Vakuum

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Jedan od značajnih prikaza osobenosti vakuuma prikazao je 1654. Oto von Gerike sa Magdeburškim konjima, koji nisu mogli rastaviti metalnu vakuumsku kuglu.
Pumpa za demonstriranje vakuuma
Velika vakuumska komora

Vakuum je prostor bez supstance.[1] Sama reč „vakuum“ potiče od latinske reči vacuus što znači prazan. Pritisak u idealnom vakuumu je po definiciji nula, ali smatra se da je apsolutni vakuum teorijski nemoguće dostići. Najveći poznati vakuum se nalazi u intergalaktičkim delovima kosmosa i on se procenjuje da iznosi oko Pa. Pored apsolutnog vakuuma, pod vakuumom se često podrazumeva prostor koji je mnogo ređi od vazduha, odnosno prostor u kom je pritisak mnogo niži od atmosferskog pritiska koji iznosi oko Pa.[2] Fizičari često razmatraju rezultate idealnih testova koji se odvijaju u perfektnom vakuumu, koji oni ponekad jednostavno naziva „vakuumom” ili slobodnim prostorom, i koriste termin parcijalnog vakuuma za opisivanje stvarnog nesavršenog vakuuma poput onog koji se može ostvariti u laboratoriji ili u svemiru. U inženjerstvu i primenjenoj fizici s druge strane, vakuum se odnosi na bilo koji prostor u kome je pritisak niži od atmosferskog pritiska.[3]

Kvalitet parcijalnog vakuuma se odnosi na stepen u kome on pristupa perfektnom vakuumu. Ako je sve ostalo jednako, niži pritisak gasa je indikacija većeg kvaliteta vakuuma. Na primer, tipični usisivač proizvodi dovoljno sukcije da redukuje vazdušni pritisak za oko 20%.[4] Vakuumi znatno većeg kvaliteta su ostvarivi. Komore ultra visokog vakuuma, koje se često sreću u hemiji, fizici i inženjerstvu, operišu ispod jednog bilionitog dela (10−12) atmosferskog pritiska (100 nPa), i mogu da dosegnu oko 100 čestica/cm3.[5] svemir je vakuum još većeg kvaliteta, sa ekvivalentom od samo nekoliko atoma vodonika po kubnom metru prosečnog intergalaktičkog prostora.[6] Prema modernom razumevanju, čak i kad bi sva materija mogla da se ukloni iz zapremine, ona još uvek ne bi bila „prazna” usled vakuumskih fluktuacija, tamne energije, prolaza gama zraka, kosmičkih zraka, neutrina, i drugih fenomena kvantne fizike. U izučavanju elektromagnetizama u 19. veku, smatralo se da je vakuum ispunjen sa medijumom zvanim etar. U modernoj fizici elementarnih čestica, stanje vakuuma se smatra osnovnim stanjem polja.

Vakuum je često bio tema filozofskih debata od vremena drevnih Grka, ali nije bio empirijski izučavan do 17. veka. Prvi laboratorijski vakuum proizveo je Toričeli 1643. godine prilikom njegovog proučavanja atmosferskog pritiska.[7] U izučavanju elektromagnetizma u 19. veku, kako bi se objasnilo prostiranje talasa kroz prostor, smatralo se da je potrebno da taj prostor bude ispunjen nekim medijem nazvanim etar. Danas je poznato da etar ne postoji i da se talasi mogu prostirati kroz vakuum. Industrijska primena vakuuma započeta je u 20. veku, izumom električne sijalice i vakuumske cevi. Vakuum se može proizvesti tako što se iz nekog zatvorenog prostora pomoću tzv. vakuum-pumpe ili na neki drugi način ispumpa sav gas. Do danas najniži laboratorijski proizveden vakuum bio je pritiska Pa. Međutim, većina današnjih komercijalnih vakuumskih pumpi ne može da proizvede vakuum niži od Pa.[8]

U skladu sa trenutnim razumevanjem kvantne fizike, čak i kad bi sva materija mogla da se ukloni iz date zapremine, u tom prostoru i dalje ne bi bio dostignut apsolutni vakuum usled postojanja vakuumskih fluktuacija, gama zračenja, kosmičkog zračenja, prisustva neutrina i postojanja tamne energije.

