Вакуум в космосе: ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Многие из нас не понимают природу вакуума и до сих пор считают, что вакуум – это просто ничто, пустота, пространство, лишенное материи и молекул. Вакуум как Пустота, такое понятие существовало еще в средние века и вызывало большой интерес среди ученых того времени.

В Средние века католическая церковь запрещала все исследования, связанные с пустотой, так как провозглашала это понятие священным. В 1211 году Уставом Парижского Собора заниматься “пустотой” было разрешено только теологам. Натурфилософы не имели такого права. Одним из главных постулатов теологии был: “Природа боится Пустоты”.

В 1640 году итальянский ученый Галилео Галилей, занятый в то время проектированием и строительством колодцев во Флоренции, определил “Силу боязни Пустоты” и показал, что она составляет 10 метров водяного столба или 1 кг на см². Кто бы мог подумать, что на данном принципе будет построена аэрация водоемов и выбор насос компрессоров для пруда.

В 1643 году Эвангиелисто Торичелли, ученик Галилея, измерил эту силу, используя стеклянную трубку, запаянную с одного конца, и показал, что эта сила уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм. Пустое пространство под поверхностью ртути было названо “Торригеллева пустота”, так как считали его абсолютно пустым. Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути с давлением около 1,2х10^-3 мм. рт.ст (или 1,6х10^-1 Па). Позже единица давления в 1 мм.рт.ст была названа тором в честь Торичелли. Большинство средств измерений вакуума, вакуумных датчиков, их диапазоны измерений указывается в торах. Более подробно с единицами измерения вакуума можно ознакомиться в технической статье по вакуумным датчикам.

В 1648 году Блез Паскаль открыл, что “Сила боязни Пустоты” была ничем иным, как атмосферным давлением. Сначала он повторил опыты Торичелли с трубкой и ртутью. Затем он попросил своего свояка Флорена Перье повторить этот эксперимент сначала у подножья горы Пюи де Дом, а затем на вершине. Эксперимент был проведен в присутствии горожан города Клермона 16 сентября 1648 года и показал разницу уровней столба ртути 82,5 мм для высоты 1,5 км. Паскаль был первым, кто доказал, что атмосферные газы создают давление. В честь этого открытия современная единица давления названа Паскалем (1 Па = 0,0076 тор). Вся вакуумная техника, характеристики вакуумных насосов, а точнее значение уровня вакуума указывается по системе измерений СИ в Паскалях.

В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга, сконструировавший первый воздушный насос с водяным уплотнением, осуществил свои знаменитые эксперименты с “Магдебургскими полушариями”.

В 1825 году Жан Батист Дюма, французский химик получил низкое давление путем конденсации паров воды в закрытом объеме. В 1835 году Роберт Бунзен, немецкий химик, получил вакуум с использованием струи жидкости, но все эти изобретения не использовались на практике, так как в них не было технической потребности.

Далее выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. В XVIII столетии Фарадей утверждал, что материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею.

В 1887 году русские ученые Столетов и Герц открыли явление фотоэлектронной эмиссии. Эти выдающиеся технические открытия заложили техническую и экономическую основу для бурного развития вакуумных технологий в мире.

В 1874 году шотландец Мак Леод изобрел компрессионный манометр, а итальянец Пирани – манометр сопротивления, позволяющие измерять давления в низком и среднем вакууме.

В 1884 году итальянский инженер Малиньяни впервые использовал сорбент (фосфор) для улучшения вакуума в электрической лампе. Зарождение идеи создания адсорбционных и геттерных вакуумных насосов.

В 1904 году француз Дюар впервые использовал активированный уголь, охлажденный жидким азотом для сорбции (откачки) газов. Всем известные сосуды Дюара для хранения жидкого азота.

В 1906 году немецкий инженер Геде изобрел вращательный ртутный, а затем вращательный масляный насосы. Пять лет позже он изобрел молекулярный вращательный насос. Потом появились современные турбомолекулярные насосы.

В период с 1914 по 1916 гг.  парортутный диффузионный насос был практически одновременно изобретен в трех странах, разделенных границами Первой Мировой войны: в России – профессор Боровиком, в Германии – Геде, во Франции – Ленгмюром.

В 1916 году американский ученый Бакли изобрел ионизационный манометр. В 1928 году Берч изобрел паромасляный диффузионный насос, в котором ртуть была заменена маслом.

Фундаментальные основы вакуумной техники были созданы в начале ХХ века теоретическими работами Дешмана (Америка), Ленгмюра (Франция), Кэмпбелла (Англия), Кнудсена (Голландия), а также русскими учеными – академиком Иоффе и профессором Богуславским.

В настоящее время без вакуума не обходится ни одна сфера науки и промышленности. Испытания в вакууме, термовакуумные испытания, исследования физики вакуума, возникновения вселенной. Более подробно области применения вакуума описаны в статье, применение вакуума в науке и промышленности.

Вернемся к описанию вакуума, пространства и времени. Абсолютно любая область космического пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи, будто магнитными полями, влиянием гравитации, излучениями и другими полями. Большая часть космоса состоит из темной материи и энергии, 96% космоса и только 4 % скопления газа и звезды. Состав и природа темной материи на настоящий момент не известны.

Подумайте только, вообразите себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, откачать воздух и удалить из вакуумного объема вакуумной камеры все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «Нечто». Определенный запас энергии, который у ва­куума нельзя отобрать никакими способами. Что говорить о существовании неизведанной темной материи. Но человечество любопытно в своих стремлениях, и кто знает, какие ждут нас открытия в будущем.

Обнаружились неожиданные и интересные факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, порождать вещество. Мало того, с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения, он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

Помню, учась в институте на первом курсе кафедры, нам преподавали основы вакуумной техники, отец меня спросил, решив поймать на вопросе: скажи мне, а существует Эхо в вакууме? Я задумался, в лесу распространение звука есть, мы слышим его в виде Эхо, а что происходит в вакууме? Я честно признаюсь, я колебался с ответом и не мог ответить на вопрос, но посетили мысли о том, как может звук распространяться в вакууме, ведь нет ничего, от чего он может отражаться.

Вакуум взаимодействует с вакуумом? Значит ли это, что рушится один из самых основных законов природы, закон сохранения материи? Меня часто посещают мысли, вакуум как нечто материальное, особая форма существовании материи, а некоторые ученые предлагают считать ВАКУУМ особым состоянием вещества. Тут больше философский интерес, ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материи. Может быть, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи.

В частности, советский ученый высказал интересные гипотезы о том, что вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокуп­ность, своеобразное единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Не исключена возможность, что с подобной точки зрения удастся объяснить такие явления, как образование космических лучей высоких энергий, вспышки сверхзвезд, образование радиогалактик, а также начало расширения галактик.

О том, что ВАКУУМ — НЕ ПУСТОТА, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.

Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодейст­вий фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами. Вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли. Но тем интереснее узнавать о нем больше и познавать его.

В вакууме, который рассматривается как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.

Если в вакууме покоится заряженная частица — протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от него — суммарный положительный. В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.

Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму». Именно это обстоятельство и дает возможность наблю­дать эффект, о котором идет речь.

Хотя возникающие в «плазме» заряженные частицы «живут» лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался па непреодолимые трудности. Соответствующие эксперименты были проведены учёными на ускорителях, получив непосредственное опытное подтверждение природы вакуума.

Мне хочется верить в предположение ряда ученых, что в будущем на смену современной физической картине мира, которая базируется на взаимодействие различных полей электромагнитных, гравитационных и других — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а все существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» на его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.

Еще с появлением теории относительности была обнаружена тесная связь между свойствами материи и свойствами пространства и времени. При этом до сих пор мы исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи вещества, частицы, полей, а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит наоборот: свойства материи представляют собой не что иное, как проявление определенных геометрических свойств, так сказать, пространственно-вре­менного «каркаса».

