Vid (fizică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Golul , în fizică , este absența materiei într-un volum de spațiu . Unitatea de presiune SI este pascal (prescurtat în Pa). De asemenea, se măsoară uneori în termeni de torr sau milimetri de mercur ( mmHg ) utilizând scara barometrică sau în raport cu presiunea atmosferică medie utilizând bara .

Un vid parțial este exprimat în unități de presiune ; antiteza goliciunii, care din punct de vedere tehnic este imposibil de obținut, se numește completă .

Descriere

Starea vidului perfect nu se poate obține în laborator și nu a fost niciodată observată în natură; Se crede că o mare parte din spațiul intergalactic constă dintr-un vid aproape perfect, cu un număr mic de molecule pe metru cub. Mai mult, chiar presupunând că într-o anumită regiune a spațiului fizic nu există molecule, prezența câmpurilor ( gravitaționale , electromagnetice etc.) ar duce în continuare la absența unui vid complet în acea regiune a spațiului. [1]

Definiția „vidului” nu reflectă adesea aceeași stare fizică reală în funcție de domeniul în care este studiat (de exemplu, termodinamica, mecanica cuantică sau inginerie ). În special, atunci când vorbim despre „ gradul de vid ” (în sensul porozității ) și „ pompa de vid ”, conceptul de vid este diferit: în primul caz, vidul este o parte a spațiului care aparține solidului în sine, dar nu neapărat lipsit de materie (de exemplu poate fi umplut de un fluid, cum ar fi aerul sau apa), în timp ce în al doilea caz vidul constă dintr-o limită termodinamică la care ne apropiem pe măsură ce presiunea scade. Mai mult, atunci când vorbim de „vid” ne referim la o presiune mai mică a atmosferei, dar nu neapărat zero.

Gradele de vid

În mod convențional sunt definite „grade de vid” diferite, [2] fiecare fiind utilizat în diferite aplicații practice. Pentru obținerea, întreținerea și măsurarea fiecăruia dintre ele, în general, sunt necesare diferite sisteme de pompare și materiale pentru construirea camerelor de vid. Se pot defini următoarele grade de vid:

  • Vid scăzut ( vid brut , RV): 1 × 10 5 Pa - 1 × 10 2 Pa
  • Vid mediu (VM): 1 × 10 3 Pa - 1 × 10 −1 Pa
  • Vid înalt (HV): 1 × 10 −1 Pa - 1 × 10 −5 Pa
  • Ultra High Vacuum (Ultra high vacuum, UHV): 1 × 10 −5 Pa - 1 × 10 −9 Pa
  • Vid extrem de ridicat (EHV): < 1 × 10 −9 Pa
O pompă de vid.

Iată câteva exemple practice ale diferitelor regimuri de vid:

Creați golul

Când se creează un vid parțial, materia prezentă în volumul care este evacuat curge diferit la diferite presiuni, conform legilor dinamicii fluidelor . O pompă de vid primară poate fi utilizată inițial pentru îndepărtarea materialului, deoarece moleculele interacționează între ele și îi împing pe cei apropiați în ceea ce se numește un flux vâscos. Pe măsură ce distanța dintre molecule crește, moleculele interacționează mai mult cu pereții vaselor decât cu alte molecule, iar pomparea tradițională (cu pompe primare) nu mai este eficientă.

O pompă turbomoleculară.

În această etapă, sistemul a intrat într-o stare numită flux molecular, în care viteza fiecărei molecule este practic aleatorie. Metodele pentru îndepărtarea gazului rămas includ:

La presiuni extrem de mici, fenomenul de degajare a gazului (degazare) de către vasul de vid apare în timp. Există, de asemenea, alte fenomene care contracarează scăderea presiunii care tinde să introducă noi molecule în vasul de vid, inclusiv micro-scurgeri, permeație, introducerea gazului de proces și conductanța slabă. Chiar dacă un vid foarte mare este generat într-un recipient închis ermetic, nu există nicio garanție că presiunea scăzută va fi păstrată în timp, dacă aceste fenomene nu sunt luate în considerare. Eliberarea gazului este mai mare la temperaturi ridicate; și chiar și materialele care la prima vedere nu par absorbante, eliberează gaze.

