузійні насоси. Принцип дії насосів цього типу ґрунтується на тому, що молекули газу не дифундують проти течії. Тому дифузійні насоси використовують струмінь для витягування молекул газу з вакуумної камери. Тиски, що забезпечуються дифузійними насосами становлять 2·10−6…3·10−7 мм рт. ст.

Дифузійні насоси у багатьох застосуваннях поступаються місцем турбомолекулярним насосам, принцип роботи яких базується на наданні молекулам газу, що відкачується додаткової швидкості у напрямі їх руху високошвидкісним обертовим ротором. Ротор складається з системи дисків. Вакуум, що отримується досягає величин порядку 10−10 мм рт. ст.

Насоси-уловлювачі дозволяють досягти ще вищого вакууму. Їхня дія може базуватися на різних фізичних та хімічних принципах: кріогенні насоси використовують низьку температуру, для конденсації газу в посудині, у хімічних насосах молекули газу зв'язуються хімічними речовинами або адсорбують на поверхні, в іонізаційних насосах газ у вакуумній камері йонізується і витягається за допомогою сильних електричних полів.

Реальні вакуумні установки складаються із комбінації насосів різного типу, кожен із яких виконує своє завдання і працює при різному ступені розрідження газу у вакуумній камері. До інструментів вакуумної техніки належать також різноманітні вимірювальні прилади, що використовуються для визначення якості створеного вакууму.

Вакуумна технологія

Вакуумна технологія — поняття, що застосовується до всіх процесів і фізичних вимірювань, що проводяться у середовищі газу, який перебуває в умовах тиску, нижчого за атмосферний.

Ці процеси можуть проводитись у вакуумі з таких причин: