Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.
Vakuums ir Visuma daļa, kura pēc būtības ir tukša no vielas, tas nozīmē, ka gāzveida spiediens ir daudz mazāks nekā atmosfēras spiediens.[1] Vārds radies no latīņu termina "tukšums", bet faktiski izplatījumā jebkāds apjoms nekad nevar būt patiešām tukšs. Perfekts vakuums bez jebkāda gāzveida spiediena ir filozofisks jēdziens, kurš nekad nav novērots praksē. Fiziķi bieži izmanto terminu "vakuums", lai pārspriestu ideāla testa rezultātus, kuram ir jānotiek pilnīgā vakuumā, viņi to dēvē vienkārši par "vakuumu" vai "brīvo izplatījumu", un izmanto terminu "daļējs vakuums", lai atgrieztos pie nepilnīgās vakuuma realizēšanas praksē. Latīņu jēdziens vakuumā tiek arī izmantots, lai aprakstītu objektu, kas ir īsts un kam vajadzētu būt vakuumam.
Vakuuma kvalitāte parāda to, cik tuvu tas ir pietuvinājies perfektajam vakuumam. Atlikušais gāzes spiediens ir primārais kvalitātes rādītājs, visbiežāk tas ir sadalīts vienībās, kuras tiek dēvētas par torr, pat metriskos kontekstos. Jo zemāks spiediena indikators, jo lielāka kvalitāte, protams, jāņem vērā arī citas iespējamības. Kvantu teorija nosaka robežas starp maksimālo iespējamo vakuuma kvalitāti, tā paredz, ka izplatījumā jebkāds apjoms nekad nevar būt patiešām tukšs. Kosmoss ir dabīgs, ļoti kvalitatīvs vakuums, pārsvarā tas ir ar augstāku kvalitāti nekā tā, kādu varētu radīt mākslīgi, izmantojot pašreizējās tehnoloģijas. Zemas kvalitātes mākslīgais vakuums ir bijis izmantots sūknēšanai jau tūkstoš gadus.
Vakuums ir bijis biežs filozofisku debašu temats jau kopš seno grieķu laikiem, bet netika studēts līdz 17. gadsimtam. Evandželista Torričelli radīja pirmo apstiprināto mākslīgo vakuumu 1643. gadā, citas eksperimentālās metodes tika attīstītas, balstoties uz viņa izgudroto atmosfēras spiediena teoriju. Vakuums kļuva par vērtīgu industriālu instrumentu 20. gadsimtā ar kvēlspuldžu un elektronu lampu ieviešanu, tajā laikā kļuva pieejami daudzi izgudrojumi, kas balstās uz vakuumu. Kosmosa apceļošanas nesenā attīstība ir palielinājusi interesi par vakuuma ietekmi uz cilvēka veselību un uz dzīvības formām vispār.
Vakuumu izmanto dažādos procesos un ierīcēs. Tā pirmais sabiedriskais pielietojums bija 19. gadsimtā, kad izgudroja kvēlspuldzes, kas pasargā oglekļa diegu no ķīmiskas degradācijas. Tā ķīmiskais inertums ir derīgs arī elektriskajiem metinājumiem, ķīmisko tvaiku nogulsnēšanai un sausu kodinājumu pusvadīšanai, optisko segumu un vakuuma iesaiņojumu ražošanai. Ļoti augsts vakuums tiek izmantots atoma tīrā pamata pētīšanā, tikai ļoti labs vakuums pasargā atoma skalas tīro virsmu uz salīdzinoši ilgu laiku (pēc vajadzības sākot no minūtēm līdz dienām). Augsts-ļoti augsts vakuums pārvieto gaisa aizsprostus, ļaujot elementārdaļiņām aizplūst, lai saglabātu vai aizvāktu materiālus bez piesārņojuma. Tas ir princips ķīmisko garaiņu nogulsnēšanai, un sausajai kodināšanai, kas ir būtiski pusvadītāju ražošanai un optiskajiem pārklājumiem, un virsmu pētījumiem. Konvekcijas samazināšanu pierāda termālā izolācija termosa pudelēs. Dziļš vakuums sekmē atgāzēšanu, ko izmanto žāvēšanā ar sasaldēšanu, lipīgos preparātos, destilācijā, metalurģijā un izpūšanas procesā. Vakuuma elektriskās īpašības rada iespējamu elektronu mikroskopu un elektronu lampu ražošanu, ieskaitot katodstaru lampu. Gaisa pretestības novēršana ir izmantojama spararata enerģijas uzglabāšanai un augsta spiediena centrifūgā.
