الفراغ هو مساحة لا يوجد فيها أي مادة. في الفيزياء والتكنولوجيا التطبيقية ، يعني هذا الوسط الذي يتم فيه احتواء الغاز عند ضغط أقل من الضغط الجوي. ما هي الغازات المتخلخلة عندما تم اكتشافها لأول مرة؟
صفحات التاريخ
كانت فكرة الفراغ نقطة خلاف لعدة قرون. حاولت الغازات النادرة تحليل الفلاسفة اليونانيين والرومان القدماء. ديموقريطوس ، لوكريتيوس ، اعتقد طلابهم: إذا لم تكن هناك مساحة خالية بين الذرات ، فإن حركتهم ستكون مستحيلة.
دحض أرسطو وأتباعه هذا المفهوم ، في رأيهم أنه لا ينبغي أن يكون هناك "فراغ" في الطبيعة. في العصور الوسطى في أوروبا ، أصبحت فكرة "الخوف من الفراغ" من الأولويات ، حيث تم استخدامها لأغراض دينية.
كانت ميكانيكا اليونان القديمة ، عند إنشاء الأجهزة التقنية ، قائمة على خلخلة الهواء. على سبيل المثال ، ظهرت مضخات الماء التي كانت تعمل عند إنشاء فراغ فوق المكبس في وقت أرسطو.
حالة الخلخلة للغاز ، الهواء ، أصبحت الأساس لتصنيع مضخات التفريغ ذات المكبس ، والتي تستخدم حاليًا على نطاق واسع في التكنولوجيا.
كان نموذجهم الأولي هو حقنة المكبس الشهيرة من Heron of Alexandria ، التي صنعهالاستخلاص القيح.
في منتصف القرن السابع عشر ، تم تطوير أول غرفة مفرغة ، وبعد ست سنوات ، تمكن العالم الألماني أوتو فون جيريك من ابتكار أول مضخة فراغ.
تضخ أسطوانة المكبس الهواء بسهولة من حاوية محكمة الغلق ، مما يخلق فراغًا هناك. هذا جعل من الممكن دراسة الخصائص الرئيسية للدولة الجديدة ، لتحليل خصائصها التشغيلية.
فراغ التكنولوجيا
في الممارسة العملية ، تسمى الحالة المتخلخلة للغاز والهواء بالفراغ الفني. في الأحجام الكبيرة ، من المستحيل الحصول على مثل هذه الحالة المثالية ، لأنه عند درجة حرارة معينة ، تحتوي المواد على كثافة بخار مشبعة غير صفرية.
سبب استحالة الحصول على فراغ مثالي هو أيضًا انتقال المواد الغازية من خلال الجدران الزجاجية والمعدنية للأوعية.
بكميات صغيرة من الممكن جدا الحصول على الغازات المتخلخلة. كمقياس للخلخلة ، يتم استخدام المسار الحر لجزيئات الغاز التي تتصادم بشكل عشوائي ، وكذلك الحجم الخطي للوعاء المستخدم.
يمكن اعتبار الفراغ الفني غازًا في خط أنابيب أو وعاء بقيمة ضغط أقل من الغلاف الجوي. يحدث فراغ منخفض عندما تتوقف ذرات أو جزيئات الغاز عن الاصطدام ببعضها البعض.
يتم وضع فراغ أمامي بين مضخة التفريغ العالية والهواء الجوي ، مما يخلق فراغًا أوليًا. في حالة حدوث انخفاض لاحق في غرفة الضغط ، لوحظ زيادة في طول مسار الجسيمات الغازية.المواد.
عندما يكون الضغط من 10-9Pa ، يتم إنشاء فراغ عالي جدًا. تستخدم هذه الغازات المتخلخلة لإجراء التجارب باستخدام مجهر المسح النفقي.
من الممكن الحصول على مثل هذه الحالة في مسام بعض البلورات حتى عند الضغط الجوي ، لأن قطر المسام أصغر بكثير من المسار الحر للجسيم الحر.
