При выборе вакуумного насоса (или компрессора) и оценке его пригодности для использования в той или иной технологии оперируют двумя главными характеристиками:

• ДАВЛЕНИЕ
• ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Вакуумный насос или компрессор, который в поиске у потенциального пользователя, должен, прежде всего, обеспечить требуемый уровень давления. Затем ставится задача получить это давление за определенный промежуток времени. Быстрота получения заданного значения давления определяется производительностью (pumping speed) вакуумного насоса. При этом газовые компрессоры нагнетают газы и формируют давления выше атмосферного. Вакуумные насосы генерируют давления ниже атмосферного, т.е. создают разрежение.

В этой статье речь пойдет о низком давлении , т.е. о ВАКУУМЕ, как об основной технической характеристике всех вакуумных насосов. Создание или генерирование устройством вакуума - это динамический процесс понижения атмосферного давления в объеме и во времени. При поисках и выборе вакуумного насоса по уровню вакуума обычно говорят о двух характеристиках вакуумного насоса, связанных с давлением:

• предельное остаточное давление (или предельный вакуум, ultimate pressure)
• рабочее давление (или рабочий вакуум, working pressure)

Предельное остаточное давление - это самое хорошее (высокое) значение вакуума, которое позволяет достигнуть конструкция этого вакуумного насоса. Важно понимать, что когда вакуумный насос достигает этого предельного значения вакуума, производительность откачки газов становится равной нулю, т.е. откачка прекращается, и в дальнейшем при работе насоса это значение предельного давления будет поддерживаться как некое достигнутое равновесное состояние системы «насос-откачиваемый объём».

Как правило, значение предельного остаточного давления достигается лишь при работе вакуумного насоса в режиме «сам на себя», т.е. при заглушенном входном патрубке. Это объясняется довольно просто: при подключении к насосу технологических объемов (емкости, трубопроводы, стыки, камеры и др.) всегда существуют течи (негерметичности) или явления газовой десорбции, которые не позволяют достичь в откачиваемом объеме максимальное значение вакуума, который способен создать сам насос.

Рабочее давление - это заданное значение вакуума, которое требуется обеспечить и поддерживать вакуумным насосом в той или иной технологии или техпроцессе.

При выборе вакуумного насоса его предельное остаточное давление должно быть немного лучше чем рабочее. Это как бы обеспечивает некий «запас прочности», т.е. гарантию того, что требуемое в техпроцессе давление будет достигнуто с помощью именно этого вакуумного насоса.

2. Давление газов в объёме. Атмосферное давление. Понятие «ВАКУУМ».

Давление газов в замкнутом объёме - это суммарное усилие, оказываемое ударами (толчками) постоянно движущихся молекул газов в стенки объёма, в результате их постоянного броуновского движения и сталкивания друг с другом и с твёрдыми стенками сосуда.

Основная единица измерения давления в системе СИ - это «Па» (Паскаль):

1 Па = 1 Н / м 2 = 0,01 мбар [ 1 ]

Другие общепринятые единицы измерения давления и их соотношения приведены в Таблице 1:

Таблица 1
Единица измерения давления	бар	мбар	мм. рт. ст.	м вод. ст.	Па	кПа	МПа	атм.	ат.	кгс/см 2	psi
Бар (bar)	1	1000	750	10,2	100 000	100	0,1	0,9869	1,02	1,02	14,5

Атмосферное давление - это давление, которое оказывает масса воздушного столба, как смесь газов, простирающихся на высоту более 1000 км от уровня поверхности земли и океана. При этом надо понимать, что чем выше от поверхности моря находится точка измерения этого атмосферного давления, тем атмосфера менее сконцентрирована, тем смесь газов реже (как бы их масса разбавляется в огромном увеличивающемся с высотой объёме) и, как следствие, давление этой смеси газов падает с подъёмом на высоту (см. Рис. 2). Почему? Просто так издавна утроена планета Земля, вокруг которой существует атмосфера, как газовая аура вокруг шара. Благодаря этой атмосферной ауре живут организмы и проистекают самые жизненные реакции веществ, постоянно потребляющие кислород, и растения, которые этот кислород постоянно вырабатывают и восстанавливают т.н. кислородный атмосферный баланс. Самые яркие примеры - это ветер, горение (как процесс окисления) и дыхание живых организмов, животных, людей.