Vakuums parasti tiek izmantots sūknēšanā, taču tam ir arī daudzi citi pielietojuma veidi. Ņūkamena tvaika mašīnā spiediena vietā izmanto vakuumu, lai kustinātu virzuli. 19. gadsimtā vakuums ticis izmantots Isambard Kingdom Brunel's eksperimentālajiem atmosfēriskajiem dzelzceļiem, kā vilcējs.
Kosmosam ir ļoti zems blīvums un spiediens, tas ir tuvākais fizikālais tuvinājums perfektajam vakuumam. Tas ir bez spiediena, ļaujot zvaigznēm, planētām un pavadoņiem kustēties brīvi, ievērojot ideālas gravitātes trajektorijas. Bet nekāds vakuums nevar būt perfekts, pat ne starpzvaigžņu telpā, kur joprojām ir daži ūdeņraža atomi uz katru kubikcentimetru. Dziļais kosmosa vakuums varētu radīt piemērotu vidi noteiktiem ražošanas procesiem, piemēram, tiem, kuriem nepieciešamas tīras virsmas, lai vai kā, ir izdevīgāk radīt tādu pašu vakuumu uz Zemes, nekā doties kosmosā.
Zvaigznes, planētas un pavadoņi saglabā savu atmosfēru pateicoties gravitācijas spēkam un tādām atmosfērām nav acīmredzamas robežas: atmosfēriskās gāzes blīvums samazinās līdz ar attālumu no objekta. Zemes atmosfēras spiediena kritumi ir apmēram 1 Pa (10-3 Torr) uz 100 km augstumu, Karmana līnija ir vispārīgi definēta kā robeža starp Zemes atmosfēru un kosmisko telpu. Aiz šīs līnijas, izotropu gāzes spiediens ātri kļūst nenozīmīgs, kad to pielīdzina radiācijas spiedienam, kas nāk no saules un dinamiskajam spiedienam, kas nāk no saules vēja, tādēļ spiediena definīciju ir grūti izskaidrot. Termosfērai šajā rādiusā ir liels spiediena gradients, temperatūra un slīpums, un tās dažādības ievērojami ietekmē kosmosa laiku. Astrofiziķi atbalsta blīvuma numerāciju, lai aprakstītu šo vidi, daļiņas vienība uz kubikcentimetru.
Bet, lai gan tas rada definīciju par visumu, atmosfēras blīvums pirmajos pāris simts kilometros virs Karmana līnijas (robežas) vēl ir pietiekams, lai radītu nozīmīgu šķērsli satelītiem. Vairums mākslīgo pavadoņu darbojas vietā, kas saukta par zemo Zemes orbītu un tiem orbītas sasniegšanai nepieciešams izmantot dzinējus ik pēc pāris dienām. Šķēršļi šajā vietā ir pietiekami mazi, teorētiski tie varētu tikt pārvarēti ar saules „buru” spiediena palīdzību, kas varētu būt starpplanētu ceļošanas sistēmas dzinējspēks. Planētas ir pārāk smagas savās trajektorijās, lai šie spēki tās ietekmētu, lai gan saules vēji „saēd” atmosfēru.
Viss saskatāmais visums ir pildīts ar neskaitāmu daudzumu fotoniem, tā saukto kosmisko pamata radiāciju, un attiecīgi ar lielu daudzumu neitrīno. Pašreizējā šīs radiācijas temperatūra ir 3 grādi pēc Kelvina ( -270 grādi pēc Celsija vai -454 grādi pēc Fārenheita).