Vaporii de apă sunt o componentă primară a gazului eliberat, chiar și în vasele din metal dur, cum ar fi oțelul inoxidabil sau titanul .

Eliberarea gazului poate fi redusă prin uscare înainte de aspirare.

Vasele căptușite cu materiale foarte permeabile la gaz, cum ar fi paladiu , care este ca un burete care conține hidrogen , implică probleme majore de degajare a gazelor.

Din aceste motive, materialele speciale de vid sunt adesea folosite pentru a crea sisteme de vid, concepute pentru a reduce cât mai mult posibil fenomenele care tind să crească presiunea în camera de vid.

Pentru a obține un vid foarte mare, recipientele sunt încălzite la câteva sute de grade Celsius pentru a anticipa eliberarea gazului. Gazele eliberate din vas sunt pompate până când majoritatea moleculelor de gaz au fost îndepărtate și apoi temperatura poate fi redusă din nou. Procesul de eliberare a gazului nu ar fi la fel de eficient dacă ar fi efectuat la temperatura camerei.

Cele mai mici presiuni obținute în prezent în laborator sunt de aproximativ 10 −13 Pa.

Vidul cuantic

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Efectul Casimir , Energia de vid , Energia punctului zero și Marea Dirac .

Teoria câmpului cuantic ne spune că nici măcar un vid ideal, cu o presiune măsurată zero, nu este cu adevărat gol. De fapt, în vid există fluctuații cuantice-mecanice care îl fac o fierbere de perechi de particule virtuale care se nasc și se anihilează continuu. Acest fenomen cuantic ar putea fi responsabil pentru valoarea observată a constantei cosmologice .

Conform principiului incertitudinii lui Heisenberg , energia și timpul, la fel ca alte cantități precum poziția și viteza , nu pot fi măsurate cu o precizie infinită. Dacă spațiul gol nu ar avea nici o formă de energie, o particulă ar putea avea atât viteză zero, cât și energie, cu o eroare egală cu zero care ar încălca principiul lui Heisenberg : aceasta duce la concluzia existenței fluctuațiilor cuantice în spațiul gol, care generează o cantitate minimă de incertitudine. Prin urmare, vidul este gândit ca un echilibru dinamic al particulelor de materie și antimaterie în creație continuă și anihilare.

Particulele virtuale ale vidului cuantic, caracterizate prin binomul obișnuit undă-particulă al mecanicii cuantice , într-un spațiu infinit extins au orice lungime de undă . Dimpotrivă, într-un spațiu limitat, de exemplu între doi pereți, vor exista numai particule cu lungimi de undă care sunt submultipli întregi ai distanței dintre pereți, cu o energie mai mică decât cea din exterior. Prin urmare, va fi posibilă măsurarea unei forțe-presiune care tinde să apropie pereții ( efect Casimir ).

Particulele sunt numite virtuale deoarece nu produc în mod normal efecte fizice; totuși, într-un spațiu limitat, există cantități măsurabile.

Un alt motiv al energiei de vid este acela că pereții camerei de vid emit lumină sub formă de radiație a corpului negru : lumină vizibilă, dacă sunt la o temperatură de mii de grade, lumină în infraroșu, dacă este mai rece. Această „supă” de fotoni va fi în echilibru termodinamic cu pereții și, prin urmare, putem spune că vidul are o anumită temperatură.

Experimentele

În jurul anului 1650 , Otto von Guericke și-a inventat celebra pompă de vid, începând să uimească Europa cu experimentele sale publice: este renumită experiența emisferelor Magdeburg ( 1654 ), în care două perechi de cai nu puteau separa două emisfere metalice juxtapuse în interiorul cărora un vid fusese făcut. Într-un alt experiment, efectuat în același an, douăzeci de persoane nu puteau ține un piston care se retrăgea atunci când era conectat la o cameră de vid: acesta este primul exemplu de motor cu cilindru și piston.

