Vacuum adalah ruang di mana tidak ada materi. Dalam fisika dan teknologi terapan, itu berarti media di mana gas terkandung pada tekanan kurang dari tekanan atmosfer. Apa gas yang dijernihkan saat pertama kali ditemukan?
Halaman Sejarah
Ide tentang kekosongan telah menjadi perdebatan selama berabad-abad. Gas yang dimurnikan mencoba menganalisis para filsuf Yunani dan Romawi kuno. Democritus, Lucretius, murid-murid mereka percaya: jika tidak ada ruang kosong di antara atom-atom, pergerakan mereka tidak akan mungkin.
Aristoteles dan para pengikutnya membantah konsep ini, menurut mereka, seharusnya tidak ada "kekosongan" di alam. Pada Abad Pertengahan di Eropa, gagasan "takut akan kekosongan" menjadi prioritas, digunakan untuk tujuan keagamaan.
Mekanika Yunani Kuno, saat membuat perangkat teknis, didasarkan pada penghalusan udara. Misalnya, pompa air yang berfungsi ketika ruang hampa dibuat di atas piston muncul pada zaman Aristoteles.
Kondisi gas, udara yang dijernihkan, telah menjadi dasar pembuatan pompa vakum piston, yang saat ini banyak digunakan dalam teknologi.
Prototipe mereka adalah jarum suntik piston Heron of Alexandria yang terkenal, yang dibuat olehnyauntuk mengeluarkan nanah.
Pada pertengahan abad ketujuh belas, ruang vakum pertama dikembangkan, dan enam tahun kemudian, ilmuwan Jerman Otto von Guerick berhasil menemukan pompa vakum pertama.
Silinder piston ini dengan mudah memompa udara keluar dari wadah tertutup, menciptakan ruang hampa di sana. Hal ini memungkinkan untuk mempelajari karakteristik utama dari keadaan baru, untuk menganalisis sifat operasionalnya.
Teknologi vakum
Dalam praktiknya, keadaan gas, udara yang dijernihkan disebut vakum teknis. Dalam volume besar, tidak mungkin untuk mendapatkan keadaan ideal seperti itu, karena pada suhu tertentu bahan memiliki kerapatan uap jenuh yang tidak nol.
Alasan ketidakmungkinan mendapatkan ruang hampa yang ideal juga merupakan transmisi zat gas melalui kaca, dinding logam bejana.
Dalam jumlah kecil sangat mungkin untuk mendapatkan gas yang dimurnikan. Sebagai ukuran penghalusan, digunakan jalur bebas molekul gas yang bertabrakan secara acak, serta ukuran linier bejana yang digunakan.
Kevakuman teknis dapat dianggap sebagai gas dalam pipa atau bejana dengan nilai tekanan lebih rendah daripada di atmosfer. Kekosongan rendah terjadi ketika atom atau molekul gas berhenti bertabrakan satu sama lain.
Sebuah vakum depan ditempatkan di antara pompa vakum tinggi dan udara atmosfer, yang menciptakan vakum awal. Dalam kasus penurunan berikutnya dalam ruang tekanan, peningkatan panjang lintasan partikel gas diamati.zat.
Ketika tekanannya dari 10 -9 Pa, vakum ultra-tinggi dibuat. Gas yang dijernihkan inilah yang digunakan untuk melakukan eksperimen menggunakan mikroskop tunneling pemindaian.
Hal ini dimungkinkan untuk mendapatkan keadaan seperti itu di pori-pori beberapa kristal bahkan pada tekanan atmosfer, karena diameter pori-pori jauh lebih kecil daripada jalur bebas partikel bebas.
