Vakum, içinde maddenin olmadığı bir boşluktur. Uygulamalı fizik ve teknolojide, atmosfer basıncından daha düşük bir basınçta bir gazın bulunduğu bir ortam anlamına gelir. Nadir gazlar ilk keşfedildiklerinde nelerdi?
Tarih Sayfaları
Boşluk fikri yüzyıllardır bir tartışma konusu olmuştur. Nadir gazlar, antik Yunan ve Roma filozoflarını analiz etmeye çalıştı. Demokritus, Lucretius, öğrencileri inanıyordu: atomlar arasında boş alan olmasaydı, hareketleri imkansız olurdu.
Aristoteles ve takipçileri bu kavramı çürüttüler, kendilerine göre doğada "boşluk" olmamalıdır. Avrupa'da Orta Çağ'da "boşluk korkusu" fikri bir öncelik haline geldi, dini amaçlarla kullanıldı.
Antik Yunanistan'ın mekaniği, teknik cihazlar oluştururken hava seyrekliğine dayanıyordu. Örneğin, pistonun üzerinde bir vakum oluşturulduğunda çalışan su pompaları Aristoteles zamanında ortaya çıktı.
Nadir gaz olan hava, şu anda teknolojide yaygın olarak kullanılan pistonlu vakum pompalarının üretiminin temeli haline geldi.
Onların prototipi, İskenderiyeli Heron'un kendisi tarafından yaratılan ünlü pistonlu şırıngaydı.irin çekmek için.
On yedinci yüzyılın ortalarında, ilk vakum odası geliştirildi ve altı yıl sonra Alman bilim adamı Otto von Guerick ilk vakum pompasını icat etmeyi başardı.
Bu piston silindiri, sızdırmaz bir kaptan kolayca hava pompalayarak orada bir vakum oluşturur. Bu, yeni devletin temel özelliklerini incelemeyi, operasyonel özelliklerini analiz etmeyi mümkün kıldı.
Teknik vakum
Uygulamada, gazın nadir görülen durumuna teknik vakum denir. Büyük hacimlerde, böyle bir ideal durumu elde etmek imkansızdır, çünkü belirli bir sıcaklıkta malzemeler sıfır olmayan doymuş buhar yoğunluğuna sahiptir.
İdeal bir vakum elde edilememesinin nedeni de gaz halindeki maddelerin cam, metal kapların duvarlarından geçmesidir.
Küçük miktarlarda nadir gazlar elde etmek oldukça mümkündür. Seyrekliğin bir ölçüsü olarak, rastgele çarpışan gaz moleküllerinin serbest yolu ve kullanılan kabın doğrusal boyutu kullanılır.
Teknik vakum, bir boru hattındaki veya kaptaki basınç değeri atmosferdekinden daha düşük olan bir gaz olarak kabul edilebilir. Bir gazın atomları veya molekülleri birbiriyle çarpışmayı bıraktığında düşük bir vakum oluşur.
Yüksek vakum pompası ile atmosferik hava arasına bir ön vakum yerleştirilir, bu da bir ön vakum oluşturur. Basınç odasında daha sonra bir azalma olması durumunda, gaz halindeki parçacıkların yol uzunluğunda bir artış gözlemlenir.maddeler.
Basınç 10 -9 Pa olduğunda, ultra yüksek bir vakum oluşturulur. Taramalı tünelleme mikroskobu kullanarak deneyler yapmak için kullanılan bu nadir gazlardır.
Bazı kristallerin gözeneklerinde atmosferik basınçta bile böyle bir durum elde etmek mümkündür, çünkü gözeneklerin çapı serbest bir parçacığın serbest yolundan çok daha küçüktür.