Кривая изменения атмосферного давления до высоты 12 км над уровнем моря показана на Рис. 3.

Земная атмосфера . Принято считать, что это смесь 14 основных «земных» газов (см. Рис. 1), из которых три составляют львиную долю, в целом более 99% (азот - более 78%, кислород - более 20%, паров воды может быть более 1%).

Земная атмосфера делится на зоны по параметрам давления и температуры: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (см. Рис. 4).

Вакуум - это всякое давление, величина которого ниже атмосферного. Нормальным атмосферным давлением в земных условиях принято считать абсолютное давление атмосферного столба на уровне поверхности мирового океана (моря). Это значение составляет 1013 мбар абс. «абс.» - здесь имеется в виду абсолютное давление, которое равно нулю в том случае, когда в объеме нет ни одной молекулы газов. Т.к. на поверхности земли, в её недрах и в атмосфере всегда есть газообразные вещества и пары жидких веществ, то абсолютный вакуум недостижим в земных условиях. Как бы быстро и хорошо не откачивались объемы современными вакуумными насосами, какими бы герметичными они бы ни были, в микроскопических шероховатостях стенок объемов всегда есть определенное количество молекул газов, которые невозможно удалить из этих микрорельефов. Кроме того, при давлении на стенки сосудов извне всегда есть проскакивающие, как бы просачивающиеся сквозь сито, внутрь молекулы газов, даже сквозь твёрдые кристаллические решетки металлов. В закрытых объёмах всегда есть явления газовой десорбции, т.е. выделения молекул газов со стенок объема вовнутрь, всегда есть микропоры и микротрещины, через которые газы проникают в зоны низкого давления. Всё это не позволяет получить абсолютный вакуум в земных условиях.

	Факты : Альпы - это горный массив, пересекающий границы шести стран. В самом их сердце возвышается знаменитая гора Монблан, находящаяся на границе Франции и Италии. Сами Альпы представляют собой горную гряду, которая тянется по Европе почти 1200 км, в самом широком месте между итальянской Вероной и немецким Гармиш-Партенкирхеном имеет ширину около 260 км, занимая общую площадь в 190 тыс. кв. км. Альпы полностью или частично находятся на территории 8 стран. По доле общей площади государства, приходящейся на Альпы, эти страны располагаются следующим образом: Лихтенштейн (100%), Монако (100%), Австрия (65%), Швейцария (60%), Словения (40%), Италия (17%), Франция (7%), Германия (3%).
	Факты : Эверест, она же Джомолунгма - высочайшая вершина в мире, высота этой горы составляет 8848 метров. Эверест расположен в Гималайских горах, которые протягиваются по Тибетскому нагорью и Индо-Гангской равнине на территории нескольких стран: Непала, Индии, Бутана, Китая. Вершина Эвереста расположена на территории Китая, но сама гора находится на китайско-непальской границе.
	Факты : В гражданской и военной авиации очень важно поддерживать атмосферное давление внутри самолета, т.к. при поднятии его на любую высоту от поверхности Земли, давление за бортом падает, а это влечет за собой отток воздуха из салона самолета во внешнюю среду. Чтобы этого не происходило требуется выполнение двух основных условий нормального полета с лётчиком или пассажирами внутри: Корпус самолета должен быть герметичен (max отсутствие утечек воздуха наружу); - в корпус необходимо подавать воздух компрессорами под избыточным давлением, чтобы компенсировать всегда существующие утечки и микро утеки воздуха наружу. Если в военных самолётах можно решить проблему утечек индивидуальными масками пилотов, то в гражданских самолётах, где много пассажиров, создают специальные автоматизированные системы поддержания атмосферного давления.

Рис. 3. График снижения атмосферного давления с высотой над уровнем моря (от 0 до 12) км.

Рис. 4. Диаграмма распределения температуры воздуха в 4-х слоях атмосферного столба:
тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 47 км), мезосфера (от 47 до 80 км), термосфера (свыше 80 км).

3. Градация вакуума по глубине (технические уровни вакуума).

Существует несколько методик по разбивке всей возможной шкалы низкого давления на различные интервалы (отрезки). Самые распространенные - это академическая градация и индустриальная градация.

