Κενό είναι ένας χώρος στον οποίο δεν υπάρχει ύλη. Στην εφαρμοσμένη φυσική και τεχνολογία, σημαίνει ένα μέσο στο οποίο ένα αέριο περιέχεται σε πίεση μικρότερη από την ατμοσφαιρική. Ποια ήταν τα σπάνια αέρια όταν ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά;
Σελίδες Ιστορίας
Η ιδέα του κενού υπήρξε σημείο διαμάχης για αιώνες. Τα σπάνια αέρια προσπάθησαν να αναλύσουν τους αρχαίους Έλληνες και Ρωμαίους φιλοσόφους. Ο Δημόκριτος, ο Λουκρήτιος, οι μαθητές τους πίστευαν: αν δεν υπήρχε ελεύθερος χώρος μεταξύ των ατόμων, η κίνησή τους θα ήταν αδύνατη.
Ο Αριστοτέλης και οι οπαδοί του διέψευσαν αυτήν την έννοια, κατά τη γνώμη τους, δεν πρέπει να υπάρχει «κενό» στη φύση. Κατά τον Μεσαίωνα στην Ευρώπη, η ιδέα του «φόβου του κενού» έγινε προτεραιότητα, χρησιμοποιήθηκε για θρησκευτικούς σκοπούς.
Η μηχανική της Αρχαίας Ελλάδας, όταν δημιουργούσε τεχνικές συσκευές, βασιζόταν στην αραίωση του αέρα. Για παράδειγμα, αντλίες νερού που λειτουργούσαν όταν δημιουργήθηκε κενό πάνω από το έμβολο εμφανίστηκαν την εποχή του Αριστοτέλη.
Η εξευγενισμένη κατάσταση του αερίου, ο αέρας, έχει γίνει η βάση για την κατασκευή αντλιών κενού με έμβολα, οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως επί του παρόντος στην τεχνολογία.
Το πρωτότυπό τους ήταν η περίφημη έμβολη σύριγγα του Ήρωνα της Αλεξάνδρειας, που δημιούργησε ο ίδιοςνα βγάζει πύον.
Στα μέσα του δέκατου έβδομου αιώνα, αναπτύχθηκε ο πρώτος θάλαμος κενού και έξι χρόνια αργότερα, ο Γερμανός επιστήμονας Otto von Guerick κατάφερε να εφεύρει την πρώτη αντλία κενού.
Αυτός ο κύλινδρος εμβόλου αντλούσε εύκολα αέρα από ένα σφραγισμένο δοχείο, δημιουργώντας ένα κενό εκεί. Αυτό κατέστησε δυνατή τη μελέτη των κύριων χαρακτηριστικών του νέου κράτους, την ανάλυση των λειτουργικών του ιδιοτήτων.
Τεχνικό κενό
Στην πράξη, η αραιωμένη κατάσταση του αερίου, του αέρα ονομάζεται τεχνικό κενό. Σε μεγάλους όγκους, είναι αδύνατο να επιτευχθεί μια τέτοια ιδανική κατάσταση, καθώς σε μια ορισμένη θερμοκρασία τα υλικά έχουν μη μηδενική πυκνότητα κορεσμένων ατμών.
Ο λόγος για την αδυναμία απόκτησης ιδανικού κενού είναι επίσης η μετάδοση αερίων ουσιών μέσω γυαλιού, μεταλλικών τοιχωμάτων αγγείων.
Σε μικρές ποσότητες είναι πολύ πιθανό να ληφθούν σπάνια αέρια. Ως μέτρο της σπανιότητας, χρησιμοποιείται η ελεύθερη διαδρομή των μορίων αερίου που συγκρούονται τυχαία, καθώς και το γραμμικό μέγεθος του χρησιμοποιούμενου σκάφους.
Το τεχνικό κενό μπορεί να θεωρηθεί αέριο σε αγωγό ή δοχείο με τιμή πίεσης μικρότερη από αυτή της ατμόσφαιρας. Ένα χαμηλό κενό εμφανίζεται όταν τα άτομα ή τα μόρια ενός αερίου σταματούν να συγκρούονται μεταξύ τους.
