что такое разряжение газа
Что такое разряжение газа
Газ называется разреженным, если его плотность столь мала, что средняя длина свободного пробега молекул может быть сравнима с линейными размерами l сосуда, в котором находится газ. Такое состояние газа называется вакуумом.
Различают следующие степени вакуума: сверхвысокий (
), высокий (
), средний (
) и низкий вакуум.
Свойства разреженных газов отличаются от свойств неразреженных газов. Это видно из таблицы, где приведены некоторые характеристики различных степеней вакуума.
| Характеристика | Вакуум | |||
| низкий | средний | высокий | сверхвысокий | |
| λ l | λ >> l | |||
| Давление в мм рт.ст | 760 – 1 | 1 – 10–3 | 10–3 – 10–7 | 10–8 и менее |
| Число молекул в ед. объема (в м–3) | 1025 – 1022 | 1022 – 1019 | 1019 – 1013 | 1013 и менее |
| Зависимость от давления коэффициентов χ и η | Не зависят от давления | Определяется параметром
| Прямо пропорциональны давлению | Теплопроводность и вязкость практически отсутствуют |
Если из сосуда откачивать газ, то по мере понижения давления число столкновений молекул друг с другом уменьшается, что приводит к увеличению их длины свободного пробега. При достаточно большом разрежении столкновения между молекулами относительно редки, поэтому основную роль играют столкновения молекул со стенками сосуда.
Удельный тепловой поток в сильно разреженных газах пропорционален разности температур и плотности газа.
Стационарное состояние разреженного газа, находящегося в двух сосудах, соединенных узкой трубкой, возможно при условии равенства встречных потоков частиц, перемещающихся из одного сосуда в другой:
, где n1 и n2 – число молекул в 1 см 3 в обоих сосудах; 
и 
– их средние арифметические скорости.
Если Т1 и Т2 – температуры газа в сосудах, то предыдущее условие стационарности можно переписать в виде уравнения, выражающего эффект Кнудсена:
 |
Вопросы создания вакуума имеют большое значение в технике, так как, например, во многих современных электронных приборах используются электронные пучки, формирование которых возможно лишь в условиях вакуума. Для получения различных степеней разрежения применяются вакуумные насосы, позволяющие получить предварительное разрежение (форвакуум) до ≈ 0,13 Па, а также вакуумные насосы и лабораторные приспособления, позволяющие получить давление до 13,3 мкПа – 1,33 пПа (10 –7 – 10 –14 мм рт.ст.).
Разреженный газ
Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т.д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d >1) вакуум.
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
Содержание
Технический вакуум
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [1] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (так называемых ложных вакуумов) является одним из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Но, пожалуй, самым наглядным из явлений, которые нельзя объяснить, не используя идею о нулевых колебаниях вакуума, это спонтанное излучение. Самые обыкновенные излучающие спонтанно лампы накаливания не светились бы, если бы вакуум был абсолютной пустотой. Дело в том, что любой объект (а, значит, и возбужденный атом), помещенный в абсолютно пустое пространство, представляет собой замкнутую систему. А поскольку такая система стабильна во времени, то никакого излучения не происходило бы. Уже из этого простого рассуждения понятно, что объяснение спонтанного излучения требует привлечения более сложной модели вакуума, чем классическая абсолютная пустота.
Вакуум: основные понятия, определения и типы вакуума
Вакуум понятие относительное. Учеными доказано, что абсолютного вакуума не существует. Есть несколько понятий вакуума и его интерпретаций.
Что такое вакуум
Ва́куум с латинского «vacuum» обозначает пустой, т.е. это пустое пространство. Но создать пустое пространство невозможно. Поэтому принято считать вакуумом объем, в котором почти нет никаких веществ. Количество молекул в вакууме находится в таком небольшом количестве, что может достигать нескольких десятков.
Из-за малого количество молекул, их внутренняя энергия или импульсы стремятся к нулю. Поэтому считается, что в вакууме практически отсутствуют различные процессы, такие как электрический ток, трение и прочее.