الأجهزة القائمة على الفراغ
حالة الخلخلة للغاز تستخدم بنشاط في أجهزة تسمى مضخات التفريغ. يتم استخدام أجهزة الالتقاط لامتصاص الغازات والحصول على درجة معينة من الفراغ. تتضمن تقنية الفراغ أيضًا العديد من الأجهزة اللازمة للتحكم في هذه الحالة وقياسها ، وكذلك للتحكم في الأشياء ، لتنفيذ العمليات التكنولوجية المختلفة. أكثر الأجهزة التقنية تعقيدًا التي تستخدم الغازات المتخلخة هي مضخات التفريغ العالي. على سبيل المثال ، تعمل أجهزة الانتشار على أساس حركة جزيئات الغاز المتبقية تحت تأثير تدفق الغاز العامل. حتى في حالة الفراغ المثالي ، يكون هناك القليل من الإشعاع الحراري عند الوصول إلى درجة الحرارة النهائية. هذا يفسر الخصائص الرئيسية للغازات المتخلخلة ، على سبيل المثال ، بداية التوازن الحراري بعد فترة زمنية معينة بين الجسم وجدران غرفة التفريغ.
الغاز أحادي الذرات عازل حراري ممتاز. في ذلك ، يتم نقل الطاقة الحرارية فقط بمساعدة الإشعاع ، ولا يتم التوصيل الحراري والحمل الحراريلوحظ. تستخدم هذه الخاصية في أوعية ديوار (ترمس) وتتكون من حاويتين يوجد بينهما فراغ.
لقد وجد الفراغ تطبيقًا واسعًا في أنابيب الراديو ، على سبيل المثال ، مغنطرونات منظار الحركة وأفران الميكروويف.
الفراغ المادي
في فيزياء الكم ، تعني هذه الحالة حالة الطاقة الأرضية (الأدنى) للحقل الكمومي ، والتي تتميز بقيم صفرية للأرقام الكمية.
في هذه الحالة ، الغاز أحادي الذرة ليس فارغًا تمامًا. وفقًا لنظرية الكم ، تظهر الجسيمات الافتراضية بشكل منهجي وتختفي في الفراغ المادي ، مما يؤدي إلى عدم تذبذب المجالات.
نظريًا ، يمكن أن توجد عدة فراغات مختلفة في وقت واحد ، والتي تختلف في كثافة الطاقة ، فضلاً عن الخصائص الفيزيائية الأخرى. أصبحت هذه الفكرة أساسًا لنظرية الانفجار العظيم التضخمي.
فراغ كاذب
تعني حالة المجال في نظرية الكم ، وهي ليست حالة ذات طاقة دنيا. إنه مستقر خلال فترة زمنية معينة. هناك احتمال "نفق" حالة خاطئة إلى فراغ حقيقي عندما يتم الوصول إلى القيم المطلوبة للكميات المادية الرئيسية.
الفضاء الخارجي
عند مناقشة معنى الغاز المخلخل ، من الضروري الإسهاب في مفهوم "الفراغ الكوني". يمكن اعتباره قريبًا من الفراغ المادي ، ولكنه موجود في بين النجومالفراغ. تمتلك الكواكب وأقمارها الطبيعية والعديد من النجوم قوى جذب معينة تحافظ على الغلاف الجوي على مسافة معينة. عندما تبتعد عن سطح جسم نجمي ، تتغير كثافة الغاز المتخلخل.
على سبيل المثال ، يوجد خط كرمان والذي يعتبر تعريف مشترك مع الفضاء الخارجي لحدود الكوكب. وخلفه ، تنخفض قيمة ضغط الغاز الخواص بشكل حاد مقارنة بالإشعاع الشمسي والضغط الديناميكي للرياح الشمسية ، لذلك من الصعب تفسير ضغط الغاز المخلخل.
الفضاء الخارجي مليء بالفوتونات والنيوترينوات المتبقية التي يصعب اكتشافها.
ميزات القياس
درجة الفراغ تتحدد عادة بكمية المادة المتبقية في النظام. السمة الرئيسية لقياس هذه الحالة هي الضغط المطلق ، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي للغاز ودرجة حرارته يتم أخذها في الاعتبار.
معلمة مهمة للفراغ هي متوسط قيمة طول مسار الغازات المتبقية في النظام. هناك تقسيم للفراغ إلى نطاقات معينة وفقًا للتقنية اللازمة للقياسات: خاطئة ، تقنية ، فيزيائية.
تشكيل الفراغ
هذا هو تصنيع منتجات من مواد لدائن حرارية حديثة في شكل ساخن باستخدام ضغط هواء منخفض أو عمل فراغ.
يعتبر التشكيل بالفراغ طريقة رسم ، ونتيجة لذلك يتم تسخين الصفائح البلاستيكية ،تقع فوق المصفوفة ، حتى قيمة درجة حرارة معينة. بعد ذلك ، تكرر الورقة شكل المصفوفة ، ويرجع ذلك إلى خلق فراغ بينها وبين البلاستيك.