Etimologija[uredi | uredi izvor]

Reč vacuum potiče iz latinskog jezika odi ima značenje „prazan prostor, praznina”, što je imenična upotreba reči vacuus, sa značenjem „prazan”, koja je srodna reči vacare, sa značenjem „biti prazan”. Vacuum je jedna od nekoliko reči u engleskom jeziku koje se sastoje od dva konsekutivna slova u.[9]

Istorijska interpretacija[uredi | uredi izvor]

Istorijski gledano, bilo je mnogo spora oko toga da li takva stvar kao što je vakuum može postojati. Drevni grčki filozofi su debatovali postojanje vakuuma, ili praznine, u kontekstu atomizma, koji je smatrao prazninu i atom kao fundamentalne obrazložavajuće elemente fizike. Nakon Platona, čak i apstraktni koncept bezoblične praznine se suočavao sa znatnim skepticizmom: to ne može biti shvaćeno čulima, to ne može samo po sebi da pruži dodatnu objašnjavajuću moć izvan fizičke zapremine sa kojom je proporcionalan i, po definiciji, to je bilo sasvim doslovno ništa, za koje se s pravom može reći da ne postoji. Aristotel je verovao da se praznina ne može prirodno javiti, zato što bi gušći okružujući materijalni kontinuum momentalno popunio bilo koju početnu razređenost koja bi mogla da proizvede prazninu.

U svojoj Fizici, u knjizi IV, Aristotel je ponudio brojne argumente protiv praznog prostora: na primer, da bi kretanje kroz medijum koji ne stvara bilo kakve prepreke moglo da se nastavi ad infinitum, ne bi bilo bilo kakvog razloga da bi se došlo u stanje mirovanja bilo gde posebno. Mada je Lukrecije tvrdio da postoji vakuum u prvom veku p. n. e. i mada je Heron neuspešno pokušao da stvori veštački vakuum u prvom veku,[10] tek su se evropski učenjaci kao što su Rodžer Bejkon, Blasijus od Parme i Volter Barli u 13. i 14. veku u znatnoj meri usredsredili na pitanja vakuuma. Na kraju sledeći stoičku fiziku u ovom slučaju, naučnici od 14. veka nadalje su se sve više udaljavali od aristotelijanske perspektive u korist natprirodne praznine izvan granica samog kosmosa, što je bio široko prihvaćen zaključak u 17. veku, što je pomoglo razdvajanju prirodnih i teoloških gledišta.[11]

Skoro dve hiljade godina nakon Platona, Rene Dekart je isto tako predložio geometrijski baziranu alternativnu teoriju atomizma, bez problematične ništavnost - sveprisutnost dihotomije praznine i atoma. Iako se Dekart složio sa tadašnjom pozicijom, da se vakuum ne javlja u prirodi, uspeh po njemu imenovanog koordinatnog sistema i implicitnije, prostorno–korpuskuralne komponente njegove metafizike su definisali filozofski savremen pojam praznog prostora kao kvantifikovanog produženja zapremine. Međutim, prema drevnoj definiciji, informacije o pravcu i magnitudi su bile konceptualno različite. Putem usaglašavanja kartezijanske mehaničke filozofije sa „brutalnom činjenicom” dejstva na daljinu, i dužinom, njene uspešne primene u poljima sila i sve sofistikovanijim geometrijskim strukturama, anahronizam praznog prostora se proširivao[12] sve dok kvantne aktivnosti u 20. veku nisu popunile vakuum virtualnom pleromom.

Toričelijev živin barometar je predstavljao jedan od prvih održivih vakuuma u laboratorijskim uslovima.