[izmainīt šo sadaļu] Efekti uz cilvēkiem un dzīvniekiem
Cilvēki un dzīvnieki tiekot pakļauti vakuumam, zaudētu samaņu pāris sekunžu laikā un pēc pāris minūtēm mirtu no hipotermijas, bet simptomi nav tuvu tādiem, kādi tie ir attēloti mūsu kultūrā. Asinis un citi ķermeņa šķidrumi sāk vārīties, ja to spiediens nokrīt zemāk par 6,3 KPa (kilopaskāliem) (47 Torr), ūdens izgarošanas spiediens ķermeņa temperatūrā.[2] Šo stāvokli sauc par ebulismu . Tvaiks var piepūst ķermeni divreiz lielāku nekā tas ir patiesībā un palielināt cirkulāciju, taču audi ir pietiekami elastīgi un poraini, lai tas nenotiktu. Ebulisms tiek palēnināts ar asinsvados esošo spiedienu, tādejādi daļa asiņu paliek kā šķidrums (paliek šķidras).[3][4] Ebulisms un svīšana var tikt novērsti izmantojot skafandru. Kosmosa kuģa astronauti nēsā atbilstošu elastīgu apģērbu, sauktu par „Komandas Augstuma Aizsardzības apģērbs” (CAPS), kas pasargā no ebulisma, pie tik zema spiediena kā 2 KPa (15 Torr).[5] Strauja iztvaikošana, ādas atdzišana noved pie sasalšanas, it īpaši mutē, bet tas ir maznozīmīgs risks.
Eksperimenti ar dzīvniekiem pierāda, ka ātra un pilnīga atveseļošanās ir normāla, ja organisms ir ticis pakļauts vakuumam mazāk kā 90 sekundes, ilgāka visa ķermeņa pakļaušana vakuumam ir letāla un atdzīvināšana vēl nekad nav bijusi veiksmīga.[6] Pieejams ir tikai neliels skaits ziņojumu par nelaimes gadījumiem ar cilvēkiem, taču šis skaits ir konsekvents ar ziņojumu skaitu par nelaimes gadījumiem ar dzīvniekiem. Ķermeņa locekļi vakuumam var tikt pakļauti daudz ilgāku laiku, ar nosacījumu, ka nav pavājināta elpošana.[2] Roberts Boils bija pirmais, kurš 1660.gadā parādīja, ka maziem dzīvniekiem vakuums ir nāvējošs. 1942.gadā vienā no Luftwaffe eksperimentu sērijām ar cilvēkiem, Nacisma režīmā spīdzināja Dachau koncentrācijas nometnēs ieslodzītos, pakļaujot tos vakuumam, lai noteiktu kāda ir cilvēka ķermeņa spēja izdzīvot lielā augstumā.
Aukstās vai ar skābekli bagātās atmosfērās var saglabāties dzīvība pie spiediena, kas ir daudz zemāks nekā atmosfēriskais (atmosfēras) spiediens, tik ilgi, kamēr skābekļa blīvums ir tāds pats, kā normālā jūras līmeņa atmosfērā. Zemās gaisa temperatūras, kādas ir augstumā līdz 3 km, galvenokārt rodas pateicoties tur esošajam zemajam gaisa spiedienam.[2] Virs šī augstuma ir nepieciešams papildus skābeklis, lai izvairītos no augstuma slimības un skafandri ir nepieciešami, lai izvairītos no ebulisma, kas var rasties augstumā, kurš pārsniedz 19 km virs jūras līmeņa.[2] Vairums skafandros izmanto tikai 20 KPa (150 Torr) tīrā skābekļa, tas ir pietiekoši, lai nezaudētu samaņu (uzturētos pie samaņas). Šis spiediens ir pietiekami augsts, lai novērstu ebulismu, taču mazākā asins iztvaikošana joprojām varētu radīt atspiešanas (spiediena samazināšanās) slimību un gāzes embolismu, ja tas netiek novērsts.
Strauja spiediena samazināšanās var būt daudz bīstamāka nekā pakļaušana vakuumam. Pat ja upuris neaiztur elpu, ventilācija caur caurulīti var būt pārāk lēna un radīt letālas sekas jūtīgajām plaušu alveolām.[2] Auss bungādiņas un sinusi var tikt bojāti strauja spiediena samazināšanās gadījumā, mīkstie audi var kļūt zili un pa tiem var sūkties asinis, un stress no šoka paātrinās skābekļa krāšanos, kas beigās novedīs pie hipoksijas.[7] Ievainojumi, kuri rodas strauja spiediena samazināšanās rezultātā tiek saukti par barotraumām. Pat spiediena nokrišanās par 100 Torr (13 KPa), kas parasti neizraisa un nerada nekādus simptomus, ja spiediens krītas pakāpeniski, var būt nāvējoša, ja tas notiek pēkšņi un strauji.[2]
Daži īpaši mikroorganismi kā gauskāji var izdzīvot vakuumā pat vairāku gadu periodus.