Академический основан на оценке плотности (степени разрежения) газов по характеру движения их молекул в объёмах путем соизмерения длин пробега молекул между их столкновениями друг с другом и со стенками сосудов, т.е. соизмерения т.н. длин свободного пробега. Чем больше средняя длина свободного пробега молекулы, тем лучше вакуум. Так, например, если молекула газа в объёме успевает пролететь от стенки к стенке не соударяясь с другими молекулами, то это показатель того, что в таком объёме достигнут сверхвысокий вакуум.

Так как мы специализируемся на поставках оборудования для промышленных применений, то рассмотрим в этой статье индустриальный подход к разбивке вакуума на 4 класса (интервала). Этот метод соответствует европейскому стандарту DIN 28400. Классы вакуума приведены в Таблице 2.

Таблица 2
Технические уровни вакуума (classes)	Диапазон давлений (pressure range)
ФОРВАКУУМ (rough vacuum)	(от 1000 до 1) мбар абс.
СРЕДНИЙ ВАКУУМ (fine vacuum)	(от 1 до 10 -3) мбар абс.
ВЫСОКИЙ ВАКУУМ (high vacuum)	(от 10 -3 до 10 -7) мбар абс.
СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ (ultrahigh vacuum)	(10 -7 и ниже) мбар абс.

4. Базовые законы ФИЗИКИ ГАЗА и уравнение состояния идеального газа.

	Закон Бойля-Мариотта. Закон Бойля-Мариотта был установлен английским физиком Робертом Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Эдмом Мариоттом в 1679 г. и звучит так: Для данной массы газа при неизменной температуре произведение его давления p на объем V есть величина постоянная: PV = const [ 2 ] Этот закон также называется ЗАКОНОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном росте объёма определенного количества газа, чтобы сохранить его температуру неизменной, давление газа должно также постепенно снижаться.
	Закон Гей-Люссака. Закон, связывающий объем газа V и его температуру T , был установлен французским ученым Жозефом Гей-Люссаком в 1802 г. Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объёма газа к его температуре есть величина постоянная. VT = const [ 3 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОБАРНОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа, чтобы сохранить давление неизменным, газ должен также постепенно расширяться.
	Закон Шарля. Закон, связывающий давление газа p и его температуру T , установлен Жаком Шарлем в 1787 году. Для данной массы газа в закрытом герметичном объёме давление газа всегда прямо пропорционально его температуре. PT = const [ 4 ] Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОХОРОГО ПРОЦЕССА. Как пример: при постепенном нагреве определенного количества газа в закрытом объёме, также постепенно будет расти и его давление.
Уравнение состояния идеального газа. Уравнение, позволяющее обобщить все три основных газовых закона термодинамики называется уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Оно дает взаимосвязь трёх важнейших макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа: давления p , объема V , температуры T ,- и имеет вид: [ 5 ] p ∗ V = Const = f, где f зависит от рода газа T или при записи в другом виде: [ 6 ] p ∗ V = m ∗ R∗T μ p - давление газа, Па (Н/м 2) V - объём газа, м 3 m - масса газа, кг μ - молярная масса газа R = 8,31 Дж/моль ∗ К - универсальная газовая постоянная, T - температура газа, °К (градусы абсолютной шкалы Кельвина). Под идеальным газом понимается газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосудов. Важно понимать, что все газовые законы работают для фиксированной массы (количества) газа. Законы эти хорошо работают для режимов вакуума и не приемлемы при очень высоких давлениях и температурах.

5. Конструктивные типы вакуумных насосов.

Если говорить об уровне вакуума и его использовании в промышленных и исследовательских целях, то:

В массовой мировой промышленности очень широко применяют форвакуум и средний вакуум;

В более редких высоких технологиях используют форвакуум, средний и высокий вакуум;

В лабораториях и исследованиях можно встретить все классы вакуума, в т.ч. и сверхвысокий.

Для получения всех классов в промышленности применяют различные конструкции вакуумных насосов, основные типы которых приведены в Таблице 3.