Согласно современным физическим воззрениям, реальное пространство Вселенной, в котором мы живем, является «трехмерным» и «односвязным». Первое из этих свойств означает, что в нашем пространстве через одну точку можно провести только три взаимно перпендикулярные прямые линии. Правда, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна в природе существует и еще одно, четвертое измерение: Время. Но это четырехмерное «пространство-время» теории относительности фактически является лишь математическим приемом, позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить о том, что мы с точки зрения теории относительности живем в четырехмерном мире, можно лишь в том смысле, что все происходящие в природе события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Есть и зоны, где происходят явления, которые вообще трудно даже себе представить: здесь временная координата меняется ролями с одной из пространственных, время как бы превращается в расстояние, а расстояние — Время.

Разумеется, в любом случае высшим и окончательным судьей истинны или ложности любой теории остается эксперимент. Но, тем не менее, физический анализ способен оказывать весьма существенную помощь при оценке тех или иных ситуаций, складывающихся в процессе изучения природы вакуума и выборе наиболее эффективных путей дальнейшего исследования.

Компания ВАКТАЙМ занимается поставкой специализированных исследовательских  комплексов, разработкой научного и инновационного вакуумного оборудования, проектированием сложных вакуумных систем, монтажом вакуумных систем откачки, систем имитации условий космического пространства. Таких как имитация космоса, холодного космического пространства, где температуры могут достигать температур жидкого азота, имитация вакуума и теплового излучения земли, излучения солнца, испытаний объектов в вакууме.

Технические специалисты компании ВАКТАЙМ окажут поддержку и консультацию в вопросах подбора вакуумного оборудования для проведения Ваших исследований, предложат различные варианты компоновок вакуумных систем, посоветуют аналитическое оборудование для определения остаточного состава атмосферы в вакуумной камере, спроектируют и изготовят вакуумные камеры для Ваших задач.

Компания ВАКТАЙМ поставляет и изготавливает вакуумные откачные стенды для создания сверхвысокого вакуума менее 10^-11 Паскаля. Сверхвысоковакуумная камера для Ваших исследований  и экспериментов в вакууме. Узнайте больше в разделе вакуумные камеры.

              

          Компания ВАКТАЙМ поставляет средства измерения вакуума для низкого и высокого вакуума, в том числе известный вакуумметр итальянского ученого Пирани. В честь этого ученого названы самые распространённые вакуумметры мира. Более подробно вы можете ознакомиться в статье «Cредства измерения вакуума, история вакуумметры».

           Какие бы перед Вами задачи в области исследования и применения вакуума не стояли, компания ВАКТАЙМ поможет Вам с решением, предложит необходимые способы реализации с помощью самого современного вакуумного оборудования. Если Вы хотите купить вакуумный насос, купить вакуумный датчик, ищите лучшее предложение по цене и технике, но не знаете цену на вакуумный насос, позвоните нашим инженерам и мы поможем подобрать оптимальный вариант для Вас.

Что такое вакуум и где мы его используем

В самом строгом смысле вакуум — это область пространства, в которой полностью отсутствует материя. Этот термин представляет собой абсолютную пустоту, и главная его проблема заключается в том, что он описывает идеальное состояние, которое не может существовать в реальном мире. Еще никто не нашел способа создать идеальный вакуум такого типа в земных условиях, и по этой причине термин также используется для описания пустых областей космоса.

Но вакуум все же есть и в областях, находящихся чуть ближе к нашей повседневной жизни. Рассказываем, что это такое, простыми словами.

В большинстве случаев вакуум — это емкость, из которой максимально удалены все газы, в том числе воздух. Космическое пространство, действительно, наиболее близко к идеальному вакууму: астрономы считают, что пространство между звездами в некоторых случаях состоит не более чем из одного атома или молекулы на кубический километр.

Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию

Чтобы поговорить о «земном вакууме», необходимо вспомнить о давлении. Давление возникает в результате воздействия молекул в газе или жидкости на их окружение, обычно на стенки вмещающего сосуда, будь то бутылка газировки или ваша черепная коробка. Величина давления зависит от силы ударов, которые молекулы «наносят» по определенной территории, и измеряется в «ньютонах на квадратный метр» — эта единица измерения имеет специальное название «паскаль».

Соотношение между давлением (p), силой (F) и площадью (A) определяется следующим уравнением: p = F / A — оно применимо независимо от того, низкое ли давление, как, например, в космосе, или же очень высокое, как в гидравлических системах.

В целом, несмотря на то что определение вакуума неточно, обычно под ним понимается давление ниже, а часто и значительно ниже атмосферного. Вакуум образуется при удалении воздуха из замкнутого пространства, в результате которого возникает перепад давления между этим пространством и окружающей его атмосферой. Если пространство ограничено подвижной поверхностью, атмосферное давление будет сжимать ее стенки вместе — величина удерживающей силы зависит от площади поверхности и уровня вакуума. По мере удаления все большего количества воздуха перепад давления увеличивается, и потенциальная сила вакуума также становится больше.

Поскольку удалить все молекулы воздуха из контейнера практически невозможно, невозможно добиться и идеального вакуума

В промышленных и домашних масштабах (например, если вы решили убрать в вакуумные пакеты зимний пуховик) эффект достигается за счет вакуумных насосов или генераторов разных размеров, которые и удаляют воздух. Насос, состоящий из поршня в цилиндре, прикреплен к закрытой емкости, и с каждым ходом насоса часть газа из баллона удаляется. Чем дольше работает насос, тем лучше создается разрежение в емкости.

Каждый, кто когда-либо откачивал воздух из пакета для хранения одежды, отжимал крышку пластикового контейнера, чтобы выпустить воздух из емкости, или ставил банки (а также ходил на вакуумный массаж), сталкивался в своей жизни с вакуумом. Но, конечно, самый распространенный пример его использования — это обычный бытовой пылесос. Вентилятор пылесоса постоянно удаляет воздух из канистры, создавая частичный вакуум, а атмосферное давление снаружи пылесоса выталкивает воздух в канистру, забирая с собой пыль и грязь, взбалтываемые щеткой в ​​передней части пылесоса.

Еще один пример — это термос. Термос состоит из двух бутылок, вложенных друг в друга, и пространство между ними представляет собой вакуум. В отсутствие воздуха тепло не проходит между двумя бутылками так легко, как это было бы в нормальном состоянии. В результате горячие жидкости внутри контейнера сохраняют тепло, а холодные жидкости остаются холодными, потому что тепло не может в них проникнуть.

Итак, уровень вакуума определяется перепадом давления между внутренним пространством и окружающей атмосферой. Двумя основными ориентирами во всех этих измерениях являются стандартное атмосферное давление и идеальный вакуум. Для измерения вакуума можно использовать несколько единиц, но общепринятая метрическая единица — миллибар, или мбар. В свою очередь, атмосферное давление измеряется барометром, который в простейшем варианте состоит из откачанной вертикальной трубки с закрытым верхним концом и нижним концом, находящимся в контейнере со ртутью, открытом для атмосферы.

Давление атмосферы действует на открытую поверхность жидкости, заставляя ртуть подниматься в трубку. «Нормальным» атмосферным давлением называется давление, равное весу ртутного столба высотой 760 мм, находящегося при температуре 0.0 °C, на широте 45° и на уровне моря.

Уровень вакуума можно измерить несколькими типами манометров:

• Манометр с трубкой Бурдона является компактным и наиболее широко используемым устройством — измерение основано на деформации изогнутой эластичной трубки при приложении вакуума к отверстию манометра.

• Электронным аналогом является вакуумный датчик. Вакуум или давление отклоняют эластичную металлическую диафрагму в датчике, и это отклонение изменяет электрические характеристики взаимосвязанной схемы — в итоге мы получаем электронный сигнал, который представляет уровень вакуума.

• Манометр с U-образной трубкой показывает разницу между двумя давлениями. В простейшем виде этот манометр представляет собой прозрачную U-образную трубку, наполовину заполненную ртутью. Когда оба конца трубки находятся под атмосферным давлением, уровень ртути в каждом колене одинаков. Приложение вакуума к одной стороне заставляет ртуть в ней подниматься и опускаться с другой стороны — разница в высоте между двумя уровнями и показывает уровень вакуума.