Μεταξύ της αντλίας υψηλού κενού και του ατμοσφαιρικού αέρα τοποθετείται ένα μπροστινό κενό, το οποίο δημιουργεί ένα προκαταρκτικό κενό. Σε περίπτωση επακόλουθης μείωσης στον θάλαμο πίεσης, παρατηρείται αύξηση στο μήκος διαδρομής των αέριων σωματιδίων.ουσίες.
Όταν η πίεση είναι από 10 -9 Pa, δημιουργείται ένα εξαιρετικά υψηλό κενό. Αυτά τα σπάνια αέρια χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή πειραμάτων χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας.
Είναι δυνατό να επιτευχθεί μια τέτοια κατάσταση στους πόρους ορισμένων κρυστάλλων ακόμη και σε ατμοσφαιρική πίεση, καθώς η διάμετρος των πόρων είναι πολύ μικρότερη από την ελεύθερη διαδρομή ενός ελεύθερου σωματιδίου.
Συσκευές με ηλεκτρική σκούπα
Η αραιωμένη κατάσταση του αερίου χρησιμοποιείται ενεργά σε συσκευές που ονομάζονται αντλίες κενού. Οι δέκτες χρησιμοποιούνται για την αναρρόφηση αερίων και την απόκτηση ενός ορισμένου βαθμού κενού. Η τεχνολογία κενού περιλαμβάνει επίσης πολυάριθμες συσκευές που είναι απαραίτητες για τον έλεγχο και τη μέτρηση αυτής της κατάστασης, καθώς και για τον έλεγχο αντικειμένων, για την εκτέλεση διαφόρων τεχνολογικών διεργασιών. Οι πιο περίπλοκες τεχνικές συσκευές που χρησιμοποιούν σπάνια αέρια είναι οι αντλίες υψηλού κενού. Για παράδειγμα, οι συσκευές διάχυσης λειτουργούν με βάση την κίνηση των υπολειμματικών μορίων αερίου υπό τη δράση μιας λειτουργικής ροής αερίου. Ακόμη και στην περίπτωση του ιδανικού κενού, υπάρχει μικρή θερμική ακτινοβολία όταν επιτευχθεί η τελική θερμοκρασία. Αυτό εξηγεί τις κύριες ιδιότητες των αραιωμένων αερίων, για παράδειγμα, την έναρξη της θερμικής ισορροπίας μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα μεταξύ του σώματος και των τοιχωμάτων του θαλάμου κενού.
Το σπάνιο μονοατομικό αέριο είναι ένας εξαιρετικός θερμομονωτικός παράγοντας. Σε αυτό, η μεταφορά θερμικής ενέργειας πραγματοποιείται μόνο με τη βοήθεια ακτινοβολίας, η θερμική αγωγιμότητα και η μεταφορά δενπαρατηρούνται. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε δοχεία Dewar (θερμόζες), που αποτελούνται από δύο δοχεία, μεταξύ των οποίων υπάρχει κενό.
Το κενό έχει βρει ευρεία εφαρμογή σε ραδιοσωλήνες, για παράδειγμα, μαγνητρόνια κινοσκόπιων, φούρνους μικροκυμάτων.
Φυσικό κενό
Στην κβαντική φυσική, μια τέτοια κατάσταση σημαίνει τη θεμελιώδη (χαμηλότερη) ενεργειακή κατάσταση του κβαντικού πεδίου, η οποία χαρακτηρίζεται από μηδενικές τιμές κβαντικών αριθμών.
Σε αυτήν την κατάσταση, ένα μονοατομικό αέριο δεν είναι εντελώς άδειο. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται συστηματικά στο φυσικό κενό, το οποίο προκαλεί μηδενικές ταλαντώσεις των πεδίων.
Θεωρητικά, πολλά διαφορετικά κενά μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα, τα οποία διαφέρουν ως προς την ενεργειακή πυκνότητα, καθώς και άλλα φυσικά χαρακτηριστικά. Αυτή η ιδέα έγινε η βάση για τη θεωρία της πληθωριστικής μεγάλης έκρηξης.