Таблица 3
Тип насоса	Конструктивный вид (схема)	Диапазон рабочих давлений
Мембранный вакуумный насос: 1 ступень откачки - 2 ступени откачки - 3 ступени откачки - 4 ступени откачки		Соответственно работа в диапазоне: От 100 мбар абс. до атмосферного давления - от 10 мбар абс. до атмосферного давления - от 2 мбар абс. до атмосферного давления - от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Вихревая воздуходувка		от 600 мбар абс. до атмосферного давления
Двухроторнвя воздуходувка		от 400 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой пластинчато-роторный вакуумный насос		от 150 мбар абс. до атмосферного давления
Водокольцевой вакуумный насос		от 33 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой кулачковый вакуумный насос		от 20 мбар абс. до атмосферного давления
Пластинчато-роторный вакуумный насос с рецикркуляционной смазкой		от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой спиральный вакуумный насос
Сухой винтовой вакуумный насос		от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления
2-х ступенчатый пластинчато-роторный вакуумный насос с масляной ванной		от 0,0005 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой вакуумный насос Рутса (бустерный)		от 0,001 до 25 мбар абс.
Высоковакуумные насосы: Турбомолекулярные - диффузионные паромасляные - криогенные - магниторазрядные - сорбционные, ионные и гетероионные		от 10 -11 до 5 мбар абс.

В этом разделе основной акцент сделан на насосы для получения форвакуума, т.к. это самая востребованная ниша рынка вакуумного оборудования, и не только в России и странах СНГ, а и во всем мире.

Следует также знать, что высоковакуумные насосы не могут работать без вакуумных насосов фор- и среднего вакуума, т.к. они стартуют в работу только с пониженных давлений (как правило, со среднего вакуума) и выхлоп у них должен происходить в зону вакуума, иначе высокий и сверхвысокий вакуум недостижим. Т.о. форвакуумные насосы и насосы среднего вакуума востребованы во всех отраслях промышленности, высокотехнологичных сферах и в научных исследованиях.

Вакуум - понятие, широко используемое в физике и технике. Это слово происходит от латинского vacuus, что в переводе означает "пустой". Этот смысл у слова "вакуум" сохраняется, в общем смысле вакуум означает пространство, свободное от веществ. В физике и технической науке вакуумом считается среда, в которой содержится газ при давлении ниже атмосферного. Рассмотрим подробнее, что такое вакуум в физике, технический вакуум и вакуум в космосе.

Вакуум в квантовой физике

Физическим вакуумом является низшее энергетическое состояние квантового поля, которое обладает моментом импульса, нулевым импульсом, а также иными квантовыми показателями. Вакуум в физике не всегда равносилен пустоте. Так, он может быть полем квазичастиц в плотном ядре атома или в твердом теле.

Кроме того, физический вакуум - это пространство, абсолютно лишенное вещества, но заполненное полем, однако и это нельзя считать полноценным вакуумом. Причина в том, что в физическом вакууме все время появляются и исчезают частицы, происходят незначительные колебания в поле.

Технический вакуум

Техническим вакуумом на практике является сильно разреженный газ. Его можно получить в небольшом количестве. Добиться идеального технического вакуума в большом объеме на практике невозможно, потому что при итоговой температуре материалы будут обладать ненулевой плотностью насыщенных паров. Также многие материалы, которые используются на практике, пропускают газы.

Вакуум в космосе

Само космическое пространство обладает низкой плотностью и давлением, поэтому является наиболее приближенным к физическому вакууму. Но даже космический вакуум нельзя считать идеальной вакуумной средой, так как в космическом пространстве можно обнаружить атомы водорода на кубический сантиметр.

Диапазоны вакуума

Вакуум можно подразделить на несколько степеней в зависимости от количества вещества, которое в нем осталось. Так, выделяют следующие степени вакуума (диапазон представлен от меньшей степени к большей):

• Атмосферное давление - 760 мм. рт. ст.
• Низкий вакуум - от 760 до 25 рт. ст.
• Средний вакуум - от 25 до 1×10 −3 мм. рт. ст.
• Высокий вакуум - от 1×10 −3 до 1×10 −9 мм. рт. ст.
• Сверхвысокий вакуум - от 1×10 −9 до 1×10 −12 мм. рт. ст.
• Экстремальный вакуум - <1×10 −12 мм. рт. ст.
• Космическое пространство - от 1×10 −6 до <3×10 −17 мм. рт. ст.
• Абсолютный вакуум - 0 мм. рт. ст.

Узнать значения других физических терминов вы можете в статьях раздела

И технике под ним подразумевают среду, в которой газ содержится под давлением меньше атмосферного. Что такое разреженные газы, когда о них узнали впервые?