На шкалах большинства манометров❓Приборы для измерения давления газа и жидкостей в замкнутом пространстве. атмосферному давлению присвоено нулевое значение, следовательно, измерения вакуума всегда должны быть меньше нуля.

Анна Веселко

Теги

#наука

#давление

#космос

#пространство

#просто о сложном

#газ

#воздух

#вакуум

Понятие, уровни вакуума и единицы измерения Vuototecnica. КИП-Сервис: промышленная автоматика.

Термин «вакуум«, как физическое явление — среда, в которой давление газа ниже атмосферного давления.

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м²). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.

---

Уровни вакуума

В зависимости от того, на сколько давление ниже атмосферного (101325 Па), могут наблюдаться различные явления, вследствие чего могут использоваться различные средства для получения и измерения такого давления. В наше время выделяют несколько уровней вакуума, каждый из которых имеет свое обозначение в соответствии с интервалами давления ниже атмосферного:

• Низкий вакуум (НВ): от 10⁵ до 10² Па,
• Средний вакуум (СВ): от 10² до 10^-1 Па,
• Высокий вакуум (ВВ): от 10^-1 до 10^-5 Па,
• Сверхвысокий вакуум (СВВ): от 10^-5 до 10^-9 Па,
• Черезвычайно высокий вакуум (ЧВВ): <10^-9 Па.

---

Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.

— Низкий вакуум: в основном используется там где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д.

Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.

— Промышленный вакуум: термин “промышленный вакуум” соотвествует уровню вакуума от -20 до -99 кПа. Данный диапазон используется в большинстве применений. Индустриальный вакуум получают с помощью ротационных, жидкостно-кольцевых,поршневых насосов и лопастных вакуумных генераторов по принципу Вентури. Область применения промышленного вакуума включает в себя захват присосками, термоформование, вакуумный зажим, вакуумная упаковка и др.

— Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа. Такой уровень вакуума получают при помощи двухуровневых ротационных насосов, эксцентриковых роторных насосов, вакуумных насосов Рутса, турбомолекулярных насосов, диффузионных насосов, криогенных насосов и т.д.

Такой уровень вакуума используется в основном при лиофилизации, металлизации и термообработке. В науке технический вакуум используется в качестве симуляции космического пространства.

Наивысшее значение вакуума на земле значительно меньше значения абсолютного вакуума, которое остается чисто теоретическим значением. Фактически, даже в космосе, несмотря на отсутствие атмосферы, имеется небольшое количество атомов.

Основным толчком к развитию вакуумных технологий послужили исследования в промышленной области. В настоящий момент существует большое количество применений в различных секторах. Вакуум используется в электролучевых трубках, лампах накаливания, ускорителях частиц, в металлургии, пищевой и аэрокосмической индустрии, в установках для контроля ядерного синтеза, в микроэлектронике, в стекольной и керамической промышленности, в науке, в промышленной роботехнике, в системах захвата с помощью вакуумных присосок и т.д.

Вакуумные системы множественного захвата ‘ОКТОПУС’Захват металлических листов, стекла, мрамора, дерева и т.д. при помощи вакуумных присосокПеремещение гранул порошка, жидкостей и т. п.

---

Фиксированная дозировка объемаЗахват яиц вакуумными присоскамиПеремещение и маркировка с помощью присосок

---

Открытие пакетов с помощью присосок. Упаковочный датчикВакуумная пропиткаВакуумные цилиндры для отслаивания

---

Вакуумное формование полимеровВакуумная упаковкаВакуумная опрессовка

Вакуумные присоски незаменимый инструмент для захвата, подъёма и перемещения предметов, листов и различных объектов, которые трудно перемещать обычными системами, из-за их хрупкости или риска деформации.

При правильном применении присоски обеспечивают удобство, экономичность и безопасность работы, что является фундаментальным принципом для идеальной реализации проектов автоматизации на производстве.

Продолжительные исследования и внимание к требованиям наших клиентов, позволили нам производить присоски выдерживающие высокие и низкие температуры, абразивный износ, электростатические разряды, агрессивные среды, а так же не оставляют пятен на поверхности переносимых предметов. Помимо этого, присоски соответствуют стандартам безопасности EEC и пищевым стандартам FDA, BGA, TSCA.

Все присоски изготавливаются из высококачественных компонентов методом вакуумного формования и подвергаются антикоррозионной обработке для долгого срока службы. Независимо от конфигурации, все присоски имеют свою маркировку.

---

Система множественного захвата Октопус.

Далее: Принцип действия вакуумных присосок.

Что такое космический вакуум?

В «Частном дневнике» Анри Фредерика Амьеля знаменитый философ заявил, что «Единообразие […] создает пустоту, а Природа не терпит пустоты». Однако большинство астронавтов, вероятно, осознавали тот факт, что их окружение на самом деле представляет собой вакуум.

Тогда может возникнуть вопрос: «Почему вообще существует вакуум?»

Космос по большей части пуст, но на самом деле он не пуст. Кредиты изображения: Джереми Томас.

Во-первых, давайте избавимся от заблуждения. Когда вы думаете о вакууме, обычно думают о чем-то с нехваткой воздуха. Один из забавных способов попробовать это — взять пустую бутылку и попробовать высосать из нее весь воздух. Если бы вы могли сделать это идеально (осторожно, спойлер, вы не можете), вы бы создали вакуум внутри бутылки, из-за чего она прилипает к вашим губам. Пока горлышко бутылки не имеет промежутков между ним и вашими губами, это даст вам возможность вертеть ею головой, как вам заблагорассудится, а также даст вам возможность привлекать раздраженные взгляды вашей жены.

РЕКЛАМА

Однако, если подумать, космос не является настоящим вакуумом; на самом деле нет такой вещи, как вакуум.

Пустота

Слово происходит от латинского прилагательного vacuus, означающего «пустой» или «пустой», однако существует множество вещей, на самом деле заполняющих пространство, которое мы называем космическим вакуумом.

«(W)когда мы говорим, что космическое пространство (пространство за пределами атмосферы планет и звезд) является «вакуумом» или «пустым», мы на самом деле имеем в виду, что космическое пространство почти пусто или почти идеальный вакуум», объясняет доктор Кристофер С. Бэрд, доцент кафедры физики Западно-Техасского университета A&M, в своем блоге «Научные вопросы с неожиданными ответами».

«На самом деле, даже в самой отдаленной точке космоса есть газ, пыль, радиация, гравитация и масса других вещей. Не существует такой вещи, как по-настоящему пустое пространство. Если бы мы попытались высосать все частицы из определенного объема, мы бы все равно никогда не смогли его опустошить. Остались бы такие вещи, как флуктуации вакуума, гравитация и темная материя, которые нельзя высосать. При этом космическое пространство очень близко к пустому по сравнению с земной атмосферой».

У древних греков было несколько интересных представлений о вакууме, как и о большинстве вещей. Они не знали, что такое атом, но рассматривали идею атомизма: маленькие вещи, которые заполняют все. Абстрактное понятие действительно пустой пустоты было воспринято со скептицизмом, даже несмотря на то, что Платон оказал некоторую поддержку. Его ученик Аристотель считал, что в природе не может быть пустоты, потому что более плотный окружающий материал просто заполнил бы окружающую среду. 0003

Почти через две тысячи лет после Платона Рене Декарт также предложил теорию, подобную атомизму, но без проблемной материи пустоты. Декарт также соглашался с современным положением о том, что вакуума в природе не существует.

РЕКЛАМА

Тем не менее, по сей день идея вакуума остается несколько неопределенной среди физиков, особенно с такими понятиями, как темная материя и темная энергия в смеси.

Создание пылесоса

Изображение предоставлено JD Hancock.

Тем не менее, это еще не дало точного ответа на вопрос «что вызывает вакуум».

Если коротко, то в пустоте космоса давление настолько низкое, что все молекулы стремятся максимально расшириться. Это расширение, в свою очередь, создает вакуум, о существовании которого мы все знаем, а также то, что приводит к развитию звезд и планет, которые мы видим в нашем ночном небе.

