Сторінки історії
Ідея порожнечі впродовж багатьох століть була предметом спору. Зріджені гази намагалися аналізувати давньогрецькі і давньоримські філософи. Демокріт, Лукрецій, їх учні вважали: якщо б між атомами не було вільного простору, їх рух було б неможливо.Аристотель і його послідовники спростовували цю концепцію, на їхню думку, в природі не повинно бути «порожнечі». У середні століття в Європі ідея «острах порожнечі» стала пріоритетною, її використовували в релігійних цілях. Механіки Стародавньої Греції при створенні технічних пристроїв ґрунтувалися на розрідженні повітря. Наприклад, водяні насоси, які функціонували при створенні над поршнем розрідження, з'явилися за часів Аристотеля. Розріджений стан газу, повітря, стало основою для виготовлення поршневих вакуумних насосів, які широко застосовуються в даний час в техніці. Їх прототипом був знаменитий поршневий шприц Герона Олександрійського, створений ним для витягування гною. В середині сімнадцятого століття була розроблена перша вакуумна камера, а через шість років німецькому вченому Отто фон Герику вдалося винайти перший вакуумний насос. Цей поршневий циліндр легко відкачував повітря з герметичної ємності, створював там вакуум. Це дозволило вивчити основні характеристики нового стану, проаналізувати його експлуатаційні властивості.
Технічний вакуум
На практиці розріджений стан газу, повітря називають технічним вакуумом. У великих обсягах неможливо отримувати таке ідеальний стан, так як при певній температурі матеріали мають ненульову щільність насичених парів. Причиною неможливості отримання ідеального вакууму також є пропускання скляними, металевими стінками судин газоподібних речовин. У невеликих кількостях цілком можна отримувати зріджені гази. В якості міри розрідження використовують довжину вільного пробігу молекул газу, які хаотично стикаються, а також лінійний розмір використовуваного судини. Технічним вакуумом можна вважати газ в трубопроводі або посудині з величиною тиску менше, ніж в атмосфері. Низький вакуум виникає в тому випадку, коли атоми або молекули газу припиняють стикатися один з іншому. Між високовакуумним насосом і атмосферним повітрям ставиться форвакуумний нанос, який створює попереднє розрідження. У разі подальшого зниження в камері тиску спостерігається збільшення довжини пробігу частинок газоподібного речовини. При показниках тиску від 10 -9 Па створюється надвисокий вакуум. Саме такі зріджені гази використовують для проведення експериментів з використанням скануючого тунельного мікроскопа. Отримати такий стан в порах деяких кристалів вдається навіть при атмосферному тиску, так як діаметр пір набагато менше довжини пробігу вільної частинки.
Прилади на основі вакууму
Розріджений стан газу активно застосовується в приладах, які називаються вакуумними насосами. Для всмоктування газів і отримання певної ступеня вакууму застосовують геттери. Вакуумна техніка також передбачає численні прилади, які необхідні для контролю і вимірювання даного стану, а також для управління предметами, проведення різних технологічних процесів. Найбільш складними технічними пристроями, в яких застосовуються зріджені гази, є високовакуумні насоси. Наприклад, дифузійні прилади функціонують на основі руху молекул залишкових газів під дією потоку робочого газу. Навіть у випадку ідеального вакууму при досягненні кінцевої температури існує незначне теплове випромінювання. Це пояснює основні властивості зріджених газів, наприклад, настання теплової рівноваги через певний часовий проміжок між тілом і стінками вакуумної камери.Розріджений одноатомний газ є відмінним термоізолятором. У ньому перенесення теплової енергії здійснюється тільки з допомогою випромінювання, теплопровідність і конвекція не спостерігаються. Ця властивість застосовується в посудинах Дьюара (термосах), які перебувають з двох ємностей, між якими розташовується вакуум. Вакуум знайшов широке застосування і в радіолампах, наприклад, магнетронах кінескопів, мікрохвильових печей.
Фізичний вакуум
У квантовій фізиці під таким станом розуміють основний (нижча) енергетичний стан квантового поля, яке характеризується нульовими значеннями квантових чисел. В такому стані одноатомний газ не є абсолютно порожнім. Згідно квантової теорії, в фізичному вакуумі систематично з'являються і зникають віртуальні частинки, що викликає нульові коливання полів. Теоретично одночасно можуть існувати кілька різноманітних вакуумов, які відрізняються між собою за щільністю енергії, а також іншими фізичними характеристиками. Ця ідея стала основою у інфляційної теорії великого вибуху.