Страницы истории

Идея пустоты на протяжении многих веков была предметом спора. Разреженные газы пытались анализировать древнегреческие и древнеримские философы. Демокрит, Лукреций, их ученики считали: если бы между атомами не было свободного пространства, их движение было бы невозможно.

Аристотель и его последователи опровергали эту концепцию, по их мнению, в природе не должно быть «пустоты». В средние века в Европе идея «боязни пустоты» стала приоритетной, ее использовали в религиозных целях.

Механики Древней Греции при создании технических устройств основывались на К примеру, водяные насосы, которые функционировали при создании над поршнем разрежения, появились во времена Аристотеля.

Разреженное состояние газа, воздуха, стало основой для изготовления поршневых вакуумных насосов, которые широко применяются в настоящее время в технике.

Их прототипом был знаменитый поршневой шприц Герона Александрийского, созданный им для вытягивания гноя.

В середине семнадцатого века была разработана первая вакуумная камера, а спустя шесть лет немецкому ученому Отто фон Герику удалось изобрести первый вакуумный насос.

Этот поршневой цилиндр легко откачивал воздух из герметичной емкости, создавал там вакуум. Это позволило изучить основные характеристики нового состояния, проанализировать его эксплуатационные свойства.

Технический вакуум

На практике разреженное состояние газа, воздуха именуют техническим вакуумом. В больших объемах невозможно получать такое идеальное состояние, так как при определенной температуре материалы имеют ненулевую плотность насыщенных паров.

Причиной невозможности получения идеального вакуума также является пропускание стеклянными, металлическими стенками сосудов газообразных веществ.

В небольших количествах вполне можно получать разреженные газы. В качестве меры разряжения используют длину беспрепятственного пробега молекул газа, которые хаотично сталкиваются, а также линейный размер используемого сосуда.

Между высоковакуумным насосом и атмосферным воздухом ставится форвакуумный нанос, который создает предварительное разрежение. В случае последующего понижения в камере давления наблюдается увеличение длины пробега частиц газообразного вещества.

При показателях давления от 10 -9 Па создается сверхвысокий вакуум. Именно такие разреженные газы используют для проведения экспериментов с применением сканирующего туннельного микроскопа.

Получить такое состояние в порах некоторых кристаллов удается даже при атмосферном давлении, так как диаметр пор намного меньше длины пробега свободной частицы.

Приборы на основе вакуума

Разреженное состояние газа активно применяется в приборах, которые называются вакуумными насосами. Для всасывания газов и получения определенной степени вакуума применяют геттеры. Вакуумная техника также подразумевает многочисленные приборы, которые необходимы для контроля и измерения данного состояния, а также для управления предметами, проведения различных технологических процессов. Самыми сложными техническими устройствами, в которых применяются разреженные газы, являются высоковакуумные насосы. Например, диффузионные приборы функционируют на основе движения молекул остаточных газов под действием потока рабочего газа. Даже в случае идеального вакуума при достижении конечной температуры существует незначительное тепловое излучение. Это объясняет основные свойства разреженных газов, например, наступление теплового равновесия через определенный временной промежуток между телом и стенками вакуумной камеры.

Разреженный одноатомный газ является отличным термоизолятором. В нем перенос тепловой энергии осуществляется только с помощью излучения, теплопроводность и конвекция не наблюдаются. Данное свойство применяется в (термосах), состоящих из двух емкостей, между которыми располагается вакуум.

Вакуум нашел широкое применение и в радиолампах, например, магнетронах кинескопов, микроволновых печей.

Физический вакуум

В квантовой физике под таким состоянием подразумевают основное (низшее) энергетическое состояние квантового поля, которое характеризуется нулевыми значениями

В таком состоянии одноатомный газ не является абсолютно пустым. Согласно квантовой теории, в физическом вакууме систематически появляются и исчезают виртуальные частицы, что вызывает нулевые колебания полей.

Теоретически одновременно могут существовать несколько разнообразных вакуумов, которые отличаются между собой плотностью энергии, а также иными физическими характеристиками. Эта идея стала основой в инфляционной теории огромного взрыва.

Ложный вакуум

Под ним подразумевается состояние поля в квантовой теории, не являющееся состоянием с минимальной энергией. Оно стабильно на протяжении определенного временного промежутка. Есть вероятность «туннелирования» ложного состояния в истинный вакуум при достижении необходимых значений основных физических величин.