Поскольку космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление, оно создает что-то очень близкое к вакууму, но это все же не идеальный вакуум. Даже в межзвездном пространстве на каждый кубический метр приходится несколько атомов водорода.

«Каждая частица материи, какой бы маленькой она ни была, оказывает гравитационное притяжение на все другие частицы материи», — говорит Бэрд. «По прошествии достаточного времени гравитация заставляет гигантские облака газа в космосе сгущаться, несмотря на то, что сила гравитации очень слаба. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена почти однородной смесью водорода и гелия. За миллиарды лет гравитация притянула большую часть этих атомов газа в звезды. Внутри ядерной печи звезд водород и гелий сплавлялись, образуя более тяжелые элементы, вплоть до железа».

Более крупные звезды в конце концов погибнут во взрыве сверхновой, создав все встречающиеся в природе элементы тяжелее железа и выбрасывая эти элементы в космос. Со временем более тяжелые элементы конденсируются под действием силы тяжести, образуя небольшие облака и камни. В свою очередь, облака и камни гравитационно притягиваются друг к другу, образуя астероиды, луны и планеты. Космос в основном пуст, потому что материя, которая раньше была там, упала на астероид, планету, луну или звезду под действием гравитации.

Другое заблуждение состоит в том, что воздействие вакуума приводит к мгновенной смерти. В вакууме действительно можно выжить, хотя и очень неудобно.

Исследование, проведенное учеными на базе ВВС Брукс в Техасе в 1965 году, показало, что собаки, подвергавшиеся воздействию почти вакуума — одной трехсот восьмидесятой атмосферного давления на уровне моря — до 90 секунд, всегда выживали, однако во время воздействия, они потеряли сознание и были парализованы.

Они также испытывали серьезный дискомфорт, так как газы, выбрасываемые из их кишечника и желудка, вызывали одновременную дефекацию, рвоту снарядами и мочеиспускание, а также страдали от массивных судорог. Их языки часто покрывались льдом, а собаки раздувались и напоминали «надутый мешок из козьей шкуры», писали авторы. Но после небольшого повышения давления собаки снова сжались, начали дышать, и через 10-15 минут пребывания под давлением на уровне моря им удалось ходить, хотя потребовалось еще несколько минут, чтобы их кажущаяся слепота прошла.

«В любой системе всегда существует вероятность отказа оборудования, который может привести к травме или смерти», — говорит профессор Дартмутской медицинской школы и бывший астронавт НАСА Джей Баки, автор книги «Космическая физиология», вышедшей в 2006 году. «Это просто риск, которому вы подвергаетесь, когда находитесь во враждебной среде и зависите от оборудования вокруг вас. Но если вы можете добраться до кого-то быстро, это хорошо. Часто выходы в открытый космос совершаются с двумя выходцами в открытый космос, и существует непрерывная связь. Так что, если у кого-то проблемы, надеюсь, другой сможет найти их и привести».

Пример из реальной жизни произошел в 1966 году, когда инженер НАСА Джим Леблан случайно попал в почти нулевой вакуум.

Скафандр, который он тестировал, испытал быструю потерю давления из-за отказа оборудования. Он вспомнил ощущение слюны, выкипавшей с его языка, прежде чем он потерял сознание.

Когда давление в камере быстро восстановилось, Леблан быстро пришел в сознание и пошел домой обедать. Другой человек случайно попал в вакуум в промышленной камере; прошло не менее трех минут, прежде чем ему удалось восстановить давление. Ему потребовалась интенсивная медицинская помощь, но в конце концов он полностью восстановил свои функции. Эти примеры показывают, что эбулизм — образование пузырьков газа в жидкостях организма из-за пониженного давления окружающей среды — не является неизбежным смертельным исходом, и тело может прекрасно держаться вместе… по крайней мере, в течение нескольких секунд.

Теги: Космический вакуум

Вакуум — Энциклопедия Нового Света

Инженер открывает большую вакуумную камеру

A вакуум представляет собой объем пространства, практически пустой от материи, поэтому давление газа намного меньше стандартного атмосферное давление. Корнем слова вакуум является латинское прилагательное вакуум , что означает «пустой», но пространство никогда не может быть совершенно пустым. Идеальный вакуум с газовым давлением, равным абсолютному нулю, — это философская концепция, которая никогда не соблюдается на практике, и квантовая теория предсказывает, что ни один объем пространства не является абсолютно пустым таким образом. Физики часто используют термин «вакуум» несколько иначе. Они обсуждают идеальные результаты испытаний, которые, как ожидается, будут иметь место в идеальном вакууме, который они просто называют «вакуумом» или «свободным пространством», и они используют термин 9.0065 частичный вакуум для обозначения несовершенного вакуума, реализованного на практике.

Качество вакуума измеряется тем, насколько близко он приближается к идеальному вакууму. Давление остаточного газа является основным показателем качества и чаще всего измеряется в торрах, даже в метрических контекстах. Более низкое давление указывает на более высокое качество, хотя необходимо учитывать и другие переменные. Квантовая механика устанавливает пределы наилучшего возможного качества вакуума. Космическое пространство — это естественный высококачественный вакуум, в основном гораздо более высокого качества, чем тот, который можно создать искусственно с помощью современных технологий. На протяжении тысячелетий для всасывания использовались низкокачественные искусственные пылесосы.

Содержание

• 1 Применение
• 2 Космос
• 3 Воздействие на людей и животных
• 4 Историческая интерпретация
• 5 Квантово-механическое определение
• 6 Насос
• 7 Дегазация
• 8 Качество
  • 8.1 Примеры
• 9 Измерение
• 10 Свойства
• 11 Альтернативные значения слова «вакуум»
• 12 Примечания
• 13 Каталожные номера
• 14 кредитов

Вакуум был общей темой философских споров со времен Древней Греции, но эмпирически он не изучался до семнадцатого века. Экспериментальные методы были разработаны в соответствии с теориями атмосферного давления Эванджелисты Торричелли. Вакуум стал ценным промышленным инструментом в двадцатом веке с появлением лампочки и вакуумной трубки, и с тех пор стал доступен широкий спектр вакуумных технологий. Недавнее развитие пилотируемых космических полетов вызвало интерес к влиянию вакуума на здоровье человека и формы жизни в целом.

Использование

Лампочки содержат частичный вакуум, обычно заполненный аргоном, который защищает вольфрамовую нить накала.

Вакуум полезен в различных процессах и устройствах. Его первое широкое применение было в лампах накаливания для защиты вольфрамовой нити от химического разложения. Его химическая инертность также полезна для электронно-лучевой сварки, химического осаждения из паровой фазы и сухого травления при производстве полупроводников и оптических покрытий, для холодной сварки и для вакуумной упаковки. Уменьшение конвекции улучшает теплоизоляцию термосов и окон с двойным остеклением. Глубокий вакуум способствует дегазации, которая используется при сублимационной сушке, приготовлении клея, дистилляции, металлургии и очистке технологических процессов. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки, в том числе электронно-лучевые трубки. Устранение трения воздуха полезно для накопителей энергии маховика и ультрацентрифуг.

Всасывание используется для самых разных целей. Паровая машина Ньюкомена использовала вакуум вместо давления для привода поршня. В девятнадцатом веке вакуум использовался для тяги на экспериментальной атмосферной железной дороге Isambard Kingdom Brunel.

Космическое пространство

Основная статья: Космическое пространство

Космический вакуум на самом деле представляет собой разреженную плазму, наполненную заряженными частицами, электромагнитными полями и случайными звездами

Большая часть космического пространства имеет плотность и давление почти идеального вакуума. В нем фактически отсутствует трение, что позволяет звездам, планетам и лунам свободно двигаться по идеальным гравитационным траекториям. Но идеальный вакуум не бывает даже в межзвездном пространстве, где на кубический сантиметр при 10 фПа (10 ⁻¹⁶ торр) приходится несколько атомов водорода. Глубокий космический вакуум может сделать его привлекательной средой для определенных процессов, например тех, которые требуют сверхчистых поверхностей, но для небольших приложений гораздо проще создать эквивалентный вакуум на Земле, чем уйти от земного притяжения.

