Il vuoto è uno spazio in cui non c'è materia. In fisica e tecnologia applicata, significa un mezzo in cui è contenuto un gas a una pressione inferiore a quella atmosferica. Cosa erano i gas rarefatti quando furono scoperti per la prima volta?
Pagine della cronologia
L'idea del vuoto è stata oggetto di contesa per secoli. I gas rarefatti hanno cercato di analizzare gli antichi filosofi greci e romani. Democrito, Lucrezio, credevano i loro studenti: se non ci fosse spazio libero tra gli atomi, il loro movimento sarebbe impossibile.
Aristotele ei suoi seguaci confutarono questo concetto, secondo loro non ci dovrebbe essere alcun "vuoto" in natura. Nel Medioevo in Europa, l'idea della "paura del vuoto" divenne una priorità, veniva utilizzata per scopi religiosi.
La meccanica dell'antica Grecia, durante la creazione di dispositivi tecnici, si basava sulla rarefazione dell'aria. Ad esempio, le pompe dell'acqua che funzionavano quando veniva creato un vuoto sopra il pistone apparvero ai tempi di Aristotele.
Lo stato rarefatto del gas, l'aria, è diventato la base per la produzione di pompe per vuoto a pistoni, attualmente ampiamente utilizzate nella tecnologia.
Il loro prototipo era la famosa siringa a pistone di Airone di Alessandria, creata da luiestrarre pus.
A metà del diciassettesimo secolo fu sviluppata la prima camera a vuoto e sei anni dopo, lo scienziato tedesco Otto von Guerick riuscì a inventare la prima pompa a vuoto.
Questo cilindro a pistone pompava facilmente l'aria da un contenitore sigillato, creando un vuoto lì. Ciò ha permesso di studiare le principali caratteristiche del nuovo stato, di analizzarne le proprietà operative.
Aspirapolvere tecnologico
In pratica, lo stato rarefatto del gas, l'aria, è chiamato vuoto tecnico. In grandi volumi, è impossibile ottenere uno stato così ideale, poiché a una certa temperatura i materiali hanno una densità di vapore saturo diversa da zero.
Il motivo dell'impossibilità di ottenere un vuoto ideale è anche la trasmissione di sostanze gassose attraverso pareti di vetro, metallo dei vasi.
In piccole quantità è possibile ottenere gas rarefatti. Come misura della rarefazione, viene utilizzato il percorso libero delle molecole di gas che si scontrano casualmente, nonché la dimensione lineare del recipiente utilizzato.
Il vuoto tecnico può essere considerato un gas in una tubazione o un recipiente con un valore di pressione inferiore a quello dell'atmosfera. Un basso vuoto si verifica quando gli atomi o le molecole di un gas smettono di entrare in collisione tra loro.
Tra la pompa per alto vuoto e l'aria atmosferica viene posizionato un vuoto preliminare, che crea un vuoto preliminare. Nel caso di una successiva diminuzione della camera a pressione, si osserva un aumento della lunghezza del percorso delle particelle gassose.sostanze.
Quando la pressione è compresa tra 10 -9 Pa, viene creato un vuoto ultra alto. Sono questi gas rarefatti che vengono utilizzati per condurre esperimenti utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel.
È possibile ottenere tale stato nei pori di alcuni cristalli anche a pressione atmosferica, poiché il diametro dei pori è molto più piccolo del percorso libero di una particella libera.
Apparecchi sottovuoto
Lo stato rarefatto del gas viene utilizzato attivamente in dispositivi chiamati pompe per vuoto. I getter vengono utilizzati per aspirare gas e ottenere un certo grado di vuoto. La tecnologia del vuoto include anche numerosi dispositivi necessari per controllare e misurare questo stato, nonché per controllare oggetti, per eseguire vari processi tecnologici. I dispositivi tecnici più complessi che utilizzano gas rarefatti sono le pompe ad alto vuoto. Ad esempio, i dispositivi di diffusione funzionano sulla base del movimento di molecole di gas residue sotto l'azione di un flusso di gas di lavoro. Anche nel caso di un vuoto ideale, c'è poca radiazione termica al raggiungimento della temperatura finale. Questo spiega le principali proprietà dei gas rarefatti, ad esempio l'instaurarsi dell'equilibrio termico dopo un certo intervallo di tempo tra il corpo e le pareti della camera a vuoto.
Il gas monoatomico rarefatto è un ottimo isolante termico. In esso, il trasferimento di energia termica viene effettuato solo con l'aiuto della radiazione, la conduttività termica e la convezione non lo sonosono osservati. Questa proprietà è utilizzata nei vasi Dewar (termosi), costituiti da due contenitori, tra i quali c'è un vuoto.
Il vuoto ha trovato ampia applicazione nei tubi radio, ad esempio magnetron di cinescopi, forni a microonde.
Vuoto fisico
Nella fisica quantistica, tale stato indica lo stato energetico fondamentale (il più basso) del campo quantistico, che è caratterizzato da valori zero dei numeri quantici.
In questo stato, un gas monoatomico non è completamente vuoto. Secondo la teoria quantistica, le particelle virtuali appaiono e scompaiono sistematicamente nel vuoto fisico, il che provoca oscillazioni nulle dei campi.
Teoricamente, possono esistere diversi vuoti contemporaneamente, che differiscono per densità di energia, così come altre caratteristiche fisiche. Questa idea divenne la base per la teoria inflazionistica del big bang.
Falso vuoto
Significa lo stato del campo nella teoria quantistica, che non è uno stato con un'energia minima. È stabile per un certo periodo di tempo. Esiste la possibilità di "tunnelare" un falso stato in un vero vuoto quando vengono raggiunti i valori richiesti delle principali grandezze fisiche.