Vēsturiski ir bijuši daudzi strīdi par to, vai tāda lieta kā vakuums vispār var pastāvēt. Senie Grieķu filozofi nevēlējās atzīt vakuuma esamību, uzdodot sev jautājumu: „Kā nekas var būt kaut kas?” Platons nonāca pie domas, ka vakuums ir neiedomājams, viņš ticēja, ka visas fiziskas parādības un lietas bija izdomātas no abstrakta, Platoniska ideāla un viņš nespēja iedomāties „ideāla” vakuuma veidu. Paralēli tam arī Aristotelis domāja, ka vakuuma radīšana ir neiespējama- nekas nevar būt kaut kas. Vēlāk grieķu filozofi domāja, ka vakuums varētu pastāvēt ārpus kosmosa, bet ne tajā.
Aleksandrijas varonis bija pirmais, kurš izvirzīja šo pieņēmumu pirmajā gadsimta sludinājumā, bet viņa mēģinājumi radīt mākslīgu vakuumu izgāzās.[8] Filozofs Al-Ferabi (872.- 950.m.ē.) ir veicis pirmos rakstiskos eksperimentus, pierādot vakuuma esamību, kuros viņš pētīja ar roku turamus ūdens virzuļus.[9] Viņš nonāca pie secinājuma, ka gaisa tilpums var izplesties, lai aizpildītu brīvu vietu un viņš apgalvoja, ka ideāla vakuuma koncepts bija nesakarīgs.[10]
Viduslaikos katoļu baznīca pauda ideju, ka vakuums ir kas amorāls un pat ķecerīgs. Nekā neesamība liktu arī domāt par Dieva neesamību un novestu pie tā, ka stāsts par visa rašanos Mozus pirmajā grāmatā būtu spēkā neesošs. Viduslaikos izdomātus eksperimentus par vakuuma ideju uzskatītu par patiesiem, tikai gadījumā, ja vakuums būtu klātesošs, piemēram, ja divas plakanas plāksnes tiktu strauji atdalītas viena no otras, vai arī, kā apgalvoja Valters Burlijs, „dievišķīgie aģenti” radītu vakuuma celšanos. Plaši izskatīts uzskats, ka dabai riebās vakuums, tika nosaukts par horror vacui, kas pieprasīja, ka Dieva spēkam nedrīkst būt nekādi ierobežojumi, kas noveda pie secinājuma, ka Dievs varētu radīt vakuumu, ja viņš to gribētu.[11]
Opozīcija idejai par vakuuma esamību dabā, turpinājās Zinātnes Revolūcijā, ar mācekļiem, piemēram, Paolo Kasatī, kuri bija anti-vakuumisti. Turpinot Galileo darbu, Evanģēlista Toričelli 1643.gadā apgalvoja, ka vakuums ir dzīvsudraba barometra augšā. Daži cilvēki tam ticēja, Toričelli arī radīja pirmo ilgstošo vakuumu laboratorijā. Blēzs Paskāls bija tas, kurš saprata, ka tas bija tas, kas ir. 1654.gadā Oto van Gueriks izgudroja pirmo vakuuma sūkni un vadīja savu pirmo Magdeburgas puslodes eksperimentu, parādot, ka zirgu bars nespēj atdalīt divas puslodes, no kurām ir izsūkts gaiss, vienu no otras. Roberts Boils uzlaboja Guerika izgudrojuma dizainu un vadīja eksperimentus, lai noskaidrotu vakuuma īpašības. Arī Roberts Huks palīdzēja Boilam izgatavot gaisa sūkni, kas ļāva radīt vakuumu. Pēc tam, līdz 1855.gadam interese par vakuumu pazuda, iekams Henrihs Geislers neradīja dzīvsudraba aizvietotājsūkni un ieguva rekordlielu vakuumu, apmēram 10 Pa (o,1 Torr). Šādā vakuuma līmenī bija saskatāmas elektriskās īpašības un tas atkal atdzīvināja interesi par vakuumu. Un tas noveda pie elektronu lampu radīšanas.