Звезды, планеты и луны удерживают свою атмосферу за счет гравитационного притяжения, поэтому атмосферы не имеют четко очерченных границ. Плотность атмосферного газа просто уменьшается по мере удаления от объекта. На низкой околоземной орбите (высота около 300 километров) плотность атмосферы составляет около 100 нПа (10 ^-9 торр), что все еще достаточно для создания значительного сопротивления спутникам. Большинство искусственных спутников работают в этом регионе, и им необходимо запускать свои двигатели каждые несколько дней, чтобы поддерживать орбиту.

За пределами планетарных атмосфер давление фотонов и других солнечных частиц становится значительным. Космические корабли могут столкнуться с солнечными ветрами, но планеты слишком массивны, чтобы на них можно было повлиять. Идея использования этого ветра с солнечным парусом была предложена для межпланетных путешествий.

Вся наблюдаемая Вселенная заполнена большим количеством фотонов, так называемым космическим фоновым излучением, и, вполне вероятно, соответствующим большим количеством нейтрино. Текущая температура этого излучения составляет около 3 К, или -270 градусов по Цельсию.

В 1913 году норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд, возможно, первым предсказал, что космос состоит не только из плазмы, но и содержит «темную материю». Он написал:

Кажется естественным следствием нашей точки зрения предположить, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в ходе эволюции выбрасывает в космос электрические частицы. Поэтому не кажется неразумным думать, что большая часть материальных масс во Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом» пространстве. ^[1]

Воздействие на людей и животных

Вакуум в первую очередь оказывает удушающее действие. Люди, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают в течение нескольких минут, но симптомы не столь наглядны, как это обычно показано в поп-культуре. Роберт Бойль (1627-1691) первым показал, что вакуум губителен для мелких животных. Кровь и другие биологические жидкости действительно кипятят (медицинский термин для этого состояния известен как эбулизм), и можно ожидать, что давление паров раздует тело в два раза по сравнению с нормальными размерами и замедлит кровообращение, но ткани эластичны и достаточно пористы, чтобы предотвратить разрыв. . Эбулизм замедляется за счет сдерживания давления в кровеносных сосудах, поэтому часть крови остается жидкой. ^{[2] [3]} Отек и пузырный занос можно уменьшить, надев летный комбинезон. Астронавты космического челнока носят облегающую эластичную одежду, называемую защитным костюмом для экипажа (CAPS), которая предотвращает эбуллизм при вакууме 15 Торр (2 кПа). ^[4] Однако даже при предотвращении эбуллизма простое испарение может вызвать перегибы и газовую эмболию. Быстрое охлаждение кожи испарением приводит к образованию инея, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.

Эксперименты на животных показывают, что быстрое полное выздоровление является нормой при воздействии менее 90 секунд, в то время как более длительное воздействие на все тело приводит к летальному исходу, и реанимация никогда не приводила к успеху. ^[5] Имеются ограниченные данные о несчастных случаях с участием людей, но они согласуются с данными о животных. Конечности могут оставаться незащищенными гораздо дольше, если дыхание не нарушено. Быстрая декомпрессия может быть гораздо опаснее вакуумного воздействия. Если пострадавший задерживает дыхание во время декомпрессии, тонкие внутренние структуры легких могут быть разорваны, что приведет к смерти. Барабанные перепонки могут быть разорваны при быстрой декомпрессии, мягкие ткани могут быть синяками и просачиваться кровью, а стресс от неожиданности ускорит потребление кислорода, что приведет к удушью. ^[6]

Во время Второй мировой войны нацистский режим пытал узников концлагерей, подвергая их экспериментам, имитирующим высокогорье.

Некоторые экстремофильные микроорганизмы могут выживать в вакууме в течение нескольких лет, как и тихоходки.

Историческая интерпретация

Исторически было много споров о том, может ли существовать такая вещь, как вакуум. Древнегреческие философы не любили признавать существование вакуума, спрашивая себя: «Как «ничто» может быть чем-то?» Платон (427-347 г. до н. э. ) нашел идею вакуума немыслимой. Он считал, что все физические вещи были воплощениями абстрактного платоновского идеала, и не мог представить себе «идеальную» форму вакуума. Точно так же Аристотель (384–322 90–185 гг. до н. э. 90–186 гг. ) считал создание вакуума невозможным — ничто не могло быть чем-то. Более поздние греческие философы считали, что вакуум может существовать вне космоса, но не внутри него. Исламский философ Аль-Фараби (850-970 90 185 до н. э. 90 186), по-видимому, провел первые зарегистрированные эксперименты, касающиеся существования вакуума, в ходе которых он исследовал ручные поршни в воде. ^{[7] [8]}

Ртутный барометр Торричелли произвел первый устойчивый вакуум в лаборатории

В Средние века некоторые христиане считали идею вакуума аморальной или даже еретической. Отсутствие чего-либо подразумевало отсутствие Бога и отсылало к пустоте, предшествующей истории сотворения в книге Бытия. Средневековые мысленные эксперименты с идеей вакуума рассматривали вопрос о том, существует ли вакуум, хотя бы на мгновение, между двумя плоскими пластинами, когда они быстро разделяются. Было много дискуссий о том, достаточно ли быстро вошел воздух при разделении пластин, или, следуя Уолтеру Берли, не предотвратил ли «небесный агент» возникновение вакуума, то есть ненавидит ли природа вакуум. Это предположение было прекращено парижским осуждением епископа Этьена Темпье в 1277 году, которое требовало отсутствия ограничений на силы Бога, что привело к выводу, что Бог может создать вакуум, если он того пожелает. ^[9]

Трубка Крукса, которая использовалась для открытия и изучения катодных лучей, была развитием трубки Гейсслера

Оппозиция идее о существовании вакуума в природе продолжилась в период научной революции с участием таких ученых, как Паоло Казати занимает антивакуистическую позицию. Следуя работе Галилея, Евангелиста Торричелли в 1643 году утверждал, что в верхней части ртутного барометра существует вакуум. В 1654 году Отто фон Герике провел свой знаменитый эксперимент с магдебургскими полушариями, показав, что упряжки лошадей не могут разделить два полушария, из которых был откачан воздух. Затем изучение вакуума затянулось до 1855 года, когда Генрих Гейсслер изобрел поршневой ртутный насос и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 Торр). На этом уровне вакуума можно наблюдать ряд электрических свойств, что привело к созданию вакуумной трубки.

В семнадцатом веке теории природы света требовали идеи эфирной среды, которая должна была быть средой для передачи световых волн (Исаак Ньютон использовал эту идею для объяснения преломления и излучаемого тепла). Это превратилось в светоносный эфир девятнадцатого века, но эта идея, как известно, имела существенные недостатки — в частности, если Земля движется через материальную среду, среда должна быть одновременно чрезвычайно разреженной (поскольку Земля не замедляется заметно на своей орбите) и чрезвычайно жесткая (поскольку колебания распространяются очень быстро). Ранние физики постулировали, что этот эфир несет световые волны и является «эфиром, который заполняет межзвездное пространство». ^[10] В статье 1891 года Уильяма Крукса отмечалось: «[высвобождение] окклюзированных газов в космический вакуум» ^[11] . Еще до 1912 года астроном Генри Пикеринг заметил: «Хотя межзвездная поглощающая среда может быть просто эфиром, [она] характерна для газа, и свободные газообразные молекулы определенно присутствуют». ^[12]

В 1887 г. эксперимент Майкельсона-Морли с использованием интерферометра для обнаружения изменения скорости света, вызванного движением Земли относительно эфира, дал знаменитый нулевой результат, показывающий, что на самом деле не было статичной, всепроникающей среды во всем пространстве и через которую Земля двигалась как бы через ветер.Если тогда нет эфира и не требуется такой сущности для распространения света, то пространство между звездами не совсем пусто.Кроме различных частицы, составляющие космическое излучение, существует космический фон фотонного излучения (света), в том числе тепловой фон около 2,7 К, рассматриваемый как реликт так называемого Большого взрыва. Ни одно из этих явлений не влияет на исход Майкельсона -Эксперимент Морли в какой-либо значительной степени.

