Вакуум

Из Википедије, слободне енциклопедије
Jump to navigation Jump to search
Један од значајних приказа особости вакуума приказао је 1654. Ото вон Герике са Магдебуршким коњима, који нису могли раставити металну вакуумску куглу.
Пумпа за демонстрирање вакуума

Вакуум је простор без супстанце. Сама реч „вакуум“ је латинског порекла (од латинског vacuus (празан)). Притисак у вакууму је много нижи од атмосферског притиска, и у идеалном случају тежи притиску од нуле паскала. Највиши (најдубљи) вакуум се налази у космосу ( Pa). Његова индустријска примена започиње у XX веку, увођењем електричне сијалице и вакуумске цеви. Вакуум се може произвести тако што се из неког затвореног простора помоћу тзв. вакуум-пумпе извуче сав гас.

Апроксимација вакуума је регион са гасним притиском који је много мањи од атмосферског притиска.[1] Физичари често разматрају резултате идеалних тестова који се одвијају у перфектном вакууму, који они понекад једноставно назива „вакуумом” или слободним простором, и користе термин парцијалног вакума за описивање стварног несавршеног вакуума попут оног који се може остварити у лабораторији или у свемиру. У инжењерству и примењеној физици с друге стране, вакуум се односи на било који простор у коме је притисак нижи од атмосферског притиска.[2]

Квалитет парцијалног вакуума се односи на степен у коме он приступа перфектном вакууму. Ако је све остало једнако, нижи притисак гаса је индикација већег квалитета вакуума. На пример, типични усисивач производи довољно сакције да редукује ваздушни притисак за око 20%.[3] Вакуми знатно већег квалитета су оствариви. Коморе ултра високог вакуума, које се често срећу у хемији, физици и инжењерству, оперишу испод једног билионитог дела (10−12) атмосферског притиска (100 nPa), и могу да досегну око 100 честица/cm3.[4] свемир је вакуум још већег квалитета, са еквивалентом од само неколико атома водоника по кубном метру просечног интергалактичког простора.[5] Према модерном разумевању, чак и кад би сва материја могла да се уклони из запремине, она још увек не би била „празна” услед вакумских флуктуација, тамне енергије, пролаза гама зрака, космичких зрака, неутрина, и других феномена квантне физике. У изучавању електромагнетизама у 19. веку, сматрало се да је вакуум испуњен са медијумом званим етар. У модерној физици елементарних честица, стање вакуума се сматра основним стањем поља.

Вакуум је често био тема филозофских дебата од времена древних Грка, али није био емпиријски изучаван до 17. века. Еванђелиста Торичели је произвео први лабораторијски вакуум 1643. године, и друге експерименталне технике су развијене као резултат његових теорија атмосферског притиска. Торичелијански вакум се ствара пуњењем високог стакленог контејнера затвореног на једног страни живом, и затим окретањем контејнера у посуду која садржи живу.[6]

Вакуум је постао корисно индустријско оруђе у 20. веку са увођењем инкандесцентних сијалица и вакуумских цеви, и широк опсег вакуумских технологија је од тог времена постао доступан. Недавни развој свемирских летелица са људском посадом је довео до повећаног интереса у утицај вакуума на људско здравље, и генерално на животне форме.

Етимологија[уреди]

Реч vacuum потиче из латинског језика, и има значење „празан простор, празнина”, што је именична употреба речи vacuus, са значењем „празан”, која је сродна речи vacare, са значењем „бити празан”. Vacuum је једна од неколико речи у енглеском језику које се састоје од два консекутивна слова u.[7]

Историјска интерпретација[уреди]

Историјски гледано, било је много спора око тога да ли таква ствар као што је вакум може постојати. Древни грчки филозофи су дебатовали постојање вакуума, или празнине, у контексту атомизма, који је сматрао празнину и атом као фундаменталне образложавајуће елементе физике. Након Платона, чак и апстрактни концепт безобличне празнине се суочавао са знатним скептицизмом: то не може бити схваћено чулима, то не може само по себи да пружи додатну објашњавајућу моћ изван физичке запремине са којом је пропорционалан и, по дефиницији, то је било сасвим дословно ништа, за које се с правом може рећи да не постоји. Аристотел је веровао да се празнина не може природно јавити, зато што би гушћи окружујући материјални континуум моментално попунио било коју почетну разређеност која би могла да произведе празнину.