Космическое пространство

Рассуждая над тем, что значит разреженный газ, необходимо остановиться и на понятии «космического вакуума». Его можно считать близким к физическому вакууму, но существующему в межзвездном пространстве. У планет, их естественных спутников, многих звезд существуют определенные силы притяжения, которые удерживают на определенном расстоянии атмосферы. По мере удаления от поверхности звездного объекта, меняется плотность разреженного газа.

Например, существует линия Кармана, которая считается общим определением с космическим пространством границы планеты. За ней резко снижается величина изотропного давления газа в сравнении с солнечным излучением и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому трудно интерпретировать давление разреженного газа.

В космическом пространстве много фотонов, реликтовых нейтрино, которые сложно обнаружить.

Особенности измерения

Степень вакуума принято определять тем количеством вещества, которое осталось в системе. Основной характеристикой измерения этого состояния является абсолютное давление, кроме того, учитывается химический состав газа, его температура.

Важным параметром для вакуума является среднее значение длины пробега газов, оставшихся в системе. Существует подразделение вакуума на определенные диапазоны в соответствии с технологией, которая необходима для проведения измерений: ложный, технический, физический.

Вакуумная формовка

Это изготовление изделий из современных термопластичных материалов в горячем виде с помощью воздействия низкого давления воздуха или действия вакуума.

Вакуумную формовку считают способом вытяжки, в результате которой происходит нагревание листового пластика, находящегося над матрицей, до некоторого температурного значения. Далее происходит повторение листом формы матрицы, это объясняется созданием между ней и пластиком вакуума.

Электровакуумные приборы

Ими являются устройства, которые предназначены для создания, усиления, а также преобразования электромагнитной энергии. В таком приборе из рабочего пространства удален воздух, а для защиты от окружающей среды используется непроницаемая оболочка. Примерами подобных устройств являются электронные вакуумные приборы, где электроны подходят в вакууме. Лампы накаливания также можно считать электровакуумными приборами.

Газы при низких давлениях

Газ называют разреженным, если величина его плотности незначительна, и длина пробега молекул сравнима с размерами того сосуда, в котором находится газ. В подобном состоянии наблюдается уменьшение количества электронов пропорционально плотности газа.

В случае сильно разреженного газа практически отсутствует внутреннее трение. Вместо этого появляется внешнее трение перемещающегося газа о стенки, которое объясняется изменением величины импульса молекулами при сталкивании с сосудом. В подобной ситуации существует прямая пропорциональность между скоростью движения частиц и плотностью газа.

В случае низкого вакуума наблюдаются частые столкновения между частицами газа в полном объеме, которые сопровождаются стабильным обменом тепловой энергией. Это объясняет явление переноса (диффузию, теплопроводность), активно используется в современной технике.

Получение разреженных газов

Научное изучение и развитие вакуумных приборов началось в середине семнадцатого века. В 1643 году итальянцу Торричелли удалось определить величину атмосферного давления, а после изобретения О. Герике механического поршневого насоса со специальным водяным уплотнителем, появилась реальная возможность для проведения многочисленных исследований характеристик разряженного газа. Одновременно исследовались возможности воздействия вакуума на живые существа. Опыты, проводимые в условиях вакуума с электрическим разрядом, способствовали открытию отрицательного электрона, рентгеновского излучения.

Благодаря теплоизолирующей способности вакуума появилась возможность объяснить способы передачи тепла, использовать теоретические сведения для развития современной криогенной техники.

Применение вакуума

В 1873 году был изобретен первый электровакуумный прибор. Им стала лампа накаливания, созданная русским физиком Лодыгиным. Именно с этого времени расширилось практическое использование вакуумной техники, появились новые методы получения, а также изучения данного состояния.

За незначительный временной промежуток были созданы различные виды вакуумных насосов:

• вращательный;
• криосорбционный;
• молекулярный;
• диффузионный.

В начале двадцатого века академику Лебедеву удалось усовершенствовать научные основы вакуумной промышленности. До середины прошлого века ученые не допускали возможности получения давления меньше 10-6 Па.

В настоящее время создают цельнометаллическими, чтобы избежать утечки. Вакуумные криогенные насосы применяют не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в различных сферах промышленности.