Kamēr visums tika pielīdzināts vakuumam, agrākās teorijas par gaismas īpašībām, pastiprināja esamību tam, ka ir neredzama vide, kura varētu vadīt gaismas starus. (Īzaks Ņūtons balstījās uz šo ideju, lai izskaidrotu refrakciju un radioaktīvo siltumu).[12] Tas 19. gadsimtā radīja gaismu nesošu ēteri, bet bija zināms, ka idejai būs raksturīgi īsi uznācieni- it īpaši, ja zeme virzītos caur matērisko vidi, videi būtu jābūt gan ļoti retinātai (jo nav novērots, ka zeme būtu palēninājusies savā orbītā), gan ļoti nekustīgai (jo vibrācijas izplatās ļoti ātri). 1891.gadā Viljama Krūka rakstā tika minēts: „Oklūzija gāzes visuma vakuumā.”[13] Pat līdz 1912.gadam astrologs Henrihs Pikerings komentēja: „Kamēr starpzvaigžņu absorbējušā vide varbūt ir vienkārša, tajā pašā laikā tai ir gāzu īpašības un brīvās gāzu molekulas noteikti tajā pastāv.”[14]
Mičelsona- Morlija eksperiments, 1887.gadā, izmantojot interferometru, lai censtos noteikt gaismas ātruma izmaiņu, kas radusies no Zemes griešanās attiecībā pret ēteri, bija liela izgāšanās, pierādot, ka statika patiesībā nepastāv, izplatīšanās veids caur virsmu un caur kuru kustējās (virzījās) zeme, domāja, ka tas ir vējš. Tādēļ tikmēr, kamēr nav ēteris, tas arī nav nepieciešams, lai gaisma varētu izplatīties, pierāda, ka visums starp zvaigznēm nav pilnībā tukšs. Bez tam ir dažādas daļiņas, kuras ietver visuma (kosmisko) radiāciju, ir arī fotonu (gaismas) radiācijas visuma (kosmiskais) pamats, iekļaujot termālo pamatu, kas ir apmēram 2,7 K un tiek uzskatīts par atlieku, kas radusies Lielā sprādziena rezultātā. Neviens no šiem atklājumiem nozīmīgā veidā neietekmē Mičelsona- Morlija eksperimenta iznākumu.
Einšteins apgalvoja, ka fiziskie objekti neatrodas visumā, bet drīzāk tiem ir telpisks apjoms. Ņemot šo vērā, priekšstats par tukšu visumu zaudē savu jēgu.[15] Drīzāk visums ir abstrakcija, balstīta starp vietējo priekšmetu (objektu) savstarpējo attiecību. Vairāk vai mazāk, galvenā relativitātes teorija pierāda gravitācijas lauka izplatīšanos, kuru pēc Einšteina vārdiem[16] varētu uzskatīt par ēteri ar īpašībām, kuras ir mainīgas no vienas vietas citā. Kaut kam ir jābūt, taču, ne lai to piedēvētu pie materiālām īpašībām kā ātrums utt.
Pauls Diraks, 1930.gadā, vakuumu iedomājās, kā bezgalīgu, ar negatīvu enerģiju pildītu daļiņu jūru, tā saukto „Diraka jūru”. Šī teorija palīdzēja labāk izprast pareģojumus, kuri bija minēti viņa agrāk radītajā teorijā – Diraka vienādojums, un veiksmīgi ļāva pareģot pozitronu esamību, kura arī tika atklāta 1932.gadā. Taču par spīti agrajam atklājumam, tas drīz vien kļuva mazsvarīgs dēļ Kvantu lauku teorijas.
Kvantu mehānikas attīstība sarežģīja jaunāko atklājumu skaidrojumu par vakuumu, jo radās nepieciešamība pēc aleatorikas. Nila Bora un Venera Heinzberga neskaidrie principi un 1927.gadā formulētais Kopenhāgenas skaidrojums, noteica pamatā esošu mainīgumu pie tūlītējas jebkādu daļiņu atrašanās vietas un inerces izmērīšanas, un tas, ne tā kā gravitācijas lauks, rada jautājumu par visuma tukšumu starp daļiņām. 20. gadsimta beigās, šis princips tika izprasts un arī noteica pamatā esošu mainīgumu daļiņu skaitā. Kāda visuma reģionā, novedot pie pieņēmumiem par virtuālajām daļiņām, kuras spontāni varētu uzrasties no tukšuma. Citiem vārdiem sakot, vakuumam ir zemāka robeža ar tajā esošu viszemāk iespējamo kvantizēto lauku enerģijas stāvokli jebkurā visuma reģionā.