U srednjovekovnom srednje-istočnom svetu, fizičar i islamski učenjak, El Farabi (Abu Nasr el Farabi, 872–950), izveo je mali eksperiment koji se bavio postojanjem vakuuma, pri čemu je ispitao ručni planžer u vodi.[13] On je izveo zaključak da se zapremina vazduha može proširiti da ispuni dostupni prostor, i da je stoga koncept perfektnog vakuuma inkoherentan.[14] Međutim, prema Nader El-Bizriju, fizičar Ibn Hejsam (965–1039) i Mu'tezilski teolozi se nisu slagali sa Aristotelom i El Farabijem, i oni su podržavali postojanje praznine. Koristeći geometiriju, Ibn el-Hajtam matematički je demonstrirao da je mesto (al-makan) zamišljena tri-dimenzionalna praznina između unutrašnjih površina sadržavajućeg tela.[15] Prema Ahmad Dalalu, Biruni je takođe tvrdio da „ne postoje vidljivi dokazi koji isključuju mogućnost vakuuma”.[16] Usisna pumpa se kasnije pojavila u Evropi u 15. veku.[17][18][19]

Srednjovekovni misaoni eksperimenti ideje vakuuma su razmatrali da li je vakuum prisutan, bar samo za jedan trenutak, između dve ravne ploče kada se one naglo razdvoje.[20] Vođene su mnogobrojne diskusije o tome da li se vazduh pomera dovoljno brzo pri razdvajanju ploča, ili, kao što je Volter Barli postulirao, „nebeski agens” sprečava nastanak vakuuma. Široko zastupljeno gledište da je priroda odvraćala vakuum je nazivano horror vacui. Spekulacija da čak ni Bog nije mogao da stvori vakuum čak i kad bi želeo, bila je odbačena zahvaljujući Pariskoj osudi biskupa Etjena Tempjera iz 1277. godine, po kojoj je zahtevano da nema ograničenja na ovlašćenja Boga, iz čega je izveden zaključak da Bog može da stvori vakuum ako to želi.[21] Žan Buridan zabeležio u 14. veku da grupe od deset konja nisu mogle da otvore meh kada je port bio zapečaćen.[10]

Krukova cev je korištena pri otkriću i izučavanju katodnih zraka. Ona je evoluirala iz Gajgerove cevi.

U 17. veku je došlo do prvih pokušaja da se kvantifikuju merenja parcijalnog vakuuma.[22] Živin barometar Evangeliste Toričelija iz 1643. godine i Blez Paskalovi eksperimenti su demonstrirali parcijalni vakuum.

Godine 1654, Oto fon Gerike je izumeo prvu vakuum pumpu[23] i izveo svoj poznati eksperiment Magdeburške hemisfere, koji je pokazano da grupe konja ne mogu da razdvoje dve hemisfere iz kojih je vazduh bio parcijalno evakuisan. Robert Bojl je poboljšao Gerikov dizajn i uz pomoć Roberta Huka dalje razvio tehnologiju vakuum pumpi. Nakon toga su istraživanja parcijalnog vakuuma sporo napredovala do 1850. godine, kad je Avgust Tepler izumeo Teplerovu pumpu, a Hejnrih Gejsler je izumeo pumpu sa živinim istiskivanjem 1855, čime je ostvaren parcijalni vakuum od oko 10 Pa (0,1 Tora). Brojna električna svojstva su postala vidljiva na ovom vakuumskom nivou, što je dovelo do obnavljanja interesovanje u dalja istraživanja.

Dok svemir pruža najrečitiji primer prirodnog parcijalnog vakuuma, za nebo se prvobitno smatralo da je besprekorno ispunjeno krutim neuništivim materijalom koji se nazivao etrom. Pozajmljujući donekle od pneuma stoičke fizike, etar se smatrao razređenim vazduhom iz kojeg je preuzeo svoje ime, (pogledajte Etar (mitologija)). Rane teorije svetlosti postulirale su sveprisutni zemaljski i nebeski medijum kroz koji se rasprostirala svetlost. Dodatno, koncept je podržavao Isak Njutnova objašnjenja refrakcije i radijacione toplote.[24] Eksperimenti iz 19. veka usredsređeni na luminiferni etar pokušali su da detektuju malo zaostajanje Zemljine orbite. Dok se Zemlja zaista, zapravo, kreće kroz relativno gust medijum u poređenju sa međuzvezdanim prostorom, povlačenje je toliko miniskulno da nije moglo da bude detektovano. Godine 1912, astronom Henri Pikering je komentarisao: „Dok međuzvezdani apsorbujući medijum možda jednostavno jeste etar, [on] ima karakteristike gasa, i slobodni gasni molekuli su sigurno tamo.”[25]