В физике ва́куум – это пространство с газом, давление которого ниже атмосферного давления. Другими словами, это разряжение.
Качество вакуума или его глубина измеряется давлением. А точнее, отношением длины свободного пробега частицы к линейным размерам емкости, в которой он создан. С увеличением степени разряжения уменьшается число столкновений молекул в пространстве. Длина свободного пробега частиц увеличивается и зависит только от размеров сосуда, со стенками которого они сталкиваются. Следовательно, вакуумом можно назвать состояние, когда частицы газа, находясь в определенном объеме, не соприкасаются друг с другом.
Основная единица измерения вакуумного давления – Па. Но паскаль достаточно большая величина для измерения разряжения, поэтому в физике часто используются другие величины, такие как бар, мм.рт.ст., торр, физическая атмосфера.
Соотношение единиц измерения вакуума в физике.
Разреженный газ
Содержание
Технический вакуум
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в частности толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов и в ультратонких капиллярах достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры/капилляра становится меньше, чем длина свободного пробега молекулы, равная в воздухе при нормальных условиях
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например, титан) и криосорбционные насосы (в основном, для создания форвакуума).
Даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Вакуум квантовой теории поля
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [6] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Ложный вакуум
Ложный вакуум — состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с глобально минимальной энергией, а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «туннелировать» в состояние истинного вакуума.
Эйнштейновский вакуум
Эйнштейновский вакуум — иногда встречающееся название для решений уравнений Эйнштейна в общей теории относительности для пустого, без материи, пространства-времени. Синоним — пространство Эйнштейна.
Тривиальным вакуумным решением уравнений Эйнштейна является плоское пространство Минковского, то есть метрика, рассматриваемая в специальной теории относительности.
Другие вакуумные решения уравнений Эйнштейна включают в себя, в частности, следующие случаи:
Космическое пространство
Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силой притяжения, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 3,2×10 −2 Па на 100 км высоты — на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой.
Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственных спутников Земли. Большинство спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой, и должны подрабатывать двигателями каждые несколько дней для поддержания стабильной орбиты.
История изучения вакуума
Идея вакуума (пустоты) была предметом споров ещё со времён древнегреческих и древнеримских философов. Атомисты — Левкипп (ок. 500 г. до н. э.), Демокрит (около 460—370 гг. до н. э.), Эпикур (341—270 гг. до н. э.), Лукреций (ок. 99—55 гг. до н. э.) и их последователи — предполагали, что всё существующее — атомы и пустота между ними, причём без вакуума не было бы и движения, атомы не могли бы двигаться, если бы между ними не было пустого пространства. Стратон (ок. 270 г. до н. э.) и многие философы в более поздние времена полагали, что пустота может быть «сплошной» (vacuum coacervatum) и «рассеянной» (в промежутках между частицами вещества, vacuum disseminatum).
Напротив, Аристотель (384—322 гг. до н. э.) и ряд других философов считали, что «природа не терпит пустоты». Концепция «боязни пустоты» (horror vacui), зародившаяся ещё до Аристотеля, у Эмпедокла (ок. 490—430 гг. до н. э.) и других философов ионийской школы, в философской мысли Средневековой Европы стала доминирующей и приобрела религиозно-мистические черты.
Некоторые предпосылки к эмпирическому исследованию вакуума существовали ещё в античности. Древнегреческие механики создавали различные технические устройства, основанные на разрежении воздуха. Например, водяные насосы, действующие путём создания разрежения под поршнем, были известны ещё во времена Аристотеля. До нашего времени сохранился рисунок пожарного насоса, изобретённого «отцом пневматики» Ктезибием (ок. 250 г. до н. э.). Водяные насосы такого типа были фактически прообразами вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия. Ученик Ктезибия, Герон Александрийский, разработал поршневой шприц для вытягивания гноя, тоже являющийся по существу вакуумным устройством.
Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в XVII веке, с концом Возрождения и началом научной революции Нового времени. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту не более 10 метров. Например, в трактате Георгия Агриколы (1494—1555) «О горном деле» приведено изображение цепочки водяных насосов для откачки воды из шахты.