Kvantu mehānikā, vakuums ir definēts kā stāvoklis ar vismazāko enerģiju. Lai paskaidrotu, tas ir vienkāršs stāvoklis, bez elementārdaļiņām, tādēļ arī tāds nosaukums.
Pat ideāls vakuums, pēc mūsu domām, pilnīgi tukšs no visa, praktiski nekad nepaliks pavisam tukšs. Aplūkojam vakuuma kameru, kas ir pilnībā iztīrīta, tātad (klasiski) daļiņu koncentrācija ir nulle. Kameras sienas izstaros gaismu melna ķermeņa radiācijas formā. Šī gaisma vada impulsus, tādēļ vakuumam ir radiācijas spiediens. Šī īpašība piemīt pat starpzvaigžņu telpas vakuumam. Pat ja daļa no kosmosa nesatur elementārdaļiņas, Kosmisko Mikroviļņu Pamats aizpilda visu visumu ar melna ķermeņa radiāciju.
Ideāls vakuums nevar eksistēt pat iekšā molekulā. Katrs atoms molekulā ir kā iespējama kosmosa funkcija, kurai ir noteikta nenulles vērtība visā noteiktajā tilpumā. Kosmosu nevarētu saukt par vakuumu, jo pat „starp” atomiem ir noteikta iespējamība atrast elementārdaļiņas.
Pašos pamatos, Kvantu mehānika paredz, ka vakuuma enerģija būs savādākā nekā tā ir parastajā, klasiskajā variantā. Kvantu enerģijas labojums, tiek saukts par nulles punkta enerģiju un sastāv no virtuālu elementārdaļiņu, kam ir īss eksistences ilgums, enerģijas. Tās sauc par vakuuma svārstībām. Vakuuma svārstības arī var būt saistītas ar kosmoloģijas tā saucamo kosmoloģisko konstanci. Labākais vakuuma svārstību pierādījums ir Kazimira efekts un Lamb shift.[11]
Kvantu lauka teorijā un virknes teorijā, termins „vakuums” tiek izmantots, lai attēlotu zemes stāvokli Hilberta izplatījumā, kas ir stāvoklis ar vismazāko iespējamo enerģiju. Brīvajās (nemijiedarbojošajajās) kvantu lauka teorijās, šis stāvoklis ir līdzīgs zemes stāvoklim kvantu harmoniskajā oscilatorā. Ja teorija pastāv pateicoties klasisko teoriju kvantēšanai, katrs enerģijas nekustīgais punkts konfigurāciju izplatījumā dod risku vienīgajam vakuumam. Virknes teorija tic, ka ir daudzi vakuuma veidi- tā saucamā virknes teorijas ainava.
Rokas
ūdens sūknis paceļ ūdeni augstāk kā vajag, lai radītu vakuumu, kas aizpilda ūdens meldrus. Zināmā mērā, tas darbojas, lai pamestu labo, neskatoties uz to, ka dubļu augstā noplūdes norma novērš augstu kvalitatīvu vakuumu no tikšanas atbalstītam jebkurā laika garumā.
Šķidrumi nevar būt izstiepti, tāpēc radīt vakuumu sūknējot ir tehniski neiespējami. Sūknējot var izplatīt un atšķaidīt vakuumu, ļaujot augstam spiedienam iegrūst šķidrumus tajā. Vakuums tika radīts pirmais, pirms sūknēšana varēja ienākt prātā. Vieglākais ceļš, lai radītu mākslīgu vakuumu ir paplašināt konteinera apjomu. Piemēram, diafragmas muskulis uzbriedina krūts iedobi, kas arī ir iemesls tam, ka plaušu apjoms palielinās. Šis paplašinājums pazemina spiedienu un rada daļēju vakuumu, kurš, pateicoties atmosfēras spiedienam, tiek drīz piepildīts ar gaisu.
Lai turpinātu izsūknēt kameru, neskaidri, bez prasības