Peralatan berbasis vakum
Keadaan gas yang dijernihkan secara aktif digunakan dalam perangkat yang disebut pompa vakum. Getter digunakan untuk menyedot gas dan mendapatkan tingkat vakum tertentu. Teknologi vakum juga mencakup banyak perangkat yang diperlukan untuk mengontrol dan mengukur keadaan ini, serta untuk mengontrol objek, untuk melakukan berbagai proses teknologi. Perangkat teknis paling kompleks yang menggunakan gas yang dimurnikan adalah pompa vakum tinggi. Misalnya, perangkat difusi beroperasi berdasarkan pergerakan molekul gas residu di bawah aksi aliran gas yang bekerja. Bahkan dalam kasus vakum ideal, hanya ada sedikit radiasi termal ketika suhu akhir tercapai. Ini menjelaskan sifat utama gas yang dimurnikan, misalnya, permulaan kesetimbangan termal setelah interval waktu tertentu antara tubuh dan dinding ruang vakum.
Gas monoatomik langka adalah isolator termal yang sangat baik. Di dalamnya, transfer energi panas dilakukan hanya dengan bantuan radiasi, konduktivitas termal dan konveksi tidakdiamati. Properti ini digunakan di bejana Dewar (termos), terdiri dari dua wadah, di antaranya ada ruang hampa.
Vacuum telah digunakan secara luas dalam tabung radio, misalnya, magnetron kineskop, oven microwave.
Kevakuman fisik
Dalam fisika kuantum, keadaan seperti itu berarti keadaan energi dasar (terendah) dari medan kuantum, yang dicirikan oleh nilai nol bilangan kuantum.
Dalam keadaan ini, gas monoatomik tidak sepenuhnya kosong. Menurut teori kuantum, partikel virtual muncul dan menghilang secara sistematis dalam ruang hampa fisik, yang menyebabkan nol osilasi medan.
Secara teoritis, beberapa vakum yang berbeda dapat eksis secara bersamaan, yang berbeda dalam kepadatan energi, serta karakteristik fisik lainnya. Ide ini menjadi dasar teori ledakan besar inflasi.
Vakum palsu
Artinya keadaan medan dalam teori kuantum, yang bukan keadaan dengan energi minimum. Stabil dalam jangka waktu tertentu. Ada kemungkinan "penerowongan" keadaan palsu ke dalam ruang hampa sejati ketika nilai yang diperlukan dari besaran fisik utama tercapai.
Luar angkasa
Saat membahas apa arti gas yang dijernihkan, kita perlu memikirkan konsep "kevakuman kosmik". Itu dapat dianggap dekat dengan ruang hampa fisik, tetapi ada di antarbintangruang angkasa. Planet-planet, satelit alaminya, banyak bintang memiliki gaya tarik menarik tertentu yang menjaga atmosfer pada jarak tertentu. Saat Anda menjauh dari permukaan objek bintang, kerapatan gas yang dijernihkan berubah.
Misalnya, ada garis Karman, yang dianggap sebagai definisi umum dengan batas luar angkasa dari planet. Di balik itu, nilai tekanan gas isotropik menurun tajam dibandingkan dengan radiasi matahari dan tekanan dinamis angin matahari, sehingga sulit untuk menafsirkan tekanan gas yang dimurnikan.
Luar angkasa penuh dengan foton, neutrino peninggalan yang sulit dideteksi.
Fitur pengukuran
Derajat vakum biasanya ditentukan oleh jumlah zat yang tersisa dalam sistem. Karakteristik utama dari pengukuran keadaan ini adalah tekanan absolut, selain itu, komposisi kimia gas dan suhunya diperhitungkan.
Parameter penting untuk vakum adalah nilai rata-rata panjang lintasan gas yang tersisa dalam sistem. Ada pembagian vakum ke dalam rentang tertentu sesuai dengan teknologi yang diperlukan untuk pengukuran: palsu, teknis, fisik.
Pembentukan vakum
Ini adalah pembuatan produk dari bahan termoplastik modern dalam bentuk panas menggunakan tekanan udara rendah atau tindakan vakum.