Вакуумный насос Герике был значительно усовершенствован Робертом Бойлем, что позволило ему выполнить ряд экспериментов для выяснения свойств вакуума и его влияния на различные объекты. Бойль обнаружил, что в вакууме гибнут мелкие животные, огонь потухает, а дым опускается вниз (и, следовательно, так же подвержен влиянию силы тяжести, как и другие тела). Бойль выяснил также, что поднятие жидкости в капиллярах происходит и в вакууме, и тем самым опроверг господствовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует давление воздуха. Напротив, перетекание жидкости через сифон в вакууме прекращалось, чем было доказано, что это явление обусловлено атмосферным давлением. Он показал, что при химических реакциях (таких, как гашение извести), а также при взаимном трении тел тепло выделяется и в вакууме.
Влияние на людей и животных
Измерение
Вакуум подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепризнанных определений, но типичное распределение выглядит следующим образом [21] [22] :
| Давление (мм рт.ст.) | Давление (Па) | |
|---|---|---|
| Атмосферное давление | 760 | 1,013×10 +5 |
| Низкий вакуум | от 760 до 25 | от 1×10 +5 до 3,3×10 +3 |
| Средний вакуум | от 25 до 1×10 −3 | от 3,3×10 +3 до 1,3×10 −1 |
| Высокий вакуум | от 1×10 −3 до 1×10 −9 | от 1,3×10 −1 до 1,3×10 −7 |
| Сверхвысокий вакуум | от 1×10 −9 до 1×10 −12 | от 1,3×10 −7 до 1,3×10 −10 |
| Экстремальный вакуум | −12 | −10 |
| Космическое пространство | от 1×10 −6 до −17 | от 1,3×10 −4 до −15 |
| Абсолютный вакуум | 0 | 0 |
Применение
Вакуум полезен для многих процессов и применяется в разных устройствах. Впервые для массово используемых товаров он был применён в лампах накаливания с целью защиты нити от химического разложения. Химическая инертность материалов, обеспечиваемая вакуумом, также полезна для электронно-лучевой сварки, холодной сварки, вакуумной упаковки и вакуумной жарки. Сверхвысокий вакуум используется при изучении атомарно чистых субстратов, так как только очень высокий вакуум сохраняет поверхности чистыми на атомарном уровне в течение достаточно длительного времени (от минут до суток). При высоком и сверхвысоком вакуумировании устраняется противодействие воздуха, позволяя пучкам частиц осаждать или удалять материалы без загрязнения. Этот принцип лежит в основе химического осаждения из газовой фазы, вакуумного напыления и сухого травления, которые применяются в производстве полупроводников и оптических покрытий, а также в химии поверхности. Снижение конвекции обеспечивает теплоизоляцию в термосах. Глубокий вакуум понижает температуру кипения жидкости и способствует низкой температуре дегазации, которая используется в сублимационной сушке, приготовлении клея, перегонке, металлургии и вакуумной очистке. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки, включая катодные лучевые трубки. Вакуумные выключатели используются в электрических распределительных устройствах. Вакуумный пробой имеет промышленное значение для производства определенных марок стали или материалов высокой чистоты. Исключение трения воздуха полезно для накопления энергии маховика и ультрацентрифуг.
Управляемые вакуумом машины
Вакуум обычно используется, чтобы произвести всасывание, которое имеет ещё более широкий спектр применения. Паровой двигатель Ньюкомена использовал вакуум вместо давления, чтобы управлять поршнем. В XIX веке вакуум был использован для тяги на экспериментальной пневматической железной дороге Изамбарда Брунеля. Вакуумные тормоза когда-то широко использовались на поездах в Великобритании, но, за исключением исторических железных дорог, они были заменены пневматическими тормозами.
Поддержание вакуума в конденсаторе важно для эффективной работы паровых турбин. Для этого используется паровой инжектор или водокольцевой насос. Обычный вакуум, поддерживаемый в паровом объёме конденсатора на выхлопном патрубке турбины (еще его называют давление конденсатора турбины), находится в диапазоне от 5 до 15 кПа, в зависимости от типа конденсатора и условий окружающей среды.