Pictură care înfățișează experimentele lui Boyle în 1660 pe vid.

Robert Boyle a perfecționat mașina de vid a lui von Guericke și a efectuat noi experimente, pe care le-a descris într-o lucrare din 1660 . Câțiva ani mai târziu, Boyle a determinat experimental legea gazelor care îi poartă numele și care stabilește proporționalitatea inversă între volumul și presiunea unui gaz pentru transformări izoterme. Christiaan Huygens și Robert Hooke au lucrat la pompa de vid, printre altele. În acei ani, observațiile privind variațiile presiunii atmosferice au continuat: în 1660 von Guericke a observat fluctuațiile în barometrul său mare de apă și o cădere bruscă i-a permis să prezică sosirea unei furtuni în avans.

În 1686 astronomul Edmond Halley a reușit să formuleze o formulă fiabilă pentru determinarea altitudinii pe baza variației presiunii. În 1680 Huygens a propus exploatarea vidului pentru a extrage energia din presiunea atmosferică. Denis Papin , care îl ajutase în experimente, în 1687 a fost primul care a creat o mașină care folosește abur pentru a muta un piston. În 1705, fizicianul englez Francis Hawksbee a consolidat descoperirea lui von Guericke că sunetul nu se propagă în vid și mai târziu, în 1709 , a creat prima pompă de vid cu doi cilindri. În 1738 Daniel Bernoulli publică un important tratat de hidrodinamică , în care, printre altele, propune câteva ipoteze fundamentale care vor fi reluate în secolul al XIX-lea în așa-numita teorie cinetică a gazelor .

Epoca contemporană

Tub de vid.

Dezvoltarea științelor fizice a dus la definirea riguroasă a legilor gazelor, iar nevoia de echipamente pentru producerea ( pompele de vid ) și măsurarea ( indicatoarele de vid ) a vidului a dat un puternic impuls cercetării tehnice. Spre mijlocul secolului al XIX-lea, introducerea de noi tipuri de pompe a făcut posibilă obținerea de aspiratoare ridicate și studierea, de exemplu, a fenomenelor de ionizare a gazelor în condiții de rarefare extremă. Studiul razelor catodice produse în tuburile de vid a făcut posibilă stabilirea bazelor pentru determinarea relației dintre masă și sarcina electronului . În aceiași ani a fost formulată teoria cinetică a gazelor .

În primii ani ai secolului XX , au fost dezvoltate diferite tipuri de ecartamente de vid, care a făcut posibilă măsurarea presiuni de până la 10 Pa -1. In 1909, gabaritul de vid prim ionizare a fost construit, de măsurare de până la 10 -6 Pa După cel de- al doilea război mondial , s-au adus îmbunătățiri ulterioare la indicatoarele de vid de ionizare și acum este posibil să se măsoare aspiratoare extreme, chiar mai mari de 10 −12 Pa.

Principalele aspecte pentru îmbunătățirea tehnologiilor de vid provin din industrie și cercetare. Aplicațiile practice sunt numeroase și în cele mai diverse domenii: vidul este utilizat în tuburile cu raze catodice , becurile , acceleratoarele de particule , industria metalurgică , industria alimentară , industria aerospațială , instalațiile de fuziune nucleară controlată, microelectronica , știința suprafeței etc.

Notă

  1. ^ A se vedea „ Unruh Effect ” pentru o clarificare suplimentară a conceptului de vid, așa cum este înțeles în fizică).
  2. ^ Termenul grad de vid capătă, de asemenea, semnificația porozității . Aici, pe de altă parte, se face referire la presiunile care scad treptat, astfel încât cele două semnificații complet diferite nu trebuie confundate.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 6090 · LCCN (EN) sh85141726 · GND (DE) 4062266-6 · BNF (FR) cb12573072b (dată) · NDL (EN, JA) 00.571.064
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Vuoto_(fisica)&oldid=121074313 ”