Например, после разработки специальных откачных средств, которые не загрязняют используемый объект, появились новые перспективы использования вакуумной техники. В химии такие системы активно используются для качественного и количественного анализа свойств разделения смеси на компоненты, анализа скорости протекания различных процессов.

Вакуум (англ. vacuum , нем. Vakuum , от лат. vacuus - пустой) - многозначный физический термин, который в зависимости от контекста может означать:

• Разреженный состояние газа. Такой вакуум называют частичным . Различают высокий, средний и низкий вакуум. Высоким называется вакуум, при котором длина свободного пробега молекул газа превышает линейные размеры сосуда, в котором содержится газ; если свободный пробег молекул газа и линейные размеры сосуда соизмеримыми величинами, то вакуум называется средним , а если свободный пробег молекул газа меньше линейные размеры сосуда - низким .

На практике качество вакуума измеряется в остаточном давлении. Высокий вакуум соответствует давлению, низкому за 10 -3 Торр. Максимально высокий вакуум, которого можно достичь в современных лабораториях, имеет давление 10 -13 торр.

• Идеализированная абстакция, пространство, в котором нет совсем вещества. Такой вакуум называют идеальным.
• Физическая система без частиц и квантов поля. Это самый низкий состояние квантовой системы, при котором ее энергия минимальна, называемый вакуумным состоянием. Согласно принципу неопределенности для такого вакуума определенная часть физических величин не может быть точно определенной.

Частичный вакуум с изобретением ламп накаливания и вакуумных ламп в начале XX века стал широко использоваться в промышленности. В вакууме проводится значительное количество физических экспериментов: отсутствие воздуха или атмосферы другого состава дозовляе уменьшить нежелательные посторонние воздействия на объект исследования. Интерес к изучению вакуума увеличился после выхода человека в космос. Околоземное и межпланетное пространство является очень разреженным газом, который можно характеризовать как вакуум.

Исследования вакуума начались с создания «торричеллиевои пустоты» (ru) итальянским физиком Эванджелиста Торричелли в середине 17 века.

Технический вакуум

Техническим называют частичный вакуум, образовавшийся в земных условиях. Совокупность инструментов, используемых пр этом называют вакуумной техникой. Главное место среди орудий вакуумной техники занимают насосы различной конструкции и принципа действия.

Основным инструментом для создания низкого вакуума является объемный насос. Принцип его действия заключается в циклическом увеличении и уменьшении объема газа в сосуде. Во время фазы увеличения объема, всасывания, газ в сосуде расширяется, заполняя дополнительный объем, который затем отсекается и выбрасывается.

Создание высокого и сверхвысокого вакуума является сложной технической проблемой. Когда молекул газа в вакуумной камере мало, возникают проблемы, связанные с загрязнением камеры молекулами масла, недостаточной плотности прокладок, дегазации стенок сосуда, тому подобное.

Для получения высокого вакуума используют диффузионные насосы. Принцип действия насосов этого типа основывается на том, что молекулы газа не диффундируют против течения. Поэтому диффузионные насосы используют струю для вытягивания молекул газа из вакуумной камеры.

Насосы-ловители позволяют достичь еще более высокого вакуума. Их действие может базироваться на различных физических и химических принципах: криогенные насосы используют низкую температуру, для конденсации газа в сосуде, в химических насосах молекулы газа связываются химическими веществами или адсорбируют на поверхности, в ионизационных насосах газ в вакуумной камере йонизуеться и извлекается с помощью сильных электрических полей.

Реальные вакуумные установки состоят из комбинации насосов различного типа, каждый из которых выполняет свою задачу и работает при разной степени разрежения газа в вакуумной камере. К инструментам вакуумной техники относятся также различные измерительные приборы, используемые для определения качества созданного вакуума.

Физический вакуум

Физическим вакуумом называют идеализированное понятие пространства, в котором нет частиц. Экспериментально такого состояния достичь невозможно, отдельные атомы и ионы есть даже в чрезвычайно разреженной межгалактическом пространстве. Абстрактное понятие физического вакуума используется, например, для определения скорости света, как скорости распространения электромагнитного взаимодействия в пустоте без частиц.

Хотя может показаться, что пустое пространство является простейшей физической системой, в действительности это не так. Развитие квантовой механики показал, что вакуум является сложным физическим объектом, свойства которого еще не совсем понятны.