У својој Физици, у књизи IV, Аристотел је понудио бројне аргументе против празног простора: на пример, да би кретање кроз медијум који не ствара било какве препреке могло да се настави ad infinitum, не би било било каквог разлога да би се дошло у стање мировања било где посебно. Мада је Лукреције тврдио да постоји вакуум у првом веку п. н. е. и мада је Херон неуспешно покушао да створи вештачки вакуум у првом веку,[8] тек су се европски учењаци као што су Роџер Бејкон, Бласијус од Парме и Волтер Барли у 13. и 14. веку у знатној мери усредсредили на питања вакума. На крају следећи стоичку физику у овом случају, научници од 14. века надаље су се све више удаљавали од аристотелијанске перспективе у корист натприродне празнине изван граница самог космоса, што је био широко прихваћен закључак у 17. веку, што је помогло раздвајању природних и теолошких гледишта.[9]

Скоро две хиљаде година након Платона, Рене Декарт је исто тако предложио геометријски базирану алтернативну теорију атомизма, без проблематичне ништавност - свеприсутност дихотомије празнине и атома. Иако се Декарт сложио са тадашњом позицијом, да се вакуум не јавља у природи, успех по њему именованог координатног система и имплицитније, просторно–корпускуралне компоненте његове метафизике су дефинисали филозофски савремен појам празног простора као квантификованог продужења запремине. Међутим, према древној дефиницији, информације о правцу и магнитуди су биле концептуално различите. Путем усаглашавања картезијанске механичке филозофије са „бруталном чињеницом” дејства на даљину, и дужином, њене успешне примене у пољима сила и све софистикованијим геометријским структурама, анахронизам празног простора се проширивао[10] све док квантне активности у 20. веку нису попуниле вакуум виртуалном плеромом.

Торичелијев живин барометар је представљао један од првих одрживих вакуума у лабораторијским условима.

У средњевековном средње-источном свету, физичар и исламски учењак, Ел Фараби (Абу Наср ел Фараби, 872–950), извео је мали експеримент који се бавио постојањем вакуума, при чему је испитао ручни планжер у води.[11] Он је извео закључак да се запремина ваздуха може проширити да испуни доступни простор, и да је стога концепт перфектног вакуума инкохерентан.[12] Међутим, према Надер Ел-Бизрију, физичар Ибн Хeјсам (965–1039) и Му'тезилски теолози се нису слагали са Аристотелом и Ел Фарабијем, и они су подржавали постојање празнине. Користећи геометирију, Ибн ел-Хајтам математички је демонстрирао да је место (al-makan) замишљена три-димензионална празнина између унутрашњих површина садржавајућег тела.[13] Према Ахмад Далалу, Бируни је такође тврдио да „не постоје видљиви докази који искључују могућност вакуума”.[14] Усисна пумпа се касније појавила у Европи у 15. веку.[15][16][17]

Средњовековни мисаони експерименти идеје вакума су разматрали да ли је вакуум присутан, бар само за један тренутак, између две равне плоче када се оне нагло раздвоје.[18] Вођене су многобројне дискусије о томе да ли се ваздух помера довољно брзо при раздвајању плоча, или, као што је Волтер Барли постулирао, „небески агенс” спречава настанак вакуума. Широко заступљено гледиште да је природа одвраћала вакуум је називано horror vacui. Спекулација да чак ни Бог није могао да створи вакуум чак и кад би желео, била је одбачена захваљујући Паришкој осуди бискупа Етјена Темпјера из 1277. године, по којој је захтевано да нема ограничења на овлашћења Бога, из чега је изведен закључак да Бог може да створи вакуум ако то жели.[19] Жан Буридан забележио у 14. веку да групе од десет коња нису могле да отворе мех када је порт био запечаћен.[8]

Крукова цев је кориштена при отркићу и изучавању катодних зрака. Она је еволуирала из Гајгерове цеви.

У 17. веку је дошло до првих покушаја да се квантификују мерења парцијалног вакуума.[20] Живин барометер Евангелисте Торичелија из 1643. године и Блез Паскалови експерименти су демострирали парцијални вакуум.

Године 1654, Ото фон Герике је изумео прву вакуум пумпу[21] и извео свој познати експеримент Магдебуршке хемисфере, који је показано да групе коња не могу да раздвоје две хемисфере из којих је ваздух био парцијално евакуисан. Роберт Бојл је побољшао Гериков дизајн и уз помоћ Роберта Хука даље развио технологију вакуум пумпи. Након тога су истраживања парцијалног вакума споро напредовала до 1850. године, кад је Август Теплер изумео Теплерову пумпу, а Хејнрих Гејслер је изумео пумпу са живиним истискивањем 1855, чиме је остварен парцијални вакуум од око 10 Pa (0,1 Тора). Бројна електрична својства су постала видљива на овом вакуумском нивоу, што је довело до обнављања интересовање у даља истраживања.