Ψεύτικο κενό
Σημαίνει την κατάσταση του πεδίου στην κβαντική θεωρία, η οποία δεν είναι κατάσταση με ελάχιστη ενέργεια. Είναι σταθερό για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Υπάρχει η πιθανότητα «σήραγγας» μιας ψευδούς κατάστασης σε πραγματικό κενό όταν επιτευχθούν οι απαιτούμενες τιμές των κύριων φυσικών μεγεθών.
Εξώτερο διάστημα
Όταν συζητάμε τι σημαίνει αραιωμένο αέριο, είναι απαραίτητο να σταθούμε στην έννοια του «κοσμικού κενού». Μπορεί να θεωρηθεί κοντά στο φυσικό κενό, αλλά υπάρχει στο διαστρικόχώρος. Οι πλανήτες, οι φυσικοί τους δορυφόροι, πολλά αστέρια έχουν ορισμένες ελκυστικές δυνάμεις που κρατούν την ατμόσφαιρα σε μια συγκεκριμένη απόσταση. Καθώς απομακρύνεστε από την επιφάνεια ενός αστρικού αντικειμένου, η πυκνότητα του σπάνιου αερίου αλλάζει.
Για παράδειγμα, υπάρχει η γραμμή Κάρμαν, η οποία θεωρείται κοινός ορισμός με το εξωτερικό διάστημα των ορίων του πλανήτη. Πίσω από αυτό, η τιμή της πίεσης του ισοτροπικού αερίου μειώνεται απότομα σε σύγκριση με την ηλιακή ακτινοβολία και τη δυναμική πίεση του ηλιακού ανέμου, επομένως είναι δύσκολο να ερμηνευτεί η πίεση ενός σπάνιου αερίου.
Το διάστημα είναι γεμάτο φωτόνια, λείψανα νετρίνα που είναι δύσκολο να εντοπιστούν.
Λειτουργίες μέτρησης
Ο βαθμός κενού συνήθως καθορίζεται από την ποσότητα της ουσίας που παραμένει στο σύστημα. Το κύριο χαρακτηριστικό της μέτρησης αυτής της κατάστασης είναι η απόλυτη πίεση, επιπλέον λαμβάνεται υπόψη η χημική σύσταση του αερίου και η θερμοκρασία του.
Μια σημαντική παράμετρος για το κενό είναι η μέση τιμή του μήκους διαδρομής των αερίων που παραμένουν στο σύστημα. Υπάρχει μια διαίρεση του κενού σε ορισμένες περιοχές, σύμφωνα με την τεχνολογία που είναι απαραίτητη για τις μετρήσεις: ψευδής, τεχνική, φυσική.
Σχηματισμός κενού
Πρόκειται για την κατασκευή προϊόντων από σύγχρονα θερμοπλαστικά υλικά σε θερμή μορφή με χρήση χαμηλής πίεσης αέρα ή δράσης κενού.
Η διαμόρφωση υπό κενό θεωρείται μέθοδος σχεδίασης, ως αποτέλεσμα της οποίας θερμαίνεται το φύλλο πλαστικού,βρίσκεται πάνω από τη μήτρα, μέχρι μια ορισμένη τιμή θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, το φύλλο επαναλαμβάνει το σχήμα της μήτρας, αυτό οφείλεται στη δημιουργία κενού μεταξύ αυτού και του πλαστικού.
Συσκευές ηλεκτρικής σκούπας
Είναι συσκευές που έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν, να ενισχύουν και να μετατρέπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Σε μια τέτοια συσκευή, ο αέρας αφαιρείται από τον χώρο εργασίας και χρησιμοποιείται ένα αδιαπέραστο κέλυφος για προστασία από το περιβάλλον. Παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι οι ηλεκτρονικές συσκευές κενού, όπου τα ηλεκτρόνια χωρούν σε κενό. Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως μπορούν επίσης να θεωρηθούν συσκευές κενού.
Αέρια σε χαμηλές πιέσεις
Ένα αέριο ονομάζεται σπάνιο αν η πυκνότητά του είναι αμελητέα και το μήκος της μοριακής διαδρομής είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος του δοχείου στο οποίο βρίσκεται το αέριο. Σε μια τέτοια κατάσταση, παρατηρείται μείωση του αριθμού των ηλεκτρονίων σε αναλογία με την πυκνότητα του αερίου.