Spazio esterno
Quando si discute di cosa significhi un gas rarefatto, è necessario soffermarsi sul concetto di "vuoto cosmico". Può essere considerato vicino al vuoto fisico, ma esistente nell'interstellarespazio. I pianeti, i loro satelliti naturali, molte stelle hanno determinate forze attrattive che mantengono l'atmosfera a una certa distanza. Quando ti allontani dalla superficie di un oggetto stellare, la densità del gas rarefatto cambia.
Ad esempio, c'è la linea Karman, che è considerata una definizione comune con lo spazio esterno del confine del pianeta. Dietro di esso, il valore della pressione del gas isotropico diminuisce drasticamente rispetto alla radiazione solare e alla pressione dinamica del vento solare, quindi è difficile interpretare la pressione di un gas rarefatto.
Lo spazio esterno è pieno di fotoni, neutrini reliquia difficili da rilevare.
Caratteristiche di misurazione
Il grado di vuoto è solitamente determinato dalla quantità di sostanza che rimane nel sistema. La caratteristica principale della misurazione di questo stato è la pressione assoluta, inoltre si tiene conto della composizione chimica del gas e della sua temperatura.
Un parametro importante per il vuoto è il valore medio della lunghezza del percorso dei gas rimanenti nel sistema. C'è una divisione del vuoto in determinati intervalli secondo la tecnologia necessaria per le misurazioni: falso, tecnico, fisico.
Formazione del vuoto
Questa è la fabbricazione di prodotti dai moderni materiali termoplastici in forma calda utilizzando la bassa pressione dell'aria o l'azione del vuoto.
La formatura sottovuoto è considerata un metodo di trafilatura, a seguito del quale il foglio di plastica viene riscaldato,situata sopra la matrice, fino ad un certo valore di temperatura. Successivamente, il foglio ripete la forma della matrice, ciò è dovuto alla creazione di un vuoto tra essa e la plastica.
Dispositivi per elettrovuoto
Sono dispositivi progettati per creare, amplificare e convertire l'energia elettromagnetica. In un tale dispositivo, l'aria viene rimossa dallo spazio di lavoro e viene utilizzato un guscio impermeabile per proteggere dall'ambiente. Esempi di tali dispositivi sono i dispositivi elettronici per il vuoto, in cui gli elettroni si inseriscono nel vuoto. Le lampade a incandescenza possono anche essere considerate dispositivi per il vuoto.
Gas a basse pressioni
Un gas si dice rarefatto se la sua densità è trascurabile e la lunghezza del percorso molecolare è paragonabile alla dimensione del recipiente in cui si trova il gas. In tale stato si osserva una diminuzione del numero di elettroni in proporzione alla densità del gas.
Nel caso di un gas altamente rarefatto, non c'è praticamente attrito interno. Invece, appare l'attrito esterno del gas in movimento contro le pareti, che si spiega con la variazione della quantità di moto delle molecole quando entrano in collisione con il recipiente. In una tale situazione, c'è una proporzionalità diretta tra la velocità delle particelle e la densità del gas.
Nel caso del basso vuoto si osservano frequenti collisioni tra particelle di gas a tutto volume, che sono accompagnate da uno scambio stabile di energia termica. Questo spiega il fenomeno del trasferimento (diffusione, conducibilità termica), che è attivamente utilizzato nella tecnologia moderna.
Ottenere gas rarefatti
Lo studio scientifico e lo sviluppo di dispositivi per il vuoto iniziò a metà del diciassettesimo secolo. Nel 1643 l'italiano Torricelli riuscì a determinare il valore della pressione atmosferica e dopo l'invenzione di una pompa meccanica a pistoni con una speciale tenuta d'acqua da parte di O. Guericke, si presentò una vera opportunità per condurre numerosi studi sulle caratteristiche di un gas rarefatto. Allo stesso tempo, sono state studiate le possibilità dell'impatto del vuoto sugli esseri viventi. Esperimenti condotti nel vuoto con una scarica elettrica hanno contribuito alla scoperta di un elettrone negativo, la radiazione di raggi X.
Grazie alla capacità termoisolante del vuoto, è diventato possibile spiegare i metodi di trasferimento del calore, utilizzare informazioni teoriche per lo sviluppo della moderna tecnologia criogenica.
Usare l'aspirapolvere
Nel 1873 fu inventato il primo dispositivo elettrovuoto. Sono diventate una lampada a incandescenza, creata dal fisico russo Lodygin. Da quel momento, l'uso pratico della tecnologia del vuoto si è ampliato, sono apparsi nuovi metodi per ottenere e studiare questo stato.
Vari tipi di pompe per vuoto sono stati creati in un breve periodo di tempo:
- rotativo;
- crioassorbimento;
- molecolare;
- diffusione.
All'inizio del ventesimo secolo, l'accademico Lebedev è riuscito a migliorare le basi scientifiche dell'industria del vuoto. Fino alla metà del secolo scorso, gli scienziati non consentivano la possibilità di ottenere una pressione inferiore a 10-6 Pa.
BAttualmente, i sistemi per vuoto sono costruiti interamente in metallo per evitare perdite. Le pompe criogeniche per vuoto sono utilizzate non solo nei laboratori di ricerca, ma anche in vari settori.
Ad esempio, dopo lo sviluppo di speciali mezzi di evacuazione che non inquinano l'oggetto utilizzato, sono apparse nuove prospettive per l'utilizzo della tecnologia del vuoto. In chimica, tali sistemi vengono utilizzati attivamente per l'analisi qualitativa e quantitativa delle proprietà delle sostanze pure, la separazione di una miscela in componenti e l'analisi della velocità di vari processi.
