خلاء فضایی است که هیچ ماده ای در آن وجود ندارد. در فیزیک و فناوری کاربردی به معنای محیطی است که در آن گازی در فشاری کمتر از فشار اتمسفر قرار دارد. گازهای کمیاب در اولین کشف چه بودند؟
صفحات تاریخچه
ایده پوچی قرن ها محل بحث بوده است. گازهای کمیاب سعی در تحلیل فیلسوفان یونان و روم باستان داشتند. دموکریتوس، لوکرتیوس، شاگردانشان معتقد بودند: اگر فضای آزاد بین اتم ها وجود نداشت، حرکت آنها غیرممکن بود.
ارسطو و پیروانش این مفهوم را رد کردند، به نظر آنها در طبیعت نباید "تهی" وجود داشته باشد. در قرون وسطی در اروپا، ایده "ترس از خلأ" در اولویت قرار گرفت و برای اهداف مذهبی مورد استفاده قرار گرفت.
مکانیک یونان باستان، هنگام ایجاد دستگاه های فنی، بر اساس کمیابی هوا بود. به عنوان مثال، پمپ‌های آبی که هنگام ایجاد خلاء بالای پیستون کار می‌کردند، در زمان ارسطو ظاهر شدند.
وضعیت کمیاب گاز، هوا، پایه ای برای ساخت پمپ های خلاء پیستونی شده است که در حال حاضر به طور گسترده در فناوری استفاده می شود.
نمونه اولیه آنها سرنگ پیستونی معروف هرون اسکندریه بود که توسط او ساخته شد.برای بیرون کشیدن چرک.
در اواسط قرن هفدهم، اولین اتاقک خلاء ساخته شد و شش سال بعد، دانشمند آلمانی Otto von Guerick موفق شد اولین پمپ خلاء را اختراع کند.
این سیلندر پیستونی به راحتی هوا را از یک ظرف مهر و موم شده خارج می کند و در آنجا خلاء ایجاد می کند. این امر امکان مطالعه ویژگی های اصلی حالت جدید و تجزیه و تحلیل ویژگی های عملیاتی آن را فراهم کرد.
خلاء فنی
در عمل به حالت کمیاب گاز، هوا خلاء فنی می گویند. در حجم های زیاد، دستیابی به چنین حالت ایده آلی غیرممکن است، زیرا در یک دمای معین، مواد دارای چگالی بخار اشباع غیر صفر هستند.
دلیل عدم امکان به دست آوردن خلاء ایده آل نیز انتقال مواد گازی از طریق شیشه، دیواره فلزی ظروف است.
در مقادیر کم امکان به دست آوردن گازهای کمیاب وجود دارد. به‌عنوان اندازه‌گیری نادر، از مسیر آزاد مولکول‌های گازی که به‌طور تصادفی با هم برخورد می‌کنند، و همچنین اندازه خطی ظرف مورد استفاده استفاده می‌شود.
خلاء فنی را می توان گازی در خط لوله یا کشتی با مقدار فشار کمتر از اتمسفر در نظر گرفت. خلاء کم زمانی اتفاق می‌افتد که برخورد اتم‌ها یا مولکول‌های گاز با یکدیگر متوقف شود.
یک خلاء جلو بین پمپ خلاء بالا و هوای اتمسفر قرار می گیرد که یک خلاء اولیه ایجاد می کند. در صورت کاهش بعدی در محفظه فشار، افزایش طول مسیر ذرات گازی مشاهده می شود.مواد.
وقتی فشار از 10 -9 Pa است، یک خلاء فوق العاده بالا ایجاد می شود. این گازهای کمیاب هستند که برای انجام آزمایشات با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی استفاده می شوند.
به دست آوردن چنین حالتی در منافذ برخی از بلورها حتی در فشار اتمسفر ممکن است، زیرا قطر منافذ بسیار کوچکتر از مسیر آزاد یک ذره آزاد است.