Альберт Эйнштейн (1879-1955) утверждал, что физические объекты не расположены в пространстве, а имеют пространственную протяженность. С этой точки зрения понятие пустого пространства теряет смысл. Скорее, пространство — это абстракция, основанная на отношениях между локальными объектами. Тем не менее общая теория относительности допускает всепроникающее гравитационное поле, которое, по словам самого Эйнштейна, можно рассматривать как «эфир» со свойствами, меняющимися от одного места к другому. Только надо остерегаться приписывать ему материальные свойства вроде скорости и т.п.

В 1930 году Поль Дирак предложил модель вакуума как бесконечного моря частиц, обладающих отрицательной энергией, названного морем Дирака. Эта теория помогла уточнить предсказания его ранее сформулированного уравнения Дирака и успешно предсказала существование позитрона, который был открыт двумя годами позже, в 1932 году. Несмотря на этот ранний успех, от этой идеи вскоре отказались в пользу более элегантной квантовой теории поля.

Развитие квантовой механики усложнило современную интерпретацию вакуума, требуя неопределенности. Нильс Бор (1885-1919 гг.)62), принцип неопределенности Вернера Гейзенберга и копенгагенская интерпретация, сформулированные в 1927 г. , предсказывают фундаментальную неопределенность положения любой частицы, которая, подобно гравитационному полю, ставит под сомнение пустоту пространства между частицами. В конце двадцатого века этот принцип понимался также как предсказание фундаментальной неопределенности числа частиц в области пространства, а это означает, что нельзя с абсолютной уверенностью утверждать, что определенная область пространства не содержит частиц. Как ни странно, Платон был прав, хотя бы случайно.

Квантово-механическое определение

Даже идеальный вакуум на практике — рассматриваемый как полное отсутствие чего-либо — не останется пустым. Одна из причин заключается в том, что стенки вакуумной камеры излучают свет в виде излучения абсолютно черного тела: видимый свет, если они имеют температуру в тысячи градусов, и инфракрасный свет, если они холоднее. Если этот суп фотонов находится в термодинамическом равновесии со стенками, можно сказать, что он имеет определенную температуру, а также давление. Другой причиной невозможности идеального вакуума является принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что ни одна частица не может иметь точного положения. Каждый атом существует как функция вероятности пространства, имеющая некоторое ненулевое значение везде в данном объеме. Даже пространство между молекулами не является идеальным вакуумом.

Более фундаментально квантовая механика предсказывает, что энергия вакуума никогда не может быть равна нулю. Наинизшее возможное энергетическое состояние называется нулевой энергией и состоит из кипящей массы виртуальных частиц, которые существуют недолго. Это называется флуктуациями вакуума. Хотя большинство согласны с тем, что это представляет собой значительную часть физики элементарных частиц, эта концепция выиграет от более глубокого понимания, чем доступное в настоящее время. Вакуумные флуктуации также могут быть связаны с так называемой космологической постоянной в теории тяготения, если бы эта сущность действительно наблюдалась в природе в макроскопическом масштабе. Лучшим свидетельством флуктуаций вакуума являются эффект Казимира и сдвиг Лэмба. ^[9]

В квантовой теории поля и теории струн термин «вакуум» используется для обозначения состояния с минимально возможной энергией. В свободных (невзаимодействующих) квантовых теориях поля это состояние аналогично основному состоянию квантового гармонического осциллятора. Если теория получена путем квантования классической теории, каждая стационарная точка энергии в конфигурационном пространстве порождает единственный вакуум. Считается, что теория струн аналогична квантовой теории поля, но с огромным количеством вакуумов — с так называемым антропным ландшафтом.

Откачка

Ручной водяной насос забирает воду из колодца, создавая вакуум, который заполняется водой. В некотором смысле, он действует для опорожнения скважины, хотя высокая скорость утечки грязи не позволяет поддерживать высокое качество вакуума в течение любого промежутка времени.

Жидкости нельзя вытягивать, поэтому технически невозможно создать вакуум путем всасывания. Всасывание — это перемещение жидкости в вакуум под действием более высокого внешнего давления, но сначала необходимо создать вакуум. Самый простой способ создать искусственный вакуум — увеличить объем контейнера. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что вызывает увеличение объема легких. Это расширение снижает давление и создает частичный вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Чтобы бесконечно продолжать вакуумировать камеру, не требуя бесконечного роста, отсек вакуума можно неоднократно закрывать, опустошать и снова расширять. Это принцип, лежащий в основе поршневых насосов, таких как, например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания глубокого вакуума. Из-за перепада давления часть жидкости из камеры (или скважины, в нашем примере) выталкивается в маленькую полость насоса. Затем полость насоса отделяют от камеры, открывают для атмосферы и сжимают обратно до мельчайших размеров.

Вид в разрезе турбомолекулярного насоса, насоса с передачей импульса, используемого для достижения высокого вакуума

Было разработано множество вариантов объемного насоса, и многие другие конструкции насосов основаны на принципиально разных принципах. Насосы с передачей импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут создавать более качественный вакуум, чем объемные насосы. Улавливающие насосы могут улавливать газы в твердом или абсорбированном состоянии, часто без движущихся частей, без уплотнений и без вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет важные ограничения производительности. Все они имеют общие трудности с откачкой низкомолекулярных газов, особенно водорода, гелия и неона.

Минимальное давление, которое может быть достигнуто в системе, также зависит от многих других факторов, помимо характера насосов. Несколько насосов могут быть соединены последовательно, так называемые ступени, для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки — все это будет иметь значение. В совокупности они называются вакуумная техника . И иногда конечное давление не единственная важная характеристика. Насосные системы отличаются загрязнением масла, вибрацией, предпочтительной откачкой определенных газов, скоростью откачки, прерывистым рабочим циклом, надежностью или устойчивостью к высоким уровням утечек.

В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень странные пути утечки и источники выделения газа, а некоторые масла и смазки будут выкипать в условиях экстремального вакуума. Возможно, придется учитывать пористость металлических стенок камеры.

Самые низкие давления, достижимые в настоящее время в лаборатории, составляют около 10 ^-13 Торр. ^[14]

Дегазация

Испарение и сублимация в вакууме называется дегазацией. Все твердые и жидкие вещества имеют небольшое давление пара, и их дегазация становится важной, когда давление окружающей их среды падает ниже этого давления пара. В искусственных системах дегазация имеет тот же эффект, что и утечка, и может ограничивать достижимый вакуум. Продукты дегазации могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они затеняют оптические приборы или реагируют с другими материалами. Это очень важно для космических миссий, где закрытый телескоп или солнечная батарея могут испортить дорогостоящую миссию.

Наиболее распространенным продуктом дегазации в искусственных вакуумных системах является вода, поглощаемая материалами камеры. Его можно уменьшить путем высушивания или прокаливания камеры и удаления абсорбирующих материалов. Выделяющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко снижать их чистую скорость, если не используется газовый балласт. Высоковакуумные системы должны быть чистыми и не содержать органических веществ, чтобы свести к минимуму дегазацию.

Системы сверхвысокого вакуума обычно прокаливаются, предпочтительно под вакуумом, для временного повышения давления паров всех выделяющих газ материалов в системе и их выкипания. После выпаривания и вакуумирования основной массы выделяющихся материалов систему можно охладить, чтобы снизить давление паров и свести к минимуму остаточное выделение газов во время фактической работы. Некоторые системы охлаждаются жидким азотом значительно ниже комнатной температуры, чтобы остановить остаточную дегазацию и одновременно заморозить систему.

Качество

Качество вакуума определяется количеством вещества, оставшегося в системе. Вакуум в первую очередь измеряется его абсолютным давлением, но для полной характеристики требуются дополнительные параметры, такие как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое молекулы проходят между столкновениями друг с другом. По мере уменьшения плотности газа MFP увеличивается, и когда MFP длиннее, чем камера, насос, космический корабль или другие присутствующие объекты, допущения континуума гидромеханики не применяются. Это вакуумное состояние называется высокого вакуума , и изучение течений жидкости в этом режиме называется газодинамикой частиц. MFP воздуха при атмосферном давлении очень короткий, 70 нанометров, но при 100 мПа (~ 1 × 10 ^-3 Торр) MFP воздуха комнатной температуры составляет примерно 100 миллиметров, что соответствует порядку повседневных предметов, таких как вакуумные трубки. Радиометр Крукса поворачивается, когда MFP больше, чем размер лопастей.

