Vacuum é um espaço no qual não há matéria. Em física aplicada e tecnologia, significa um meio no qual um gás está contido a uma pressão menor que a pressão atmosférica. O que eram gases rarefeitos quando foram descobertos?
Histórico
A ideia de vazio tem sido um ponto de discórdia há séculos. Gases rarefeitos tentaram analisar os antigos filósofos gregos e romanos. Demócrito, Lucrécio, seus alunos acreditavam: se não houvesse espaço livre entre os átomos, seu movimento seria impossível.
Aristóteles e seus seguidores refutaram esse conceito, na opinião deles, não deveria haver "vazio" na natureza. Na Idade Média na Europa, a ideia de "medo do vazio" tornou-se prioridade, era usada para fins religiosos.
A mecânica da Grécia Antiga, ao criar dispositivos técnicos, baseava-se na rarefação do ar. Por exemplo, bombas de água que funcionavam quando um vácuo era criado acima do pistão apareceram na época de Aristóteles.
O estado rarefeito do gás, o ar, tornou-se a base para a fabricação de bombas de vácuo de pistão, que atualmente são amplamente utilizadas na tecnologia.
Seu protótipo foi a famosa seringa de pistão de Heron de Alexandria, criada por elepara tirar pus.
Em meados do século XVII, a primeira câmara de vácuo foi desenvolvida e, seis anos depois, o cientista alemão Otto von Guerick conseguiu inventar a primeira bomba de vácuo.
Este cilindro de pistão bombeava ar facilmente para fora de um recipiente selado, criando um vácuo ali. Isso possibilitou estudar as principais características do novo estado, para analisar suas propriedades operacionais.
Tech vácuo
Na prática, o estado rarefeito do gás, o ar, é chamado de vácuo técnico. Em grandes volumes, é impossível obter tal estado ideal, pois a uma certa temperatura os materiais têm densidade de vapor saturado diferente de zero.
A razão da impossibilidade de se obter um vácuo ideal é também a transmissão de substâncias gasosas através do vidro, paredes metálicas dos vasos.
Em pequenas quantidades é bem possível obter gases rarefeitos. Como medida de rarefação, é usado o caminho livre das moléculas de gás que colidem aleatoriamente, bem como o tamanho linear do recipiente utilizado.
O vácuo técnico pode ser considerado um gás em uma tubulação ou vaso com valor de pressão menor que na atmosfera. Um vácuo baixo ocorre quando os átomos ou moléculas de um gás param de colidir uns com os outros.
Um vácuo prévio é colocado entre a bomba de alto vácuo e o ar atmosférico, o que cria um vácuo preliminar. No caso de uma diminuição subsequente na câmara de pressão, observa-se um aumento no comprimento do caminho das partículas gasosas.substâncias.
Quando a pressão é de 10 -9 Pa, é criado um vácuo ultra- alto. São esses gases rarefeitos que são usados para realizar experimentos usando um microscópio de tunelamento de varredura.
É possível obter tal estado nos poros de alguns cristais mesmo à pressão atmosférica, pois o diâmetro dos poros é muito menor que o caminho livre de uma partícula livre.
Aparelhos a vácuo
O estado rarefeito do gás é usado ativamente em dispositivos chamados bombas de vácuo. Getters são usados para sugar gases e obter um certo grau de vácuo. A tecnologia de vácuo também inclui vários dispositivos necessários para controlar e medir esse estado, bem como controlar objetos, para realizar vários processos tecnológicos. Os dispositivos técnicos mais complexos que utilizam gases rarefeitos são as bombas de alto vácuo. Por exemplo, os dispositivos de difusão operam com base no movimento de moléculas residuais de gás sob a ação de um fluxo de gás de trabalho. Mesmo no caso de vácuo ideal, há pouca radiação térmica quando a temperatura final é atingida. Isso explica as principais propriedades dos gases rarefeitos, por exemplo, o início do equilíbrio térmico após um certo intervalo de tempo entre o corpo e as paredes da câmara de vácuo.
Gás monoatômico rarefeito é um excelente isolante térmico. Nele, a transferência de energia térmica é realizada apenas com a ajuda de radiação, condutividade térmica e convecção não sãosão observados. Esta propriedade é utilizada em recipientes Dewar (termos), constituídos por dois recipientes, entre os quais existe um vácuo.
Vacuum encontrou ampla aplicação em tubos de rádio, por exemplo, magnetrons de cinescópios, fornos de microondas.
Vácuo físico
Na física quântica, tal estado significa o estado de energia fundamental (mais baixo) do campo quântico, que é caracterizado por valores zero de números quânticos.
Neste estado, um gás monoatômico não está completamente vazio. De acordo com a teoria quântica, partículas virtuais aparecem e desaparecem sistematicamente no vácuo físico, o que causa zero oscilações de campos.
Teoricamente, vários vácuos diferentes podem existir simultaneamente, que diferem na densidade de energia, bem como em outras características físicas. Essa ideia se tornou a base para a teoria do big bang inflacionário.
Falso vácuo
Significa o estado do campo na teoria quântica, que não é um estado com energia mínima. É estável durante um determinado período de tempo. Existe a possibilidade de "tunelamento" de um estado falso em um vácuo verdadeiro quando os valores necessários das principais grandezas físicas forem atingidos.