Помилковий вакуум
Під ним мається на увазі стан поля в квантової теорії, не є станом з мінімальною енергією. Воно стабільно протягом певного часового проміжку. Є ймовірність тунелювання» хибного стану в справжній вакуум при досягненні необхідних значень основних фізичних величин.Космічний простір
Розмірковуючи над тим, що значить розріджений газ, необхідно зупинитися на понятті «космічного вакууму». Його можна вважати близьким до фізичного вакууму, але існує в міжзоряному просторі. У планет, їх природних супутників, багатьох зірок існують певні сили тяжіння, які утримують на певній відстані атмосфери. По мірі віддалення від поверхні зоряного об'єкта, змінюється щільність розрідженого газу. Наприклад, існує лінія Кишені, яка вважається загальним визначенням з космічним простором межі планети. За нею різко знижується величина ізотропного тиску газу в порівнянні з сонячним випромінюванням і динамічним тиском сонячного вітру, тому важко інтерпретувати тиск розрідженого газу. У космічному просторі багато фотонів, реліктових нейтрино, які складно виявити.
Особливості вимірювання
Ступінь вакууму прийнято визначати тією кількістю речовини, яке залишилося в системі. Основною характеристикою вимірювання цього стану є абсолютне тиск, крім того, враховується хімічний склад газу, його температура. Важливим параметром для вакууму є середнє значення довжини пробігу газів, що залишилися в системі. Існує підрозділ вакууму на певні діапазони згідно з технологією, яка необхідна для проведення вимірювань: помилковий, технічний, фізичний.Вакуумна формовка
Це виготовлення виробів із сучасних термопластичних матеріалів в гарячому вигляді з допомогою впливу низького тиску повітря або дії вакууму. Вакуумну формування вважають способом витяжки, в результаті якої відбувається нагрівання листового пластику, що знаходиться над матрицею, до певного температурного значення. Далі відбувається повторення аркушем форми матриці, це пояснюється створенням між нею і пластиком вакууму.Електровакуумні прилади
Ними є пристрої, які призначені для створення, посилення, а також перетворення електромагнітної енергії. У такому приладі з робочого простору видалено повітря, а для захисту від навколишнього середовища використовується непроникна оболонка. Прикладами таких пристроїв є електронні вакуумні прилади, де електрони підходять у вакуумі. Лампи розжарювання також можна вважати електровакуумними приладами.Гази при низьких тисках
Газ називають розрідженим, якщо величина його щільності незначна, і довжина пробігу молекул порівнянна з розмірами тієї посудини, в якій знаходиться газ. У подібному стані спостерігається зменшення кількості електронів пропорційно щільності газу. У випадку сильно розрідженого газу практично відсутня внутрішнє тертя. Замість цього з'являється зовнішнє тертя переміщається газу об стінки, яке пояснюється зміною величини імпульсу молекулами при зіткненні з посудиною. У подібній ситуації існує пряма пропорційність між швидкістю руху частинок і щільністю газу. У разі низького вакууму спостерігаються часті зіткнення між частинками газу в повному обсязі, які супроводжуються стабільним обміном тепловою енергією. Це пояснює явище переносу (дифузію, теплопровідність), активно використовується в сучасній техніці.Отримання розріджених газів
Наукове вивчення і розвиток вакуумних приладів почалося в середині сімнадцятого століття. В 1643 році італійцеві Торрічеллі вдалося визначити величину атмосферного тиску, а після винаходу О. Геріке механічного поршневого насоса зі спеціальним водяним ущільнювачем, з'явилася реальна можливість для проведення численних досліджень характеристик розрідженого газу. Одночасно досліджувалися можливості впливу вакууму на живі істоти. Досліди, проведені в умовах вакууму з електричним розрядом, сприяли відкриттю негативного електрона, рентгенівського випромінювання. Завдяки теплоізолюючої здатності вакууму з'явилася можливість пояснити способи передачі тепла, використовувати теоретичні відомості для розвитку сучасної кріогенної техніки.