Згідно з визначенням у фізиці, концепція "вакууму" передбачає відсутність якої-небудь речовини та елементів матерії в певному просторі, в цьому випадку говорять про абсолютному вакуумі. Частковий же вакуум спостерігається тоді, коли щільність знаходиться речовини в даному місці простору є низькою. Розглянемо докладніше це питання в статті.
Вакуум і тиск
У визначенні концепції "абсолютний вакуум" мова йде про густини речовини. З фізики відомо, що якщо розглядається газоподібна матерія, то щільність речовини є прямо пропорційною величиною тиску. У свою чергу, коли говорять про часткове вакуумі, то мають на увазі, що щільність частинок матерії в даному просторі менше, ніж така для повітря при нормальному атмосферному тиску. Саме тому питання вакууму - це питання тиску в розглянутій системі.
У фізиці абсолютний тиск - це величина, рівна відношенню сили (вимірюється в ньютонах (Н)), яка перпендикулярно прикладена до деякої поверхні, до площі цієї поверхні (вимірюється в квадратних метрах), тобто P = F/S, де P - тиск, F - сила, S - площа поверхні. Одиницею вимірювання тиску є паскаль (Па), виходить, що 1 [Па]= 1[Н]/1[м2].
Частковий вакуум
Експериментально встановлено, що при температурі 20 °C на поверхні Землі на рівні моря атмосферний тиск становить 101325 Па. Це тиск отримало назву 1-ї атмосфери (атм.). Приблизно можна сказати, що тиск в 1 атм. дорівнює 01 МПа. Відповідаючи на питання про те, скільки атмосфер в 1 паскалі, складаємо відповідну пропорцію і отримуємо, що 1 Па = 10 -5 атм. Частковий вакуум відповідає будь-якому тиску в розглянутому просторі, яке менше 1 атм.
Якщо переводити зазначені цифри з мови тисків на мову кількості частинок, тоді слід сказати, що при 1 атм. в 1 м 3 повітря міститься приблизно 10 25 молекул. Будь-яке зменшення названої концентрації молекул призводить до утворення часткового вакууму.
Вимірювання вакууму
Найпоширенішим приладом для вимірювання невеликого вакууму є звичайний барометр, який можна використовувати лише для випадків, коли тиск газу становить кілька десятків відсотків від атмосферного.
Для вимірювання більш високих значень вакууму використовують електричну схему з мостом Уїтстона. Ідея використання полягає у вимірюванні опору чутливого елемента, яка залежить від навколишнього його концентрації молекул в газі. Чим більше така концентрація, тим більше молекул вдаряються про чутливий елемент, і тим більше тепла він передає їм, це призводить до зменшення температури елемента, що впливає на його електричний опір. Цим приладом вдається вимірювати вакуум з тисками в 0001 атм.
Історична довідка
Цікаво відзначити, що поняття "абсолютний вакуум" повністю відкидалося відомими давньогрецькими філософами, наприклад, Аристотелем. Крім того, про існування атмосферного тиску не було відомо до початку XVII століття. Тільки з приходом Нового часу почали проводитися експерименти з трубками, наповненими водою і ртуттю, які показали, що земна атмосфера тисне на всі навколишні тіла. Зокрема, в 1648 році Блез Паскаль зміг виміряти з допомогою ртутного барометра тиск на висоті 1000 метрів над рівнем моря. Виміряне значення виявилося набагато меншим, ніж на рівні моря, тим самим вчений довів існування атмосферного тиску.
Вперше експеримент, який продемонстрував силу атмосферного тиску, а також підкреслив концепцію вакууму, був проведений в Німеччині в 1654 році, в даний час він відомий під назвою "експеримент з магдебургскими сферами". У 1654 році німецький фізик Отто фон Геріке зміг щільно з'єднати дві металеві півсфери діаметром 30 см, а потім викачав з отриманої конструкції повітря, створивши тим самим частковий вакуум. Історія оповідає, що дві упряжки по 8 коней в кожній, які тягнули в протилежні сторони, не змогли роз'єднати ці сфери.
Абсолютний вакуум: чи існує він?
Іншими словами, існує місце в просторі, яке б не містило жодної матерії. Сучасні технології дозволяють створити вакуум 10 -10 Па і навіть менше, однак це абсолютний тиск не означає, що в розглянутій системі не залишається частинок матерії. Звернемося тепер до самого порожньому простору у Всесвіті - до відкритого космосу. Який тиск у вакуумі космосу? Тиск в космічному просторі навколо Землі становить 10 -8 Па, при цьому тиску існує близько 2 млн молекул в об'ємі 1 см 3 . Якщо говорити про міжгалактичному просторі, то за оцінками вчених навіть в ньому існує як мінімум 1 атом в обсязі 1 см 3 . Більше того, наша Всесвіт пронизаний електромагнітним випромінюванням, носіями якого є фотони. Електромагнітне випромінювання - це енергія, яку можна перевести у відповідну масу по знаменитій формулі Ейнштейна E = m*c 2 ), тобто енергія, поряд з речовиною, є стан матерії. Звідси випливає висновок, що абсолютного вакууму у відомому нам Всесвіті не існує.