أجهزة الفراغ الكهربائي
هي أجهزة مصممة لإنشاء الطاقة الكهرومغناطيسية وتضخيمها وتحويلها. في مثل هذا الجهاز ، تتم إزالة الهواء من مساحة العمل ، ويتم استخدام غلاف غير منفذ للحماية من البيئة. ومن أمثلة هذه الأجهزة أجهزة التفريغ الإلكترونية ، حيث يتم وضع الإلكترونات في فراغ. يمكن أيضًا اعتبار المصابيح المتوهجة أجهزة تفريغ.
غازات عند ضغوط منخفضة
يسمى الغاز المخلخل إذا كانت كثافته ضئيلة ، وطول المسار الجزيئي يمكن مقارنته بحجم الوعاء الذي يوجد فيه الغاز. في مثل هذه الحالة ، لوحظ انخفاض في عدد الإلكترونات بما يتناسب مع كثافة الغاز.
في حالة وجود غاز شديد التخلخل ، لا يوجد عملياً احتكاك داخلي. بدلاً من ذلك ، يظهر الاحتكاك الخارجي للغاز المتحرك على الجدران ، وهو ما يفسره التغير في زخم الجزيئات عندما تصطدم بالوعاء. في مثل هذه الحالة يوجد تناسب مباشر بين سرعة الجسيمات وكثافة الغاز.
في حالة الفراغ المنخفض ، يتم ملاحظة الاصطدامات المتكررة بين جزيئات الغاز بالحجم الكامل ، والتي تكون مصحوبة بتبادل ثابت للطاقة الحرارية. وهذا ما يفسر ظاهرة النقل (الانتشار ، التوصيل الحراري) ، والتي تستخدم بكثرة في التكنولوجيا الحديثة.
الحصول على غازات مخلخلة
بدأت الدراسة العلمية وتطوير أجهزة التفريغ في منتصف القرن السابع عشر. في عام 1643 ، تمكنت شركة Torricelli الإيطالية من تحديد قيمة الضغط الجوي ، وبعد اختراع مضخة مكبس ميكانيكية مع ختم ماء خاص بواسطة O. Guericke ، ظهرت فرصة حقيقية لإجراء العديد من الدراسات حول خصائص الغاز المتخلخل. في الوقت نفسه ، تمت دراسة احتمالات تأثير الفراغ على الكائنات الحية. ساهمت التجارب التي أجريت في الفراغ مع التفريغ الكهربائي في اكتشاف إلكترون سالب إشعاع الأشعة السينية.
بفضل قدرة الفراغ على العزل الحراري ، أصبح من الممكن شرح طرق نقل الحرارة ، واستخدام المعلومات النظرية لتطوير التكنولوجيا المبردة الحديثة.
باستخدام الفراغ
في عام 1873 تم اختراع أول جهاز للفراغ الكهربائي. لقد أصبحوا مصباحًا متوهجًا ، ابتكره الفيزيائي الروسي Lodygin. منذ ذلك الوقت ، توسع الاستخدام العملي لتقنية الفراغ ، وظهرت طرق جديدة للحصول على هذه الحالة ودراستها.
تم إنشاء أنواع مختلفة من مضخات التفريغ في فترة زمنية قصيرة:
- دوراني ؛
- cryosorption ؛
- جزيئي ؛
- انتشار
في بداية القرن العشرين ، تمكن الأكاديمي ليبيديف من تحسين الأسس العلمية لصناعة الفراغ. حتى منتصف القرن الماضي ، لم يسمح العلماء بإمكانية الحصول على ضغط أقل من 10-6 باسكال.
بحاليًا ، يتم تصنيع أنظمة التفريغ من المعدن بالكامل لتجنب التسرب. تستخدم المضخات الفراغية المبردة ليس فقط في المعامل البحثية ، ولكن أيضًا في الصناعات المختلفة.
على سبيل المثال ، بعد تطوير وسائل الإخلاء الخاصة التي لا تلوث الكائن المستخدم ، ظهرت آفاق جديدة لاستخدام تقنية الفراغ. في الكيمياء ، تُستخدم هذه الأنظمة بنشاط للتحليل النوعي والكمي لخصائص المواد النقية ، وفصل الخليط إلى مكونات ، وتحليل معدل العمليات المختلفة.