لوازم مبتنی بر جاروبرقی
حالت کمیاب گاز به طور فعال در دستگاه هایی به نام پمپ های خلاء استفاده می شود. گترها برای مکش گازها و به دست آوردن درجه خاصی از خلاء استفاده می شوند. فن آوری خلاء همچنین شامل دستگاه های متعددی است که برای کنترل و اندازه گیری این حالت و همچنین کنترل اجسام و انجام فرآیندهای مختلف تکنولوژیکی ضروری هستند. پیچیده ترین دستگاه های فنی که از گازهای کمیاب استفاده می کنند پمپ های با خلاء بالا هستند. به عنوان مثال، دستگاه های انتشار بر اساس حرکت مولکول های گاز باقیمانده تحت عمل یک جریان گاز فعال عمل می کنند. حتی در مورد خلاء ایده آل، تابش حرارتی کمی با رسیدن به دمای نهایی وجود دارد. این ویژگی‌های اصلی گازهای کمیاب را توضیح می‌دهد، برای مثال، شروع تعادل حرارتی پس از یک فاصله زمانی معین بین بدن و دیواره‌های محفظه خلاء.
گاز تک اتمی کمیاب یک عایق حرارتی عالی است. در آن، انتقال انرژی حرارتی تنها با کمک تابش انجام می شود، هدایت حرارتی و همرفت انجام نمی شود.مشاهده می شوند. این خاصیت در ظروف Dewar (قمقمه) استفاده می شود که از دو ظرف تشکیل شده است که بین آنها خلاء وجود دارد.
خلاء کاربرد گسترده ای در لوله های رادیویی پیدا کرده است، به عنوان مثال، مگنترون های کینسکوپ، اجاق های مایکروویو.
خلاء فیزیکی
در فیزیک کوانتومی، چنین حالتی به معنای حالت پایه (پایین ترین) انرژی میدان کوانتومی است که با مقادیر صفر اعداد کوانتومی مشخص می شود.
در این حالت، یک گاز تک اتمی کاملاً خالی نیست. طبق نظریه کوانتومی، ذرات مجازی به طور سیستماتیک در خلاء فیزیکی ظاهر می شوند و ناپدید می شوند، که باعث نوسان صفر میدان ها می شود.
از نظر تئوری، چندین خلاء مختلف می توانند به طور همزمان وجود داشته باشند، که از نظر چگالی انرژی و همچنین سایر ویژگی های فیزیکی متفاوت هستند. این ایده مبنایی برای نظریه انفجار بزرگ تورمی شد.
خلاء کاذب
به معنی وضعیت میدان در نظریه کوانتومی است که حالتی با حداقل انرژی نیست. در یک دوره زمانی مشخص پایدار است. با رسیدن به مقادیر مورد نیاز مقادیر فیزیکی اصلی، امکان "تونل کردن" یک حالت کاذب به خلاء واقعی وجود دارد.
فضای بیرونی
هنگام بحث در مورد معنای گاز کمیاب، لازم است به مفهوم "خلاء کیهانی" بپردازیم. می توان آن را نزدیک به خلاء فیزیکی در نظر گرفت، اما در بین ستاره ای وجود داردفضا. سیارات، ماهواره های طبیعی آنها، بسیاری از ستارگان دارای نیروهای جذاب خاصی هستند که جو را در فاصله معینی نگه می دارند. با دور شدن از سطح یک جسم ستاره ای، چگالی گاز کمیاب تغییر می کند.
به عنوان مثال، خط کارمان وجود دارد که یک تعریف مشترک با فضای بیرونی از مرز سیاره در نظر گرفته می شود. در پشت آن، مقدار فشار گاز همسانگرد در مقایسه با تابش خورشیدی و فشار دینامیکی باد خورشیدی به شدت کاهش می‌یابد، بنابراین تفسیر فشار گاز کمیاب دشوار است.
فضای بیرونی مملو از فوتون ها، نوترینوهای باقی مانده است که تشخیص آنها دشوار است.
ویژگی های اندازه گیری
درجه خلاء معمولاً با مقدار ماده ای که در سیستم باقی می ماند تعیین می شود. مشخصه اصلی اندازه گیری این حالت فشار مطلق است، به علاوه ترکیب شیمیایی گاز و دمای آن نیز در نظر گرفته می شود.
یک پارامتر مهم برای خلاء، مقدار متوسط طول مسیر گازهای باقی مانده در سیستم است. بر اساس فناوری که برای اندازه‌گیری‌ها ضروری است، خلاء به محدوده‌های خاصی تقسیم می‌شود: نادرست، فنی، فیزیکی.
وکیوم‌سازی
این تولید محصولاتی از مواد گرمانرم مدرن به شکل گرم با استفاده از فشار هوای کم یا عمل خلاء است.
