что такое вакуум в физике простыми словами
Физический вакуум
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
Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — состояние материи в отсутствии вещества. Также его иногда называют безвоздушным пространством, хотя это и неверно. Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
Термин «ва́куум», как правило, используется для обозначения области пространства, в котором давление меньше атмосферного. Атмосферное давление обычно выражается в миллиметрах ртутного столба и над уровнем моря приблизительно равно 760 мм рт. ст., что составляет 1 стандартную атмосферу.
Технический вакуум
Применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе 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 достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.
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
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [источник?] 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 их главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Что такое вакуум и с чем его едят?
Рассмотрим для наглядности на примере, что такое вакуум и как его измеряют.
На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера). Оно меняется в зависимости от погода, от высоты над уровнем моря и так далее, но это мы не будем принимать во внимание, так как оно ни как не будет влиять на понятие вакуум в нашем случае. Итак, мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере, все, что ниже 1 атмосферы и будет техническим вакуумом.
Возьмем какой нибудь сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнем откачивать из сосуда воздух, то в нем возникнет разряжение, которое и будет называться вакуумом.
Так как в сосуде всего одна атмосфера, то теоритически максимальный вакуум мы можем получить ноль атмосфер. Почему теоритически? Потому, что абсолютно все молекулы из сосуда выловить невозможно.
Поэтому в любом сосуде, в котором откачали воздух (газ) всегда остается какое то минимальное его количество. И это количество называется остаточным давлением, т.е. давление которое осталось в сосуде после откачки из него газов.
Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но все равно не до нуля.
Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчета.
За единицу принимается атмосферное давление, т.е. все, что ниже атмосферного давления технический вакуум. Шкала вакууметра от 1,0 атм. до 0 атм.
Так шкалы могут быть в других единицах измерения, к примеру кПа, mBar и так далее, но все это аналогично шкалам в атмосферах. Но мы рекомендуем приобретать вакууметры все атки со шкалой кПа (Па), так как это соответствует международнйо системе измерения СИ.
На картинке показаны вакууметры с различными шкалами, но с одинаковым вакуумом.
Из всего сказанного выше видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.
И они очень удивляются когда узнают, что это невозможно (кстати, каждый второй из них говорит, что «вы сами ничего не знаете», «а у соседа так» и т.д. и.т.п.)
На самом деле, все эти люди хотят формовать детали под вакуумом, но чтобы прижим детали был более 1 кг/см2 (1 атмосферы).
Этого можно достичь, если накрыть изделие плёнкой, откачать из под неё воздух (в этом случае, в зависимости от созданного вакуума, максимальный прижим составит 1 кг/см2 (1 атм=1 кг/см2)), и после этого поместить это всё в автоклав, в котором будет создано избыточное давление. То есть для создания прижима в 2 кг/см2, достаточно создать в автоклаве избыточное давление в 1 атм.
Теперь несколько слов о том, как многие клиенты измеряют вакуум:
включают насос, прикладывают палец (ладонь) к всасывающему отверстию вакуумного насоса и сразу делают вывод о величине вакуума.
Обычно, все очень любят сравнивать советский вакуумный насос 2НВР-5ДМ и предлагаемый нами его аналог VE-2100.
После такой проверки, всегда говорят одно и тоже – вакуум у 2НВР-5ДМ выше (хотя на самом деле оба насоса выдают одинаковые параметры по вакууму).
В чем же причина такой реакции? А как всегда – в отсутствии знаний законов физики и что такое давление вообще.
Немного ликбеза: давление «P» – это сила, которая действует на некоторую площадь поверхности, направленная перпендикулярно этой поверхности (отношение силы «F» к площади поверхности «S»), то есть P=F/S.
По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности.
Из этой формулы видно, что чем больше площадь поверхности, тем меньше будет давление. А также сила, которая потребуется для отрыва руки или пальца от входного отверстия насоса, прямо пропорциональна величине площади поверхности (F=P*S).
Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса 2НВР-5ДМ – 25 мм (площадь поверхности 78,5 мм2).
Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса VE-2100 – 6 мм (площадь поверхности 18,8 мм2).
То есть для отрыва руки от отверстия диаметром 25 мм, требуется сила в 4,2 раза большая, чем для диаметра отверстия 6 мм (при одинаковом давлении).
Именно по этому, когда вакуум измеряют пальцами, получается такой парадокс.
Давление «P», в этом случае, рассчитывается как разница между атмосферным давлением и остаточным давлением в сосуде (то есть вакуумом в насосе).
Как посчитать силу прижима какой-либо детали к поверхности?
Очень просто. Можно воспользоваться формулой приведенной выше, но попробуем объяснить попроще.
Например, пусть требуется узнать, с какой силой может быть прижата деталь размером 10х10 см при создании под ней вакуума насосом ВВН 1-0,75.
Берём остаточное давление, которое создаёт этот вакуумный насос серии ВВН.
Конкретно у этого водокольцевого насоса ВВН 1-0,75 оно составляет 0,4 атм.
1 атмосфера равна 1 кг/см2.
Площадь поверхности детали – 100 см2 (10см х10 см).
То есть, если создать максимальный вакуум (то есть давление на деталь будет 1 атм), то деталь прижмётся с силой 100 кг.
Так как у нас вакуум 0,4 атм, то прижим составит 0,4х100=40 кг.
Но это в теории, при идеальных условиях, если не будет подсоса воздуха и т.п.
Реально нужно это учитывать и прижим будет на 20…40% меньше в зависимости от типа поверхности, скорости откачки, и т.п.
Теперь пару слов о механических вакуумметрах.
Эти устройства показывают остаточное давление в пределах 0,05…1 атм.
То есть он не покажет более глубокого вакуума (будет всегда показывать «0»). Например, в любом пластинчато-роторном вакуумном насосе, по достижении его максимального вакуума, механический вакуумметр всегда будет показывать «0». Если требуется визуальное отображение значений остаточного давления, то нужно ставить электронный вакуумметр.
Часто к нам приходят клиенты, которые формуют детали под вакуумом (например, детали из композиционных материалов: углепластика, стеклопластика и т.п.), это нужно для того, чтобы во время формовки из связующего вещества (смолы) выходил газ и тем самым улучшались свойства готового продукта, а так же деталь прижималась к форме плёнкой, из-под которой откачивают воздух.
Встаёт вопрос: каким вакуумным насосом пользоваться – одноступенчатым или двухступенчатым?
Обычно думают, что раз вакуум у двухступенчатого выше, то и детали получаться лучше.
Вакуум у двухступенчатого насоса 0,2 Па, а у одноступенчатого 2 Па. Кажется, что раз разница в давлении в 10 раз, то и прижиматься деталь будет гораздо сильнее.
Но так ли это на самом деле?
1 атм = 100000 Па = 1 кг/см2.
Значит разница в прижиме плёнки при вакууме 0,2 Па и 2 Па составит 0,00018 кг/см2 (кому не лень – посчитает сам).
То есть, практически, разницы никакой не будет, т.к. выигрыш в 0,18 г в силе прижима погоды не сделает.
Вакуум
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
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 том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа 
» border=»0″ />, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера 
сосуда, в котором находится газ.
Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр ) говорят о достижении низкого вакуума (
) ( 10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При 
молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме ( 10 −5 торр ) ( 10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже ( 1 молекула на 1 см³ ).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
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).
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.
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 вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является 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. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
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 (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Что такое вакуум и где мы его используем
Анна Веселко
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.
Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию
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.
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.
Манометр с 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.