Дегазация
Испарение и сублимация в вакууме называется дегазацией. Все материалы, твердые или жидкие, немного парят (происходит газовыделение), и их дегазация необходима, когда давление вакуума падает ниже давления их пара. Парение материалов в вакууме имеет такой же эффект, как натекание, и может ограничить достижимый вакуум. Продукты испарения могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они покроют оптические приборы или вступят в реакцию с другими материалами. Это вызывает большие трудности при полётах в космосе, где затемненный телескоп или элемент солнечной батареи может сорвать высокозатратную операцию.
Самым распространенным выделяющимся продуктом в вакуумных системах является вода, поглощённая материалами камер. Её количество может быть уменьшено сушкой или прогревом камеры и удалением абсорбирующих материалов. Испаряющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко уменьшить их рабочую скорость, если не используется газобалластное устройство. Высоковакуумные системы должны быть чистыми, в них не должно оставаться органических веществ, чтобы свести к минимуму газовыделение.
Сверхвысокие вакуумные системы, как правило, отжигаются, желательно под вакуумом, чтобы временно повысить испарение всех материалов и выпарить их. После того, как большая часть испаряющихся материалов выпарена и удалена, система может быть охлаждена для уменьшения парения материалов и минимизации остаточного газовыделения во время эксплуатации. Некоторые системы охлаждают существенно ниже комнатной температуры с помощью жидкого азота для полного прекращения остаточного газовыделения и одновременно создания эффекта криогенной откачки системы.
Откачка и атмосферное давление
Газы вообще нельзя вытолкнуть, поэтому вакуум не может быть создан всасыванием. Всасывание может распространить и разбавить вакуум, позволяя высокому давлению вводить в него газы, но, прежде чем всасывание может произойти, необходимо вакуум создать. Самый простой способ создать искусственный вакуум — расширить объём камеры. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объёма легких. Это расширение уменьшает давление и создает низкий вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.
Чтобы продолжать опустошение камеры бесконечно, не используя постоянно её увеличение, вакуумирующий её отсек может быть закрыт, продут, расширен снова, и так много раз. Это принцип работы насосов с принудительным вытеснением (газопереносных), например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания вакуума. Из-за перепада давления часть жидкости из камеры (или колодца, в нашем примере) вталкивается в маленькую полость насоса. Затем полость насоса герметично закрывается от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до минимального размера, выталкивая жидкость.
Приведенное выше объяснение представляет собой простое введение в вакуумирование и не является типичным для всего диапазона используемых насосов. Разработаны много вариаций насосов с принудительным вытеснением, и множество конструкций насосов основаны на радикально других принципах. Насосы передачи импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут обеспечить намного более высокое качество вакуума, чем насосы с принудительным вытеснением. Газосвязывающие насосы, способные захватывать газы в твердом или поглощенном состоянии, работают часто без движущихся частей, без уплотнений и без вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет серьёзные ограничения применения. У всех есть трудности с откачкой газов с малой массой молекул, особенно водорода, гелия и неона.
Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, кроме устройства насосов, также зависит от многих факторов. Несколько насосов могут быть соединены последовательно в так называемые ступени для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки — всё будет иметь эффект. В совокупности всё это называют вакуумной техникой. И иногда, итоговое давление — не единственная существенная характеристика. Насосные системы отличаются масляным загрязнением, вибрацией, избирательной откачкой определенных газов, скоростями откачки, прерывистостью эксплуатации, надежностью или устойчивостью к высоким скоростям натекания.
В системах со сверхвысоким вакуумом необходимо учитывать некоторые очень «странные» пути натекания и источники парения. Неприемлемым источником испарений становится способность к водопоглощению алюминия и палладия, приходится учитывать даже адсорбционную способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан. Некоторые масла и смазки будут кипеть при высоком вакууме. Возможно, придется учитывать влияние кристаллической структуры металла на проницаемость металлических стенок камер, например, параллельность направления зёрен металлических фланцев торцу фланца.