شکل دهی خلاء یک روش کششی در نظر گرفته می شود که در نتیجه ورق پلاستیک گرم می شود.بالای ماتریس، تا یک مقدار دمای معین قرار دارد. بعد، ورق شکل ماتریس را تکرار می کند، این به دلیل ایجاد خلاء بین آن و پلاستیک است.
دستگاههای خلاء الکتریکی
آنها دستگاه هایی هستند که برای ایجاد، تقویت و تبدیل انرژی الکترومغناطیسی طراحی شده اند. در چنین وسیله ای هوا از فضای کار خارج می شود و از پوسته نفوذناپذیر برای محافظت در برابر محیط استفاده می شود. نمونه هایی از این دستگاه ها دستگاه های خلاء الکترونیکی هستند که در آن الکترون ها در خلاء قرار می گیرند. لامپ های رشته ای را می توان دستگاه های خلاء نیز در نظر گرفت.
گازها در فشار پایین
اگر چگالی گاز ناچیز باشد و طول مسیر مولکولی با اندازه ظرفی که گاز در آن قرار دارد قابل مقایسه باشد، گاز کمیاب نامیده می شود. در چنین حالتی، کاهش تعداد الکترون ها به نسبت چگالی گاز مشاهده می شود.
در مورد گازهای بسیار کمیاب، عملاً اصطکاک داخلی وجود ندارد. در عوض، اصطکاک خارجی گاز متحرک در برابر دیوارها ظاهر می شود که با تغییر تکانه مولکول ها در برخورد با ظرف توضیح داده می شود. در چنین شرایطی، تناسب مستقیمی بین سرعت ذرات و چگالی گاز وجود دارد.
در خلاء کم، برخوردهای مکرر بین ذرات گاز در حجم کامل مشاهده می شود که با تبادل پایدار انرژی حرارتی همراه است. این پدیده انتقال (انتشار، هدایت حرارتی) را توضیح می دهد که به طور فعال در فناوری مدرن استفاده می شود.
دستیابی به گازهای کمیاب
مطالعه علمی و توسعه دستگاه های خلاء از اواسط قرن هفدهم آغاز شد. در سال 1643، توریچلی ایتالیایی موفق شد مقدار فشار اتمسفر را تعیین کند و پس از اختراع یک پمپ پیستونی مکانیکی با مهر و موم مخصوص آب توسط O. Guericke، فرصت واقعی برای انجام مطالعات متعدد در مورد ویژگی های یک گاز کمیاب ظاهر شد. در همان زمان، احتمالات تاثیر خلاء بر موجودات زنده مورد مطالعه قرار گرفت. آزمایش‌هایی که در خلاء با تخلیه الکتریکی انجام شد به کشف یک الکترون منفی، تابش اشعه ایکس کمک کرد.
به لطف قابلیت عایق حرارتی خلاء، توضیح روش های انتقال حرارت، استفاده از اطلاعات نظری برای توسعه فناوری برودتی مدرن امکان پذیر شد.
استفاده از جاروبرقی
در سال 1873 اولین دستگاه الکترو وکیوم اختراع شد. آنها تبدیل به یک لامپ رشته ای شدند که توسط فیزیکدان روسی Lodygin ساخته شد. از آن زمان، استفاده عملی از فناوری خلاء گسترش یافته است، روش های جدیدی برای به دست آوردن و مطالعه این حالت ظاهر شده است.
انواع پمپ های خلاء در مدت زمان کوتاهی ساخته شده اند:
- چرخشی;
- کریو جذب؛
- مولکولی;
- Diffusion.
در آغاز قرن بیستم، آکادمیک لبدف موفق شد پایه های علمی صنعت خلاء را بهبود بخشد. تا اواسط قرن گذشته، دانشمندان امکان به دست آوردن فشار کمتر از 10-6 Pa را مجاز نمی دانستند.
Bدر حال حاضر، سیستم های خلاء تمام فلزی ساخته می شوند تا از نشتی جلوگیری کنند. پمپ های برودتی خلاء نه تنها در آزمایشگاه های تحقیقاتی، بلکه در صنایع مختلف نیز استفاده می شوند.
به عنوان مثال، پس از توسعه وسایل تخلیه ویژه که شی مورد استفاده را آلوده نمی کند، چشم اندازهای جدیدی برای استفاده از فناوری خلاء ظاهر شده است. در شیمی، چنین سیستم هایی به طور فعال برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی خواص مواد خالص، جداسازی مخلوط به اجزاء، و تجزیه و تحلیل سرعت فرآیندهای مختلف استفاده می شود.