Глубокий космос , как правило, гораздо более пуст, чем любой искусственный вакуум, который можно создать в лаборатории, хотя во многих лабораториях можно достичь более низкого вакуума, чем на низкой околоземной орбите. В межпланетном и межзвездном пространстве изотропное газовое давление незначительно по сравнению с солнечным давлением, солнечным ветром и динамическим давлением, поэтому определение давления становится трудным для интерпретации. Астрофизики предпочитают использовать числовую плотность для описания этих сред в единицах частиц на кубический сантиметр. Средняя плотность межзвездного газа составляет около одного атома на кубический сантиметр. ^[15]

Качество вакуума подразделяется на диапазоны в зависимости от технологии, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепринятых определений (отсюда пробелы ниже), но типичное распределение выглядит следующим образом:

760 торр 101 кПа Низкий вакуум от 760 до 25 торр от 100 до 3 кПа Средний вакуум от 25 до 1×10 ^-3 торр от 3 кПа до 100 мПа Высокий вакуум 1×10 ^-3 до 1×10 ^-9 торр от 100 мПа до 1 мкПа Сверхвысокий вакуум 1×10 ^-9 до 1×10 ^-12 торр от 100 нПа до 100 пПа Сверхвысокий вакуум <1×10 ^-12 торр <100 пПа Космос 1×10 ^-6 до <3×10 ^-17 торр от 100 мкПа до <3 фПа Идеальный вакуум 0 торр 0 Па

• Атмосферное давление варьируется, но стандартизировано на уровне 101,325 кПа (760 торр)
• Низкий вакуум , также называемый грубый вакуум или грубый вакуум , представляет собой вакуум, который можно получить или измерить с помощью элементарного оборудования, такого как пылесос и жидкостный манометр.
• Средний вакуум — это вакуум, которого можно достичь с помощью одного насоса, но который слишком низок для измерения с помощью жидкостного или механического манометра. Его можно измерить датчиком Маклеода, термометром или емкостным датчиком.
• Высокий вакуум — это вакуум, при котором MFP остаточных газов превышает размер камеры или испытуемого объекта. Высокий вакуум обычно требует многоступенчатой ​​откачки и измерения ионометром. В некоторых текстах проводится различие между высоким вакуумом и очень высокий вакуум.
• Сверхвысокий вакуум требует прокаливания камеры для удаления следовых газов и других специальных процедур.
• Глубокий космос вообще гораздо более пуст, чем любой искусственный вакуум, который мы можем создать.
• Идеальный вакуум — идеальное состояние, которое невозможно получить ни в лаборатории, ни даже в открытом космосе.

Примеры

Пылесос	около 80 кПа	(600 торр)
жидкостно-кольцевой вакуумный насос	примерно 3,2 кПа	(24 торр)
сублимационная сушка	от 100 до 10 Па	(от 1 до 0,1 торр)
пластинчато-роторный насос	от 100 Па до 100 мПа	(от 1 Торр до 10 -3 Торр)
Лампа накаливания	от 10 до 1 Па	(от 0,1 до 0,01 торр)
Термос	от 1 до 0,1 Па	(от 10 −2 до 10 −3 торр)
Околоземное космическое пространство	примерно 100 мкПа	(10 −6 Торр)
Камера МЛЭ с криогенной накачкой	от 100 нПа до 1 нПа	(от 10 −9 Торр до 10 −11 Торр)
Давление на Луну	примерно 1 нПа	(10 −11 Торр)
Межзвездное пространство	примерно 1 фПа	(10 −17 Торр)

Измерение

Вакуум измеряется в единицах давления. Единицей давления в СИ является паскаль (аббревиатура Па), но вакуум обычно измеряется в торрах. Торр равен смещению миллиметра ртутного столба (мм рт. ст.) в манометре, при этом 1 торр равен 133,3223684 паскаля выше абсолютного нулевого давления. Вакуум часто также измеряют с помощью микрометров ртутного столба, барометрической шкалы или в процентах от атмосферного давления в барах или атмосферах. Низкий вакуум часто измеряется в дюймах ртутного столба (inHg) ниже атмосферного. «Ниже атмосферного» означает, что абсолютное давление равно атмосферному давлению (290,92 дюйма ртутного столба) минус давление вакуума в дюймах ртутного столба. Таким образом, вакуум 26 дюймов ртутного столба эквивалентен абсолютному давлению (29,92-26) или 4 дюйма ртутного столба.

Стеклянный манометр Маклеода, очищенный от ртути

Многие устройства используются для измерения давления в вакууме, в зависимости от необходимого диапазона вакуума. ^[18]

Гидростатические манометры (такие как ртутный манометр) состоят из вертикального столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются разным давлениям. Колонна будет подниматься или опускаться до тех пор, пока ее вес не уравновесится перепадом давления между двумя концами трубы. Самая простая конструкция представляет собой U-образную трубку с закрытым концом, одна сторона которой соединена с интересующей областью. Можно использовать любую жидкость, но ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности и низкого давления паров. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от 1 торр (100 Па) до давления выше атмосферного. Важным вариантом является датчик Маклеода, который изолирует известный объем вакуума и сжимает его, чтобы умножить изменение высоты столба жидкости. Манометр Маклеода может измерять вакуум до 10 ⁻⁶ торр (0,1 мПа), что является самым низким прямым измерением давления, которое возможно с помощью современных технологий. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно путем измерения других свойств, контролируемых давлением. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ с помощью прямого измерения, чаще всего с помощью датчика Маклеода. ^[19]

Механические или эластичные манометры зависят от трубки Бурдона, диафрагмы или капсулы, обычно изготовленных из металла, которые изменяют форму в ответ на давление в рассматриваемой области. Разновидностью этой идеи является 9Емкостной манометр 0065 , в котором диафрагма является частью конденсатора. Изменение давления приводит к изгибу диафрагмы, что приводит к изменению емкости. Эти манометры эффективны от 10 ^-3 торр до 10 ^-4 торр.

Датчики теплопроводности полагаются на тот факт, что способность газа проводить тепло уменьшается с увеличением давления. В манометрах этого типа проволочная нить нагревается за счет пропускания через нее тока. Затем можно использовать термопару или датчик температуры сопротивления (RTD) для измерения температуры нити накала. Эта температура зависит от скорости, с которой нить отдает тепло окружающему газу, и, следовательно, от теплопроводности. Распространенным вариантом является датчик Пирани, в котором используется одна платиновая нить накала как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве RTD. Эти манометры имеют точность от 10 торр до 10 ⁻³ торр, но они чувствительны к химическому составу измеряемых газов.

Иономер используется в сверхвысоком вакууме. Они бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагретая нить накала создает электронный пучок. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Ток зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Датчики с горячим катодом имеют точность от 10 9от 0143 −3 торр до 10 ⁻¹⁰ торр. Принцип версии с холодным катодом тот же, за исключением того, что электроны производятся в разряде, создаваемом электрическим разрядом высокого напряжения. Датчики с холодным катодом имеют точность от 10 ^-2 торр до 10 ^-9 торр. Калибровка ионизационного датчика очень чувствительна к геометрии конструкции, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным отложениям. Их калибровка может быть признана недействительной при активации при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов в условиях высокого вакуума обычно непредсказуем, поэтому для точных измерений необходимо использовать масс-спектрометр в сочетании с ионизационным датчиком. ^[20]

Свойства

Многие свойства пространства приближаются к ненулевым значениям в вакууме, приближающемся к совершенству. Эти идеальные физические константы часто называют константами «свободного пространства». Вот некоторые из распространенных:

• Скорость света приближается к 299 792 458 м/с, но всегда медленнее.
• Показатель преломления приближается к 1,0, но всегда выше.
• Электрическая диэлектрическая проницаемость (ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}) приближается к 8,8541878176×10 ^-12 фарад на метр (Ф/м).
• Магнитная проницаемость (μ ₀ ) приближается к 4π × 10 ⁻⁷  Н/Д ² .
• Волновое сопротивление (Z0{\displaystyle Z_{0}}) приближается к 376,73 Ом.