Στην περίπτωση ενός εξαιρετικά σπάνιου αερίου, πρακτικά δεν υπάρχει εσωτερική τριβή. Αντίθετα, εμφανίζεται εξωτερική τριβή του κινούμενου αερίου στα τοιχώματα, η οποία εξηγείται από την αλλαγή της ορμής των μορίων όταν συγκρούονται με το δοχείο. Σε μια τέτοια κατάσταση, υπάρχει άμεση αναλογία μεταξύ της ταχύτητας των σωματιδίων και της πυκνότητας του αερίου.
Σε περίπτωση χαμηλού κενού, παρατηρούνται συχνές συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων αερίου σε πλήρη όγκο, οι οποίες συνοδεύονται από σταθερή ανταλλαγή θερμικής ενέργειας. Αυτό εξηγεί το φαινόμενο μεταφοράς (διάχυση, θερμική αγωγιμότητα), το οποίο χρησιμοποιείται ενεργά στη σύγχρονη τεχνολογία.
Λήψη εξευγενισμένων αερίων
Η επιστημονική μελέτη και ανάπτυξη συσκευών κενού ξεκίνησε στα μέσα του δέκατου έβδομου αιώνα. Το 1643, ο Ιταλός Torricelli κατάφερε να προσδιορίσει την τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης και μετά την εφεύρεση μιας μηχανικής αντλίας εμβόλου με ειδική σφράγιση νερού από τον O. Guericke, εμφανίστηκε μια πραγματική ευκαιρία για τη διεξαγωγή πολυάριθμων μελετών για τα χαρακτηριστικά ενός σπάνιου αερίου. Παράλληλα, μελετήθηκαν οι δυνατότητες της επίδρασης του κενού στα έμβια όντα. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε κενό με ηλεκτρική εκκένωση συνέβαλαν στην ανακάλυψη ενός αρνητικού ηλεκτρονίου, ακτινοβολίας ακτίνων Χ.
Χάρη στη θερμομονωτική ικανότητα του κενού, κατέστη δυνατή η εξήγηση των μεθόδων μεταφοράς θερμότητας, η χρήση θεωρητικών πληροφοριών για την ανάπτυξη της σύγχρονης κρυογονικής τεχνολογίας.
Χρήση ηλεκτρικής σκούπας
Το 1873 εφευρέθηκε η πρώτη συσκευή ηλεκτροκενού. Έγιναν ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως, που δημιουργήθηκε από τον Ρώσο φυσικό Lodygin. Από τότε, η πρακτική χρήση της τεχνολογίας κενού έχει επεκταθεί, έχουν εμφανιστεί νέες μέθοδοι για την απόκτηση και τη μελέτη αυτής της κατάστασης.
Δημιουργήθηκαν διάφοροι τύποι αντλιών κενού σε σύντομο χρονικό διάστημα:
- rotational;
- κρυοπροσρόφηση;
- molecular;
- διάχυση.
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, ο ακαδημαϊκός Lebedev κατάφερε να βελτιώσει τα επιστημονικά θεμέλια της βιομηχανίας κενού. Μέχρι τα μέσα του περασμένου αιώνα, οι επιστήμονες δεν επέτρεπαν τη δυνατότητα απόκτησης πίεσης μικρότερη από 10-6 Pa.
ΒΕπί του παρόντος, τα συστήματα κενού είναι κατασκευασμένα εξολοκλήρου μεταλλικά για την αποφυγή διαρροής. Οι κρυογονικές αντλίες κενού χρησιμοποιούνται όχι μόνο σε ερευνητικά εργαστήρια, αλλά και σε διάφορες βιομηχανίες.
Για παράδειγμα, μετά την ανάπτυξη ειδικών μέσων εκκένωσης που δεν μολύνουν το χρησιμοποιούμενο αντικείμενο, εμφανίστηκαν νέες προοπτικές για τη χρήση της τεχνολογίας κενού. Στη χημεία, τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται ενεργά για την ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των ιδιοτήτων των καθαρών ουσιών, τον διαχωρισμό ενός μείγματος σε συστατικά και την ανάλυση του ρυθμού διαφόρων διεργασιών.