Док свемир пружа најречитији пример природног парцијалног вакуума, за небо се првобитно сматрало да је беспрекорно испуњено крутим неуништивим материјалом који се називао етром. Позајмљујући донекле од пнеума стоичке физике, етар се сматрао разређеним ваздухом из којег је преузео своје име, (погледајте Етар (митологија)). Ране теорије светлости постулирале су свеприсутни земаљски и небески медијум кроз који се распростирала светлост. Додатно, концепт је подржавао Исак Њутнова објашњења рефракције и радијационе топлоте.[22] Експерименти из 19. века усредсређени на луминиферни етар покушали су да детектују мало заостајање Земљине орбите. Док се Земља заиста, заправо, креће кроз релативно густ медијум у поређењу са међузвезданим простором, повлачење је толико минискулно да није могло да буде детектовано. Године 1912, астроном Хенри Пикеринг је коментарисао: „Док међузвездани апсорбујући медијум можда једноставно јесте етар, [он] има карактеристике гаса, и слободни гасни молекули су сигурно тамо.”[23]

Касније, 1930. године, Пол Дирак је предложио модел вакуума као бесконачног мора честица које поседују негативну енергију, звани Дираково море. Ова теорија је помогла у рафинирању предвиђања његове раније формулисане Диракове једначине, и успешно je предвиђено постојање позитрона, потврђеног две године касније. Вернер Хајзенбергов принцип неодређености формулисан 1927. године, предвиђа фундаментални лимит унутар кога тренутна позиција и моменат, или енергија и време могу да буду измерени. Ово има далекосежне последице на „празнину” простора између честица. Током касног 20. века, такозване виртуелне честице које спонтано настају из празног простора су потврђене.

Особине вакуума и његова примена[уреди]

Кроз вакуум се простиру светлост, честице, чврста тела, електрично и магнетско поље, али не и звук — за простирање звука потребна је материја. Топлота се кроз вакуум простире зрачењем (електромагнетни таласи из инфрацрвеног дела спектра), али не и провођењем. Провођење топлоте се одвија преко материјалних носилаца те је у простору ниског притиска знатно слабије, отуда примена вакуума у термосима.

У сијалици влада делимични вакуум, са траговима аргона уместо ваздуха да би се очувало волфрамско влакно.

Вакуум се користи у бројним процесима и уређајима. Прва уобичајена примена је била у сијалицама са влакном да се заштити волфрамово влакно од хемијске деградације. Хемијска инертност вакуума се такође користи за заваривање електронским млазом, за набацивање танких слојева испаравањем, за суво нагризање у производњи полупроводника, за набацивање оптичких слојева, вакуумско паковање итд. Смањење конвекције (мешања) побољшава топлотну изолацију термос-боца. Високи вакуум потпомаже дегазирање што се користи за сушење замрзавањем и вакуумску дестилацију. Особина вакуума да пропушта електроне без расејавања довела је до примене у електронском микроскопу, вакуумским цевима (први радио) и катодним цевима (први телевизори). Уклањање трења у ваздуху стварањем вакуума користи се у конструкцији ултрацентрифуга и депоновање енергије у замајцима.

Свемирски простор[уреди]

Свемирски вакуум је заправо врло слаба плазма коју чине наелектрисане честице, електромагнетна поља, а понекад и звезда.

Највећи део свемира има густину и притисак скоро савршеног вакуума. У свемирском простору практично нема трења због чега се звезде, планете и остала небеска тела крећу слободно по идеалним гравитационим путањама. Међутим, савршеног вакуума нема, чак ни у међузвезданом простору где се нађе неколико водоникових атома по кубном сантиметру правећи притисак од 10 fPa (10−16 Torr). Високи вакуум свемира могао би да представља погодну средину за извесне процесе, на пример оне који захтевају савршено чисте површине, али за уоичајене примене много је лакше створити еквивалентни вакуум на Земљи него савладати Земљину гравитацију.

Звезде, планете и њихови сателити одржавају своју атмосферу гравитационим привлачењем па атмосфере немају јасну границу. Густина атмосферског гаса једноставно опада са растојањем од објекта барометарска формула. У ниској земљиној орбити (висине око 300 km) густина атмосфере је око 100 nPa, (10-9 Torr,) што је још увек довољно да дође до кочења сателита услед трења са средином. Већина вештачких сателита налази се у том региону и да би се одржали у орбити сваких неколико дана морају да активирају своје моторе.

Ван планетарних атмосфера, притисак фотона и других честица са Сунца постаје значајан. Свемирски бродови могу бити „гурани“ сунчевим ветром, међутим, за то планете су превише масивне. Постоје идеје о међупланетарној пловидби, помоћу сунчевог једра, са погоном на сунчев ветар.