Во-первых, вакуум, пожалуй, заполненный нулевыми колебаниями электромагнитного поля. квантами электромагнитного поля являются фотоны, частицы принадлежащих к бозонов. Волновые функции бозонов в низком состоянии не равны нулю. При квантовании поля бозонов, они рассматриваются как гармонические осцилляторы. В основном состоянии бозоны имеют не только отличную от нуля волновую функцию, но и ненулевую энергию. Так, вакуум заполнен нулевыми колебаниями различных мод электромагнитного и других бозонних полей со всеми возможными волновыми векторами, направлениями прозповсюдження и поляризациями. Каждая из этих мод имеет энергию, где - сводная постоянная Планка, а? - циклическая частота. Это порождает проблему энергии вакуума, поскольку таких мод бесконечно много, и суммарная энергия вакуума должна быть бесконечной. Однако, физические эксперименты, в частности Лэмб смещение и эффект Казимира свидетельствуют о том, что нулевые колебания электромагнитного поля - реальность, и, что они могут взаимодействовать с другими физическими объектами.

Другая идея, которая еще больше осложняет понимание вакуума, связанная с уравнением Дирака, описывающее релятивистскую квантовую частицу, в частности электрон.Уравнение Дирака для свободного электрона имеет четыре развязки, два из них с отрицательной энергией. Поль Дирак показал, что с помощью операции зарядового сопряжения эти развязки можно трактовать, как развязки с положительной энергией, но для частицы с противоположным, положительным, зарядом, т.е. античастицы электрона. Такая античастица была обнаружена экспериментально и получила название позитрона.

Трактовка Дирака похоже на терии полупроводников, Частицы, электроны, аналогичные электронам проводимости, тогда как античастицы, позитроны, аналогичные дырками.В основном состоянии, соответствующем вакуума, все энергетические состояния с отрицательной энергией, заполнены, а позитрон соответствует незаполненном состоянию.

При рассмотрении взаимодействий между частицами в квантовой электродинамике часто необходимо учитывать возможность образования из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар.

Что такое вакуум ? На этот вопрос обычно отвечают: "пространство с разреженным воздухом" или "пространство внутри сосуда, из которого выкачан воздух". Но всякая ли степень разрежения это вакуум и находиться ли вакуум в какой-либо связи с ?

Некоторые предпосылки к эмпирическому исследованию вакуума существовали ещё в античности. Древнегреческие механики создавали различные технические устройства, основанные на разрежении воздуха. Например, водяные насосы, действующие путём создания разрежения под поршнем, были известны ещё во времена Аристотеля. Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в 17 веке, с концом Возрождения и началом научной революции Нового времени. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту не более 10 метров.

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега молекул газа. При этом молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме. Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление, и является ближайшим приближением физического вакуума. Но космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.

Действительно, предположим, что в баллоне воздух разрежен в 10000 раз по сравнению с плотностью его при нормальном атмосферном давлении, т. е. давление внутри баллона равно 0,076 мм. рт. ст.

Будет ли в баллоне вакуум? И можем ли мы продолжать считать, что в баллоне вакуум, если этот баллон поднят на высоту 100 км над поверхностью земли, где давление воздуха составляет всего 0,007 мм. рт. ст. Ведь в этом случае плотность воздуха внутри баллона станет в 10 раз больше, чем снаружи! Тогда, где же будет вакуум – внутри баллона или снаружи?

Современная физика связывает вакуум не с величиной давления вне или внутри сосуда, а с длиной свободного пробега молекул газа внутри него. Молекулы газов находятся в беспрерывном хаотическом тепловом движении; при комнатной температуре скорость теплового движения молекул воздуха равна примерно 450 м/с, т. е. приближается к скорости . Двигаясь во всех направлениях, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом. Чем плотнее воздух, тем больше молекул заключается в единице объема и тем чаще молекулы сталкиваются.

Если воздух разредить, то молекулы будут сталкиваться менее часто. В среднем им придется пролетать больший путь между двумя столкновениями, который и называется длиной свободного пробега.

Вакуум с физической точки зрения – это такое разрежение, при котором длина свободного пробега в среднем больше размера сосуда. Когда в сосуде вакуум столкновения молекул будут редкими, большая часть молекул в своем движении от одной стенки сосуда до другой не встретится с другими молекулами.

Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах, состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.