Vakum bazlı cihazlar
Gazın nadir hali, vakum pompası denilen cihazlarda aktif olarak kullanılmaktadır. Getterler gazları emmek ve belirli bir vakum derecesi elde etmek için kullanılır. Vakum teknolojisi ayrıca, bu durumu kontrol etmek ve ölçmek ve ayrıca nesneleri kontrol etmek, çeşitli teknolojik süreçleri yürütmek için gerekli olan çok sayıda cihazı içerir. Nadir gazlar kullanan en karmaşık teknik cihazlar, yüksek vakumlu pompalardır. Örneğin, difüzyon cihazları, çalışan bir gaz akışının etkisi altında artık gaz moleküllerinin hareketi temelinde çalışır. İdeal bir vakum durumunda bile, nihai sıcaklığa ulaşıldığında çok az termal radyasyon vardır. Bu, örneğin, vücut ve vakum odasının duvarları arasında belirli bir zaman aralığından sonra termal dengenin başlaması gibi, nadir gazların ana özelliklerini açıklar.
Nadir monoatomik gaz, mükemmel bir ısı yalıtkanıdır. İçinde termal enerjinin transferi sadece radyasyon yardımı ile gerçekleştirilir, termal iletkenlik ve konveksiyon değildir.gözlenir. Bu özellik, aralarında vakum bulunan iki kaptan oluşan Dewar kaplarında (termoslarda) kullanılır.
Vakum, radyo tüplerinde, örneğin kineskopların magnetronlarında, mikrodalga fırınlarda geniş uygulama alanı bulmuştur.
Fiziksel boşluk
Kuantum fiziğinde böyle bir durum, kuantum sayılarının sıfır değerleri ile karakterize edilen kuantum alanının temel (en düşük) enerji durumu anlamına gelir.
Bu durumda, tek atomlu bir gaz tamamen boş değildir. Kuantum teorisine göre, sanal parçacıklar, alanların sıfır salınımına neden olan fiziksel boşlukta sistematik olarak ortaya çıkar ve kaybolur.
Teorik olarak, diğer fiziksel özelliklerin yanı sıra enerji yoğunluğu bakımından da farklılık gösteren birkaç farklı boşluk aynı anda mevcut olabilir. Bu fikir, enflasyonist büyük patlama teorisinin temeli oldu.
Yanlış vakum
Minimum enerjili bir durum olmayan kuantum teorisindeki alanın durumu anlamına gelir. Belirli bir süre boyunca kararlıdır. Ana fiziksel niceliklerin gerekli değerlerine ulaşıldığında, yanlış bir durumu gerçek bir boşluğa "tünelleme" olasılığı vardır.
Uzay
Nadir bir gazın ne anlama geldiğini tartışırken, "kozmik boşluk" kavramı üzerinde durmak gerekir. Fiziksel boşluğa yakın olarak kabul edilebilir, ancak yıldızlararası boşlukta mevcuttur. Uzay. Gezegenler, onların doğal uyduları, birçok yıldızın atmosferi belli bir mesafede tutan belli çekici güçleri vardır. Bir yıldız nesnesinin yüzeyinden uzaklaştıkça, nadir bulunan gazın yoğunluğu değişir.
Örneğin, gezegenin sınırının dış uzayı ile ortak bir tanım olarak kabul edilen Karman çizgisi var. Arkasında, izotropik gaz basıncının değeri, güneş radyasyonu ve güneş rüzgarının dinamik basıncı ile karşılaştırıldığında keskin bir şekilde azalır, bu nedenle nadir bir gazın basıncını yorumlamak zordur.
Uzay, tespit edilmesi zor olan fotonlar, kalıntı nötrinolarla doludur.
Ölçüm özellikleri
Vakumun derecesi genellikle sistemde kalan madde miktarına göre belirlenir. Bu durumun ölçülmesinin temel özelliği mutlak basınçtır, ayrıca gazın kimyasal bileşimi ve sıcaklığı da dikkate alınır.
Vakum için önemli bir parametre, sistemde kalan gazların yol uzunluğunun ortalama değeridir. Ölçümler için gerekli olan teknolojiye göre vakum belirli aralıklara bölünmüştür: yanlış, teknik, fiziksel.
Vakum şekillendirme
Bu, modern termoplastik malzemelerden, düşük hava basıncı veya vakum eylemi kullanılarak sıcak formda ürünlerin imalatıdır.
Vakumla şekillendirme, plastik levhanın ısıtılmasının bir sonucu olarak bir çizim yöntemi olarak kabul edilir.belirli bir sıcaklık değerine kadar matrisin üzerinde bulunur. Daha sonra, tabaka matrisin şeklini tekrarlar, bunun nedeni matris ile plastik arasında bir boşluk oluşmasıdır.