Видљиви свемир испуњен је и огромним бројем фотона из космичког позадинског зрачења и сасвим могуће, исто тако великим бројем неутрина. Темепратура простора је око 3 K, или -270 C.

Док је космички простор увек био довођен у везу са вакуумом ранији физичари су подржавали идеју о постојању невидљивог етра, преносиоца светлости, који испуњава међузвездани простор.[24] С друге стране Вилијам Крукс (енгл. William Crookes) је 1891. године забележио: „ослобађање оклудованих гасова у вакуум космичког простора“[25]. Чак и до 1912. године, астроном Вилијам Хенри Пикеринг (енгл. William Henry Pickering) је коментарисао:

„Док међузвездани апсорбујући медијум може бити једноставно етар, особине гасова и слободних гасних молекула сигурно се тамо могу уочити”

[26]

Ознаке вакуума у техничкој примјени:[уреди]

  • Ниски вакуум (енгл. Low vacuum): 100 kPa - 3 kPa
  • Средњи вакуум (енгл. Medium vacuum): 3 kPa - 100 mPa
  • Високи вакуум (енгл. High vacuum): 100 mPa - 1 µPa
  • Врло високи вакуум (енгл. Ultra high vacuum): 100 nPa - 100 pPa
  • Екстремно високи вакуум (енгл. Extremely high vacuum): < 100 pPa

Особине[уреди]

Многе особине задржавају вредности различите од нуле када са вакуум примиче идеалном. Те идеалне физичке константе називају се константама слободног простора. Неколико најосновнијих су:

Референце[уреди]

  1. ^ Chambers, Austin (2004). Modern Vacuum Physics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-2438-6. OCLC 55000526. 
  2. ^ Harris, Nigel S. (1989). Modern Vacuum Practice. McGraw-Hill. стр. 3. ISBN 0-07-707099-2. 
  3. ^ Campbell, Jeff (2005). Speed cleaning. стр. 97. ISBN 1-59486-274-5.  Note that 1 inch of water is ≈0.0025 atm.
  4. ^ 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. 
  5. ^ 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.
  6. ^ How to Make an Experimental Geissler Tube, Popular Science monthly, February 1919, Unnumbered page. Bonnier Corporation
  7. ^ „What words in the English language contain two u's in a row?”. Oxford Dictionaries Online. Приступљено 2011-10-23. 
  8. 8,0 8,1 Genz, Henning (1994). Nothingness, the Science of Empty Space (translated from German by Karin Heusch изд.). New York: Perseus Book Publishing (објављено 1999). ISBN 978-0-7382-0610-3. OCLC 48836264. 
  9. ^ Barrow, J.D. (2002). The Book of Nothing: Vacuums, Voids, and the Latest Ideas About the Origins of the Universe. Vintage Series. Vintage. стр. 71—72, 77. ISBN 978-0-375-72609-5. LCCN 00058894. 
  10. ^ Davies, P. (1985). Superforce. A Touchstone Book. Simon & Schuster. стр. 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.« 
  11. ^ Zahoor, Akram (2000). Muslim History: 570–1950 C.E. Gaithersburg, MD: AZP (ZMD Corporation). ISBN 978-0-9702389-0-0. 
  12. ^ Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science, Stanford Encyclopedia of Philosophy
  13. ^ 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. 
  14. ^ 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. Приступљено 2008-02-02. 
  15. ^ Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, pp. 64–69 (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering)
  16. ^ Hassan, Ahmad Y. „The Origin of the Suction Pump: Al-Jazari 1206 A.D”. Архивирано из оригинала на датум 2008-02-26. Приступљено 2008-07-16. 
  17. ^ Donald Routledge Hill (1996), A History of Engineering in Classical and Medieval Times, Routledge, pp. 143 & 150–2.
  18. ^ 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. 
  19. ^ Barrow, John D. (2000). The book of nothing : vacuums, voids, and the latest ideas about the origins of the universe (1st American изд.). New York: Pantheon Books. ISBN 0-09-928845-1. OCLC 46600561. 
  20. ^ „The World's Largest Barometer”. Архивирано из оригинала на датум 2008-04-17. Приступљено 2008-04-30. 
  21. ^ Encyclopædia Britannica:Otto von Guericke
  22. ^ Robert Hogarth Patterson, Essays in History and Art 10, 1862
  23. ^ 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. 
  24. ^ R. H. Patterson, Ess. Hist. & Art 10 1862
  25. ^ William Crookes, The Chemical News and Journal of Industrial Science; with which is Incorporated the "Chemical Gazette." (1932)
  26. ^ 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

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]