Kasnije, 1930. godine, Pol Dirak je predložio model vakuuma kao beskonačnog mora čestica koje poseduju negativnu energiju, zvani Dirakovo more. Ova teorija je pomogla u rafiniranju predviđanja njegove ranije formulisane Dirakove jednačine, i uspešno je predviđeno postojanje pozitrona, potvrđenog dve godine kasnije. Verner Hajzenbergov princip neodređenosti formulisan 1927. godine, predviđa fundamentalni limit unutar koga trenutna pozicija i momenat, ili energija i vreme mogu da budu izmereni. Ovo ima dalekosežne posledice na „prazninu” prostora između čestica. Tokom kasnog 20. veka, takozvane virtuelne čestice koje spontano nastaju iz praznog prostora su potvrđene.

Osobine vakuuma i njegova primena[uredi | uredi izvor]

Kroz vakuum se prostiru svetlost, čestice, čvrsta tela, električno i magnetsko polje, ali ne i zvuk — za prostiranje zvuka potrebna je materija. Toplota se kroz vakuum prostire zračenjem (elektromagnetni talasi iz infracrvenog dela spektra), ali ne i provođenjem. Provođenje toplote se odvija preko materijalnih nosilaca te je u prostoru niskog pritiska znatno slabije, otuda primena vakuuma u termosima.

U sijalici vlada delimični vakuum, sa tragovima argona umesto vazduha da bi se očuvalo volframsko vlakno.

Vakuum se koristi u brojnim procesima i uređajima. Prva uobičajena primena je bila u sijalicama sa vlaknom da se zaštiti volframovo vlakno od hemijske degradacije. Hemijska inertnost vakuuma se takođe koristi za zavarivanje elektronskim mlazom, za nabacivanje tankih slojeva isparavanjem, za suvo nagrizanje u proizvodnji poluprovodnika, za nabacivanje optičkih slojeva, vakuumsko pakovanje itd. Smanjenje konvekcije (mešanja) poboljšava toplotnu izolaciju termos-boca. Visoki vakuum potpomaže degaziranje što se koristi za sušenje zamrzavanjem i vakuumsku destilaciju. Osobina vakuuma da propušta elektrone bez rasejavanja dovela je do primene u elektronskom mikroskopu, vakuumskim cevima (prvi radio) i katodnim cevima (prvi televizori). Uklanjanje trenja u vazduhu stvaranjem vakuuma koristi se u konstrukciji ultracentrifuga i deponovanje energije u zamajcima.

Svemirski prostor[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Međuzvezdani prostor
Svemirski vakuum je zapravo vrlo slaba plazma koju čine naelektrisane čestice, elektromagnetna polja, a ponekad i zvezda.

Najveći deo svemira ima gustinu i pritisak skoro savršenog vakuuma. U svemirskom prostoru praktično nema trenja zbog čega se zvezde, planete i ostala nebeska tela kreću slobodno po idealnim gravitacionim putanjama. Međutim, savršenog vakuuma nema, čak ni u međuzvezdanom prostoru gde se nađe nekoliko vodonikovih atoma po kubnom santimetru praveći pritisak od 10 fPa (10−16 Torr). Visoki vakuum svemira mogao bi da predstavlja pogodnu sredinu za izvesne procese, na primer one koji zahtevaju savršeno čiste površine, ali za uobičajene primene mnogo je lakše stvoriti ekvivalentni vakuum na Zemlji nego savladati Zemljinu gravitaciju.

Zvezde, planete i njihovi sateliti održavaju svoju atmosferu gravitacionim privlačenjem pa atmosfere nemaju jasnu granicu. Gustina atmosferskog gasa jednostavno opada sa rastojanjem od objekta barometarska formula. U niskoj zemljinoj orbiti (visine oko 300 km) gustina atmosfere je oko 100 nPa, (10−9 Torr,) što je još uvek dovoljno da dođe do kočenja satelita usled trenja sa sredinom. Većina veštačkih satelita nalazi se u tom regionu i da bi se održali u orbiti svakih nekoliko dana moraju da aktiviraju svoje motore.