Pembentukan vakum dianggap sebagai metode menggambar, akibatnya plastik lembaran dipanaskan,terletak di atas matriks, hingga nilai suhu tertentu. Selanjutnya, lembaran mengulangi bentuk matriks, hal ini disebabkan oleh terciptanya ruang hampa antara lembaran tersebut dengan plastik.
Perangkat listrik
Mereka adalah perangkat yang dirancang untuk membuat, memperkuat, dan mengubah energi elektromagnetik. Dalam perangkat seperti itu, udara dikeluarkan dari ruang kerja, dan cangkang kedap air digunakan untuk melindungi dari lingkungan. Contoh perangkat tersebut adalah perangkat vakum elektronik, di mana elektron muat dalam ruang hampa. Lampu pijar juga dapat dianggap sebagai perangkat vakum.
Gas pada tekanan rendah
Suatu gas disebut dijernihkan jika kerapatannya dapat diabaikan, dan panjang lintasan molekulnya sebanding dengan ukuran wadah tempat gas tersebut berada. Dalam keadaan seperti itu, penurunan jumlah elektron diamati sebanding dengan kerapatan gas.
Dalam kasus gas yang sangat murni, praktis tidak ada gesekan internal. Sebaliknya, gesekan eksternal dari gas yang bergerak terhadap dinding muncul, yang dijelaskan oleh perubahan momentum molekul ketika mereka bertabrakan dengan bejana. Dalam situasi seperti itu, ada proporsionalitas langsung antara kecepatan partikel dan kerapatan gas.
Dalam kasus vakum rendah, sering terjadi tumbukan antara partikel gas dalam volume penuh, yang disertai dengan pertukaran energi panas yang stabil. Ini menjelaskan fenomena transfer (difusi, konduktivitas termal), yang secara aktif digunakan dalam teknologi modern.
Mendapatkan gas yang dimurnikan
Studi ilmiah dan pengembangan perangkat vakum dimulai pada pertengahan abad ketujuh belas. Pada tahun 1643, Torricelli Italia berhasil menentukan nilai tekanan atmosfer, dan setelah penemuan pompa piston mekanis dengan segel air khusus oleh O. Guericke, peluang nyata muncul untuk melakukan banyak penelitian tentang karakteristik gas yang dijernihkan. Pada saat yang sama, kemungkinan dampak vakum pada makhluk hidup dipelajari. Eksperimen yang dilakukan dalam ruang hampa dengan pelepasan listrik berkontribusi pada penemuan elektron negatif, radiasi sinar-X.
Berkat kemampuan vakum isolasi panas, metode perpindahan panas menjadi mungkin untuk dijelaskan, menggunakan informasi teoretis untuk pengembangan teknologi kriogenik modern.
Menggunakan vakum
Pada tahun 1873, perangkat vakum listrik pertama ditemukan. Mereka menjadi lampu pijar, yang diciptakan oleh fisikawan Rusia Lodygin. Sejak saat itu, penggunaan praktis teknologi vakum telah berkembang, metode baru untuk memperoleh dan mempelajari keadaan ini telah muncul.
Berbagai jenis pompa vakum telah dibuat dalam waktu singkat:
- rotasi;
- kriosorpsi;
- molekul;
- difusi.
Pada awal abad kedua puluh, akademisi Lebedev berhasil meningkatkan fondasi ilmiah industri vakum. Sampai pertengahan abad terakhir, para ilmuwan tidak mengizinkan kemungkinan untuk mendapatkan tekanan kurang dari 10-6 Pa.
BSaat ini, sistem vakum dibangun serba logam untuk menghindari kebocoran. Pompa kriogenik vakum digunakan tidak hanya di laboratorium penelitian, tetapi juga di berbagai industri.
Misalnya, setelah pengembangan sarana evakuasi khusus yang tidak mencemari objek yang digunakan, muncul prospek baru untuk penggunaan teknologi vakum. Dalam kimia, sistem seperti itu secara aktif digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif sifat zat murni, pemisahan campuran menjadi komponen, dan analisis laju berbagai proses.