Espaço sideral
Ao discutir o que significa um gás rarefeito, é necessário insistir no conceito de "vácuo cósmico". Pode ser considerado próximo ao vácuo físico, mas existente no espaço interestelarespaço. Os planetas, seus satélites naturais, muitas estrelas têm certas forças atrativas que mantêm a atmosfera a uma certa distância. À medida que você se afasta da superfície de um objeto estelar, a densidade do gás rarefeito muda.
Por exemplo, existe a linha de Karman, que é considerada uma definição comum com o espaço exterior da fronteira do planeta. Atrás dela, o valor da pressão isotrópica do gás diminui drasticamente em comparação com a radiação solar e a pressão dinâmica do vento solar, por isso é difícil interpretar a pressão de um gás rarefeito.
O espaço sideral está cheio de fótons, neutrinos relíquias difíceis de detectar.
Recursos de medição
O grau de vácuo é normalmente determinado pela quantidade de substância que permanece no sistema. A principal característica da medição deste estado é a pressão absoluta, além disso, a composição química do gás e sua temperatura são levadas em consideração.
Um parâmetro importante para o vácuo é o valor médio do comprimento do caminho dos gases restantes no sistema. Há uma divisão do vácuo em determinadas faixas de acordo com a tecnologia necessária para as medições: falso, técnico, físico.
Formação a vácuo
Esta é a fabricação de produtos a partir de materiais termoplásticos modernos em forma a quente usando baixa pressão de ar ou ação de vácuo.
A formação a vácuo é considerada um método de desenho, como resultado do qual a folha de plástico é aquecida,localizado acima da matriz, até um determinado valor de temperatura. Em seguida, a folha repete a forma da matriz, isso se deve à criação de um vácuo entre ela e o plástico.
Dispositivos de eletrovácuo
São dispositivos projetados para criar, amplificar e converter energia eletromagnética. Nesse dispositivo, o ar é removido do espaço de trabalho e um invólucro impermeável é usado para proteger contra o meio ambiente. Exemplos de tais dispositivos são dispositivos eletrônicos de vácuo, onde os elétrons se encaixam no vácuo. As lâmpadas incandescentes também podem ser consideradas dispositivos de vácuo.
Gases a baixas pressões
Um gás é dito rarefeito se sua densidade for desprezível e o comprimento do caminho molecular for comparável ao tamanho do recipiente no qual o gás está localizado. Nesse estado, observa-se uma diminuição no número de elétrons em proporção à densidade do gás.
No caso de um gás altamente rarefeito, praticamente não há atrito interno. Em vez disso, aparece o atrito externo do gás em movimento contra as paredes, o que é explicado pela mudança no momento das moléculas quando colidem com o recipiente. Em tal situação, há uma proporcionalidade direta entre a velocidade das partículas e a densidade do gás.
No caso de baixo vácuo, são observadas colisões frequentes entre partículas de gás em volume total, que são acompanhadas por uma troca estável de energia térmica. Isso explica o fenômeno de transferência (difusão, condutividade térmica), que é usado ativamente na tecnologia moderna.
Obtenção de gases rarefeitos
O estudo científico e desenvolvimento de dispositivos de vácuo começou em meados do século XVII. Em 1643, o italiano Torricelli conseguiu determinar o valor da pressão atmosférica e, após a invenção de uma bomba de pistão mecânica com vedação de água especial por O. Guericke, surgiu uma oportunidade real para realizar numerosos estudos sobre as características de um gás rarefeito. Ao mesmo tempo, foram estudadas as possibilidades do impacto do vácuo nos seres vivos. Experimentos realizados no vácuo com descarga elétrica contribuíram para a descoberta de um elétron negativo, a radiação de raios X.
Graças à capacidade de isolamento térmico do vácuo, tornou-se possível explicar os métodos de transferência de calor, usar informações teóricas para o desenvolvimento da tecnologia criogênica moderna.
Uso do aspirador
Em 1873 foi inventado o primeiro dispositivo de eletrovácuo. Eles se tornaram uma lâmpada incandescente, criada pelo físico russo Lodygin. Desde então, o uso prático da tecnologia de vácuo se expandiu, surgiram novos métodos para obter e estudar esse estado.
Vários tipos de bombas de vácuo foram criados em um curto período de tempo:
- rotacional;
- crioabsorção;
- molecular;
- difusão.
No início do século XX, o acadêmico Lebedev conseguiu aprimorar os fundamentos científicos da indústria de vácuo. Até meados do século passado, os cientistas não permitiam a possibilidade de obter uma pressão inferior a 10-6 Pa.
BAtualmente, os sistemas de vácuo são construídos totalmente em metal para evitar vazamentos. As bombas criogênicas a vácuo são usadas não apenas em laboratórios de pesquisa, mas também em diversas indústrias.
Por exemplo, após o desenvolvimento de meios especiais de evacuação que não poluem o objeto usado, surgiram novas perspectivas para o uso da tecnologia de vácuo. Em química, esses sistemas são usados ativamente para análise qualitativa e quantitativa das propriedades de substâncias puras, separação de uma mistura em componentes e análise da taxa de vários processos.