Van planetarnih atmosfera, pritisak fotona i drugih čestica sa Sunca postaje značajan. Svemirski brodovi mogu biti „gurani“ sunčevim vetrom, međutim, za to planete su previše masivne. Postoje ideje o međuplanetarnoj plovidbi, pomoću sunčevog jedra, sa pogonom na sunčev vetar.

Vidljivi svemir ispunjen je i ogromnim brojem fotona iz kosmičkog pozadinskog zračenja i sasvim moguće, isto tako velikim brojem neutrina. Temperatura prostora je oko 3 K, ili -270 C.

Dok je kosmički prostor uvek bio dovođen u vezu sa vakuumom raniji fizičari su podržavali ideju o postojanju nevidljivog etra, prenosioca svetlosti, koji ispunjava međuzvezdani prostor.[26] S druge strane Vilijam Kruks (engl. William Crookes) je 1891. godine zabeležio: „oslobađanje okludovanih gasova u vakuum kosmičkog prostora“[27]. Čak i do 1912. godine, astronom Vilijam Henri Pikering (engl. William Henry Pickering) je komentarisao:

Dok međuzvezdani apsorbujući medijum može biti jednostavno etar, osobine gasova i slobodnih gasnih molekula sigurno se tamo mogu uočiti

[28]

Oznake vakuuma u tehničkoj primjeni:[uredi | uredi izvor]

  • Niski vakuum (engl. Low vacuum): 100 kPa - 3 kPa
  • Srednji vakuum (engl. Medium vacuum): 3 kPa - 100 mPa
  • Visoki vakuum (engl. High vacuum): 100 mPa - 1 µPa
  • Vrlo visoki vakuum (engl. Ultra high vacuum): 100 nPa - 100 pPa
  • Ekstremno visoki vakuum (engl. Extremely high vacuum): < 100 pPa

Osobine[uredi | uredi izvor]

Mnoge osobine zadržavaju vrednosti različite od nule kada sa vakuum primiče idealnom. Te idealne fizičke konstante nazivaju se konstantama slobodnog prostora. Nekoliko najosnovnijih su:

