Вакуум

Ва́куум (лат. vacuum — «пустота») — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного.

Пробег молекулы газа в вакууме

‎ Вакуум выражается отношением между длиной свободного пробега молекул газа $\!l$ и расстоянием $~d$. Обычно за $\!d$ принимается диаметр стенок вакуумной камеры, вакуумного трубопровода и т.д. В зависимости от величины соотношения $\frac{l}{d}$, различают низкий ($\frac{l}{d} \ll 1$), средний ($\frac{l}{d} \sim 1$) и высокий $\frac{l}{d} \gg 1$) вакуум.

Различают:

• Физический вакуум;
• Технический вакуум.

Длина пробега молекулы в вакууме

Как известно в отсутствии конвекционных потоков запах в воздухе распространяется очень медленно, хотя скорость молекул газа достаточно высока (порядка 500 метров в секунду). Причина этого заключается в том , что распространение запаха осуществляется посредством медленного процесса диффузии. Малая скорость диффузии и аналогичных ей явлений Клаузиус объяснил столкновениями молекул.

Молекула газа не всё время движется свободно, а время от времени испытывает столкновения с другими молекулами. Свободно она пролетает короткое расстояние от одного столкновения до следующего и в результате чего траектория молекулы описывается ломаной линией с большим количеством звеньев. Для количественного описания явления Клаузиус ввёл понятие средней длины свободного пробега, т.е. среднего расстояния, которое пролетает молекула от одного столкновения до следующего. Этот параметр имеет важное значение для описания явлений переноса - диффузии, внутреннего трения и теплопроводности.

Формула средней длины свободного пробега молекулы газа: $$\,l = \frac{\!1}{\pi\,d^2\,n}$$ $$\,l = 0.707\frac{\!1}{\pi\,d^2\,n}$$(более точная формула) где:

• $\!l$ — длины свободного пробега газа
• $\!d$ — одинаковый диаметр молекул газа
• $\!n$ — концентрация молекул газа

Молекулы начинают сталкиваться друг с другом, если расстояние между их центрами меньше $\!d$. Поэтому можно рассмотреть одну молекулу с радиусом $\!d$, движущуюся в присутствии точечных частиц (анимация).

В течение времени $\!t$, эта молекула столкнется со всеми частицами, лежащими внутри цилиндра объёмом $\,V = \pi\,d^2\,nvt$, где $\!v$ - средняя скорость их движения. Средняя длина свободного пробега равняется высоте цилиндра $\!l = \,v\,t$, который содержит в среднем лишь одну молекулу.

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также, в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (так называемых ложных вакуумов) является одним из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Технический вакуум

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. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа $< \lambda >$, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера $l$ сосуда, в котором находится газ. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы, или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума($\lambda$). Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При $\lambda >> l$ молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме(10^-5 Торр). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10^-9 Торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10^-30 Торр и ниже.

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Величина давления системы - это традиционная характеристика для классификации степеней вакуума. В настоящее время общий термин «вакуум» относится к любой области, имеющей давление в диапазоне от атмосферного до давления, на 19 порядков ниже атмосферного. Для удобства этот расширенный диапазон давлений подразделяется на несколько интервалов, обозначающих сте́пень ва́куума.

См. также

• Вакуум рождает частицы
• Степени вакуума
• Вакуумное оружие
• Ложный вакуум
• Теория струн
• Эйнштейновский вакуум
• Пустота