Альтернативные значения слова «вакуум»

Термин «вакуум» может относиться к:

• отсутствие материи
• всасывающий
• свободное пространство, концепция электромагнитной теории, соответствующая теоретическому « идеальному вакууму» »
• пылесос, бытовая техника
• коллекторный вакуум, также называемый вакуумом двигателя
• ↑ Биллингс, Чарльз Э. (1973). «Барометрическое давление», под редакцией Джеймса Ф. Паркера и Виты Р. Уэст: Сборник данных по биоастронавтике , 2-е изд., НАСА. НАСА СП-3006.
• ↑ Воздействие вакуума на человека. Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ Уэбб, П. (1968). Костюм космонавта: эластичный купальник для выхода в открытый космос. Аэрокосмическая медицина 39: 376–383.
• ↑ Дж. П. Кук и Р. В. Бэнкрофт, «Некоторые сердечно-сосудистые реакции у собак под анестезией во время повторных декомпрессий в почти вакууме» Aerospace Medicine 37 (1966): 1148–1152.
• ↑ Чарник, Тамарак Р. Эбуллизм на высоте 1 миллион футов: выживание при быстрой/взрывной декомпрессии. Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ Захур. Мусульманская история .
• ↑ «Арабская и исламская естествознание и естествознание», Стэнфордская философская энциклопедия. Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ ^{9,0 9,1} Барроу, Джон Д. (2000). Книга Ничего: Вакуумы, пустоты и новейшие идеи о происхождении Вселенной , 1-е американское издание, Нью-Йорк: Книги Пантеона. ISBN 0099288451.
• ↑ Р. Х. Паттерсон, Эсс. История и ст. 10 (1862 г.).
• ↑ Уильям Крукс, «Chemical Gazette», The Chemical News and Journal of Industrial Science (1932).
• ↑ У. Х. Пикеринг (1912), «Движение Солнечной системы относительно межзвездной поглощающей среды», Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества 72: 740.
• ↑ Альберт Эйнштейн, Naturwissenschaften 6: 697-702.
• ↑ Ишимару, Х. (1989). Предельное давление порядка 10 ^-13 торр в вакуумной камере из алюминиевого сплава. Дж. Вак. науч. Технол. 7 (3-II): 2439–2442.
• ↑ Группа экспериментальной космической плазмы Университета Нью-Гэмпшира. Что такое межзвездная среда. Межзвездная среда, онлайн-учебник . Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ Американское вакуумное общество. Глоссарий. Справочное руководство AVS . Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ Национальная физическая лаборатория, Великобритания. FAQ по давлению и вакууму. Проверено 10 июля 2007 г.
• ↑ Джон Х. Мур, Кристофер Дэвис, Майкл А. Коплан и Сандра Грир, Building Scientific Apparatus (Боулдер, Колорадо: Westview Press, 2002, ISBN 0813340071).
• ↑ Беквит, Томас Г. и Рой Д. Марангони и Джон Х. Линхард В. (1993). «Измерение низкого давления», Механические измерения , 5-е изд., Рединг, Массачусетс: Addison-Wesley, 591-595. ISBN 0201569477.
• ↑ «Вакуумные методы». Энциклопедия физики (3-е изд.): стр. 1278-1284. (1990). Эд. Роберт М. Безансон. Нью-Йорк: Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0442005229.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов. Нью-Йорк: Книги Пантеона. ISBN 0099288451

• Беквит, Томас Г. и др. др. 1993. Механические измерения , 5-е изд. Прентис Холл. ISBN 0201569477
• Безансон, Роберт М. 1990. Физическая энциклопедия , 1-е изд. Спрингер. ISBN 0442005229
• Чарник, Тамарак Р. 1999. Эбулизм на высоте 1 миллион футов: выживание при быстрой/экспозиционной декомпрессии.
• Лэндис, Джеффри А. 2001. Воздействие вакуума на человека.
• Мур, Джон Х. и др. др. 2002. Строительная научная аппаратура , 3-е изд. Вествью Пресс. ISBN 0813340063
• Экспериментальная космическая плазменная группа Университета Нью-Гэмпшира. Что такое межзвездная среда? Межзвездная среда, онлайн-учебник .

Авторы

Энциклопедия Нового Света автора и редактора переписали и дополнили статью Википедии
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участника и самоотверженные добровольные участники Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

• Вакуум ^{история}

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

• История «Вакуума»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

астрофизика — Если космос вакуум, то как формируются звезды?

$\begingroup$

Согласно тому, что я читал, звезды образуются из-за скопления газа и пыли, которые коллапсируют под действием гравитации и начинают формировать звезды. Но тогда, если космос — это вакуум, что это за газ, который там скапливается?

• астрофизика
• вакуум
• звезды
• космос

$\endgroup$

1
93$) для лабораторной высоковакуумной камеры.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Как отмечает Allure, космос — это не чистый вакуум, но он все же лучше любого вакуума, который мы можем создать. Но как из этого очень, очень хорошего вакуума получается нечто такое огромное, как звезда?

Космос большой. Вы просто не поверите, насколько он огромен, огромен, ошеломляюще велик. Я имею в виду, вы можете подумать, что до аптеки далеко, но это пустяки. 961 кубический сантиметр (10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров). Если бы каждый из этих кубических сантиметров содержал всего один атом водорода, этого водорода хватило бы, чтобы создать более 8000 солнц.

$\endgroup$

$\begingroup$

Как люди любят думать, Вакуум — это пространство, лишенное материи, такой как воздух и т. д. Космос не является вакуумом строго во всех местах, но это лучший вакуум, чем мы получаем в лабораториях. когда мы говорим, что космос вакуум, это означает, что в нем нет воздуха для дыхания. Но в пространстве все еще есть материя. Вы правы, вселенная, включая звезды, образовалась, когда газ, называемый солнечной туманностью, и пыль разрушились. Космос очень обширен. В нем есть частицы пыли, газы, такие как гелий или водород, камни, астероиды, планеты, галактики, облако Оорта, орион, черные дыры, спутники и т. д. Причина, по которой мы называем космос вакуумом, заключается в том, что атмосферное давление в космическом пространстве очень низкое. Вакуумы — это области низкого давления.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

По сути, космос когда-то был гигантской туманностью, но большая ее часть разрушилась, образовав первичные звезды. Эти звезды превратились в сверхновые, разбросав свой материал по всему пространству и вызвав коллапс близлежащих туманностей. Этот процесс продолжается, с той разницей, что новые звезды имеют более тяжелые элементы. Однако это чрезмерное упрощение.

$\endgroup$

$\begingroup$

Видишь ли, в космосе не идеальный вакуум.
Теперь есть материя, которая существует подобно газовым облакам, которые разрушаются под действием собственной гравитации (у них есть масса, чтобы гравитационно взаимодействовать друг с другом), закручиваются, вращаются, могут двигаться, сталкиваться и образовывать звезды. Единственное, что удовлетворяет причине называть пространство вакуумом, это то, что в нем очень низкая плотность энергии. (например, концентрация энергии — сколько у вас энергии — преобразуемой в материю — на единицу объема)

$\endgroup$

$\begingroup$

Ваш вопрос подразумевает, что не может быть начального ускорения/импульса в вакууме.

Если такие люди, как мы с вами, говорим о вакууме, мы имеем в виду не что иное, как пребывание в среде обитания в изолированном концерне — как будто мы находимся в коробке — откуда удален воздух.
Относительная часть вашего вопроса действительно заключается в том, что если буквально нет времени на изменение кадра, как может измениться изображение? Создание вакуума всегда противоречит окружающему состоянию — это просто контейнер, содержащий меньше или больше элементов, против соседнего с ним мира.