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Mišić, Milan, ur. (2005). Enciklopedija Britanika. V-Đ. Beograd: Narodna knjiga : Politika. str. 12. ISBN 86-331-2112-3. 
  2. ^ Chambers, Austin (2004). Modern Vacuum Physics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-2438-3. OCLC 55000526. 
  3. ^ Harris, Nigel S. (1989). Modern Vacuum Practice. McGraw-Hill. str. 3. ISBN 978-0-07-707099-1. 
  4. ^ Campbell, Jeff (2005). Speed cleaning. str. 97. ISBN 978-1-59486-274-8.  Note that 1 inch of water is ≈0.0025 atm.
  5. ^ Gabrielse, G.; Fei, X.; Orozco, L.; Tjoelker, R.; Haas, J.; Kalinowsky, H.; Trainor, T.; Kells, W. (1990). „Thousandfold improvement in the measured antiproton mass” (PDF). Physical Review Letters. 65 (11): 1317. Bibcode:1990PhRvL..65.1317G. doi:10.1103/PhysRevLett.65.1317. 
  6. ^ Tadokoro, M. (1968). „A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem”. Publications of the Astronomical Society of Japan. 20: 230. Bibcode:1968PASJ...20..230T.  This source estimates a density of 7×10−29 g/cm³ for the Local Group. An atomic mass unit is 1,66×10−24 g 1,66×10−24 g, for roughly 40 atoms per cubic meter.
  7. ^ How to Make an Experimental Geissler Tube, Popular Science monthly, February 1919, Unnumbered page. Bonnier Corporation
  8. ^ „An Introduction to Vacuum Pumps”. Vacaero (na jeziku: engleski). 13. 01. 2016. Pristupljeno 26. 06. 2019. 
  9. ^ „What words in the English language contain two u's in a row?”. Oxford Dictionaries Online. Arhivirano iz originala 12. 09. 2011. g. Pristupljeno 23. 10. 2011. 
  10. ^ a b Genz, Henning (1994). Nothingness, the Science of Empty Space (translated from German by Karin Heusch izd.). New York: Perseus Book Publishing (objavljeno 1999). ISBN 978-0-7382-0610-3. OCLC 48836264. 
  11. ^ Barrow, J.D. (2002). The Book of Nothing: Vacuums, Voids, and the Latest Ideas About the Origins of the Universe. Vintage Series. Vintage. str. 71—72, 77. ISBN 978-0-375-72609-5. LCCN 00058894. 
  12. ^ Davies, P. (1985). Superforce. A Touchstone Book. Simon & Schuster. str. 105. ISBN 978-0-671-60573-5. LCCN 84005473. „What might appear to be empty space is, therefore, a seething ferment of virtual particles. A vacuum is not inert and featureless, but alive with throbbing energy and vitality. A 'real' particle such as an electron must always be viewed against this background of frenetic activity. When an electron moves through space, it is actually swimming in a sea of ghost particles of all varieties – virtual leptons, quarks, and messengers, entangled in a complex mêlée. The presence of the electron will distort this irreducible vacuum activity, and the distortion in turn reacts back on the electron. Even at rest, an electron is not at rest: it is being continually assaulted by all manner of other particles from the vacuum.” 
  13. ^ Zahoor, Akram (2000). Muslim History: 570–1950 °CE. Gaithersburg, MD: AZP (ZMD Corporation). ISBN 978-0-9702389-0-0. 
  14. ^ Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science, Stanford Encyclopedia of Philosophy
  15. ^ El-Bizri, Nader (2007). „In Defence of the Sovereignty of Philosophy: Al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place”. Arabic Sciences and Philosophy. Cambridge University Press. 17: 57—80. doi:10.1017/S0957423907000367. 
  16. ^ Dallal, Ahmad (2001—2002). „The Interplay of Science and Theology in the Fourteenth-century Kalam”. From Medieval to Modern in the Islamic World, Sawyer Seminar at the University of Chicago. Arhivirano iz originala 10. 02. 2012. g. Pristupljeno 02. 02. 2008. 
  17. ^ Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, pp. 64–69 (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering)
  18. ^ Hassan, Ahmad Y. „The Origin of the Suction Pump: Al-Jazari 1206 A.D”. Arhivirano iz originala 26. 02. 2008. g. Pristupljeno 16. 07. 2008. 
  19. ^ Donald Routledge Hill (1996), A History of Engineering in Classical and Medieval Times, Routledge, pp. 143 & 150–2.
  20. ^ Grant, Edward (1981). Much ado about nothing: theories of space and vacuum from the Middle Ages to the scientific revolution. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-22983-8. 
  21. ^ Barrow, John D. (2000). The book of nothing : vacuums, voids, and the latest ideas about the origins of the universe (1st American izd.). New York: Pantheon Books. ISBN 978-0-09-928845-9. OCLC 46600561. 
  22. ^ „The World's Largest Barometer”. Arhivirano iz originala 17. 04. 2008. g. Pristupljeno 30. 04. 2008. 
  23. ^ Encyclopædia Britannica: Otto von Guericke
  24. ^ Robert Hogarth Patterson, Essays in History and Art 10, 1862
  25. ^ Pickering, W. H. (1912). „Solar system, the motion of the, relatively to the interstellar absorbing medium”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 72: 740. Bibcode:1912MNRAS..72..740P. doi:10.1093/mnras/72.9.740. 
  26. ^ R. H. Patterson, Ess. Hist. & Art 10 1862
  27. ^ William Crookes, The Chemical News and Journal of Industrial Science; with which is Incorporated the "Chemical Gazette." (1932)
  28. ^ Pickering, W. H., "Solar system, the motion of the, relatively to the interstellar absorbing medium" (1912) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 72: 740

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Vakuum na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Вакуум&oldid=27551523”