Elektrovakum cihazları
Elektromanyetik enerjiyi yaratmak, yükseltmek ve dönüştürmek için tasarlanmış cihazlardır. Böyle bir cihazda, çalışma mahallinden hava alınır ve çevreye karşı korumak için geçirimsiz bir kabuk kullanılır. Bu tür cihazların örnekleri, elektronların bir vakuma sığdığı elektronik vakum cihazlarıdır. Akkor lambalar da vakum cihazları olarak kabul edilebilir.
Düşük basınçlardaki gazlar
Bir gazın yoğunluğu ihmal edilebilirse ve moleküler yolun uzunluğu gazın bulunduğu kabın boyutuyla karşılaştırılabilir ise nadir olarak adlandırılır. Böyle bir durumda, gazın yoğunluğu ile orantılı olarak elektron sayısında bir azalma gözlenir.
Çok nadir bulunan bir gaz söz konusu olduğunda, pratikte hiçbir iç sürtünme yoktur. Bunun yerine, hareket eden gazın duvarlara karşı dış sürtünmesi ortaya çıkar; bu, moleküllerin kapla çarpıştıklarında momentumlarındaki değişiklikle açıklanır. Böyle bir durumda parçacıkların hızı ile gazın yoğunluğu arasında doğru bir orantı vardır.
Düşük vakum durumunda, sabit bir termal enerji değişiminin eşlik ettiği tam hacimdeki gaz parçacıkları arasında sık çarpışmalar gözlenir. Bu, modern teknolojide aktif olarak kullanılan transfer fenomenini (difüzyon, termal iletkenlik) açıklar.
Nadir gazların elde edilmesi
Vakum cihazlarının bilimsel çalışması ve geliştirilmesi, on yedinci yüzyılın ortalarında başladı. 1643'te İtalyan Torricelli, atmosfer basıncının değerini belirlemeyi başardı ve O. Guericke tarafından özel bir su sızdırmazlığı olan mekanik bir pistonlu pompanın icadından sonra, nadir bir gazın özellikleri hakkında çok sayıda çalışma yürütmek için gerçek bir fırsat ortaya çıktı. Aynı zamanda, vakumun canlılar üzerindeki etkisinin olasılıkları araştırıldı. Bir vakumda elektrik boşalmasıyla gerçekleştirilen deneyler, negatif bir elektron olan X-ışını radyasyonunun keşfedilmesine katkıda bulundu.
Vakumun ısı yalıtım özelliği sayesinde ısı transfer yöntemlerini açıklamak, modern kriyojenik teknolojinin gelişimi için teorik bilgileri kullanmak mümkün hale geldi.
Vakum kullanma
1873'te ilk elektrovakum cihazı icat edildi. Rus fizikçi Lodygin tarafından yaratılan bir akkor lamba oldular. O zamandan beri, vakum teknolojisinin pratik kullanımı genişledi, bu durumu elde etmek ve incelemek için yeni yöntemler ortaya çıktı.
Kısa sürede çeşitli tiplerde vakum pompaları oluşturulmuştur:
- döner;
- kriyosorpsiyon;
- moleküler;
- difüzyon.
Yirminci yüzyılın başında akademisyen Lebedev, vakum endüstrisinin bilimsel temellerini geliştirmeyi başardı. Geçen yüzyılın ortalarına kadar bilim adamları 10-6 Pa'dan daha düşük bir basınç elde etme olasılığına izin vermediler.
BŞu anda, vakum sistemleri sızıntıyı önlemek için tamamen metalden yapılmıştır. Vakumlu kriyojenik pompalar sadece araştırma laboratuvarlarında değil, çeşitli endüstrilerde de kullanılmaktadır.
Örneğin, kullanılan nesneyi kirletmeyen özel tahliye araçlarının geliştirilmesinden sonra, vakum teknolojisinin kullanımı için yeni beklentiler ortaya çıktı. Kimyada bu tür sistemler, saf maddelerin özelliklerinin kalitatif ve kantitatif analizi, bir karışımın bileşenlerine ayrılması ve çeşitli işlemlerin hızının analizi için aktif olarak kullanılır.
