El vacío es un espacio en el que no hay materia. En física aplicada y tecnología, significa un medio en el que está contenido un gas a una presión inferior a la presión atmosférica. ¿Qué eran los gases enrarecidos cuando se descubrieron por primera vez?
Páginas de historial
La idea del vacío ha sido un punto de discusión durante siglos. Los gases enrarecidos trataron de analizar los antiguos filósofos griegos y romanos. Demócrito, Lucrecio, sus alumnos creían: si no hubiera espacio libre entre los átomos, su movimiento sería imposible.
Aristóteles y sus seguidores refutaron este concepto, en su opinión, no debería haber "vacío" en la naturaleza. En la Edad Media en Europa, la idea de "miedo al vacío" se convirtió en una prioridad, se utilizó con fines religiosos.
La mecánica de la Antigua Grecia, al crear dispositivos técnicos, se basaba en la rarefacción del aire. Por ejemplo, las bombas de agua que funcionaban cuando se creaba un vacío sobre el pistón aparecieron en la época de Aristóteles.
El estado enrarecido del gas, el aire, se ha convertido en la base para la fabricación de bombas de vacío de pistón, que actualmente se utilizan ampliamente en tecnología.
Su prototipo fue la famosa jeringa de pistón de Garza de Alejandría, creada por élsacar pus.
A mediados del siglo XVII se desarrolló la primera cámara de vacío y seis años más tarde, el científico alemán Otto von Guerick logró inventar la primera bomba de vacío.
Este cilindro de pistón extrajo aire fácilmente de un recipiente sellado, creando un vacío allí. Esto permitió estudiar las principales características del nuevo estado, para analizar sus propiedades operativas.
Aspiradora tecnológica
En la práctica, el estado enrarecido del gas, el aire, se denomina vacío técnico. En grandes volúmenes, es imposible obtener tal estado ideal, ya que a cierta temperatura los materiales tienen una densidad de vapor saturado distinta de cero.
La razón de la imposibilidad de obtener un vacío ideal es también la transmisión de sustancias gaseosas a través de las paredes de vidrio y metal de los recipientes.
En pequeñas cantidades es bastante posible obtener gases enrarecidos. Como medida de rarefacción, se utiliza el camino libre de las moléculas de gas que chocan aleatoriamente, así como el tamaño lineal del recipiente utilizado.
El vacío técnico puede considerarse un gas en una tubería o recipiente con un valor de presión menor que en la atmósfera. Un bajo vacío ocurre cuando los átomos o moléculas de un gas dejan de chocar entre sí.
Se coloca un vacío previo entre la bomba de alto vacío y el aire atmosférico, lo que crea un vacío preliminar. En el caso de una disminución posterior de la cámara de presión, se observa un aumento en la longitud del camino de las partículas gaseosas.sustancias.
Cuando la presión es de 10 -9 Pa, se crea un vacío ultra alto. Son estos gases enrarecidos los que se utilizan para realizar experimentos utilizando un microscopio de efecto túnel.
Es posible obtener tal estado en los poros de algunos cristales incluso a presión atmosférica, ya que el diámetro de los poros es mucho más pequeño que el camino libre de una partícula libre.
Electrodomésticos a base de vacío
El estado enrarecido del gas se utiliza activamente en dispositivos llamados bombas de vacío. Los captadores se utilizan para aspirar gases y obtener un cierto grado de vacío. La tecnología del vacío también incluye numerosos dispositivos que son necesarios para controlar y medir este estado, así como para controlar objetos, para llevar a cabo diversos procesos tecnológicos. Los dispositivos técnicos más complejos que utilizan gases enrarecidos son las bombas de alto vacío. Por ejemplo, los dispositivos de difusión funcionan sobre la base del movimiento de moléculas de gas residual bajo la acción de un flujo de gas de trabajo. Incluso en el caso de un vacío ideal, hay poca radiación térmica cuando se alcanza la temperatura final. Esto explica las principales propiedades de los gases enrarecidos, por ejemplo, el establecimiento del equilibrio térmico después de un cierto intervalo de tiempo entre el cuerpo y las paredes de la cámara de vacío.
El gas monoatómico enrarecido es un excelente aislante térmico. En él, la transferencia de energía térmica se lleva a cabo solo con la ayuda de la radiación, la conductividad térmica y la convección no sonson observados. Esta propiedad se utiliza en recipientes Dewar (termos), que consisten en dos recipientes, entre los cuales hay un vacío.
El vacío ha encontrado una amplia aplicación en tubos de radio, por ejemplo, magnetrones de cinescopios, hornos de microondas.
Vacío físico
En física cuántica, tal estado significa el estado de energía fundamental (más bajo) del campo cuántico, que se caracteriza por valores cero de números cuánticos.
En este estado, un gas monoatómico no está completamente vacío. De acuerdo con la teoría cuántica, las partículas virtuales aparecen y desaparecen sistemáticamente en el vacío físico, lo que provoca cero oscilaciones de campos.
Teóricamente, varios vacíos diferentes pueden existir simultáneamente, que difieren en la densidad de energía, así como en otras características físicas. Esta idea se convirtió en la base de la teoría del big bang inflacionario.
Falso vacío
Significa el estado del campo en la teoría cuántica, que no es un estado con un mínimo de energía. Es estable durante un cierto período de tiempo. Existe la posibilidad de "tunelizar" un estado falso en un verdadero vacío cuando se alcanzan los valores requeridos de las principales cantidades físicas.
Espacio exterior
Al discutir lo que significa un gas enrarecido, es necesario insistir en el concepto de "vacío cósmico". Puede considerarse cercano al vacío físico, pero existente en el interestelar.espacio. Los planetas, sus satélites naturales, muchas estrellas tienen ciertas fuerzas de atracción que mantienen la atmósfera a cierta distancia. A medida que te alejas de la superficie de un objeto estelar, la densidad del gas enrarecido cambia.
Por ejemplo, existe la línea Karman, que se considera una definición común con el espacio exterior del límite del planeta. Detrás de él, el valor de la presión del gas isotrópico disminuye drásticamente en comparación con la radiación solar y la presión dinámica del viento solar, por lo que es difícil interpretar la presión de un gas enrarecido.
El espacio exterior está lleno de fotones, neutrinos reliquia que son difíciles de detectar.
Características de medición
El grado de vacío suele estar determinado por la cantidad de sustancia que queda en el sistema. La principal característica de la medición de este estado es la presión absoluta, además se tiene en cuenta la composición química del gas y su temperatura.
Un parámetro importante para el vacío es el valor promedio de la longitud del camino de los gases que quedan en el sistema. Existe una división del vacío en ciertos rangos de acuerdo con la tecnología necesaria para las mediciones: falso, técnico, físico.
Formado al vacío
Esta es la fabricación de productos a partir de materiales termoplásticos modernos en forma caliente usando aire a baja presión o acción de vacío.
La formación al vacío se considera un método de estirado, como resultado del cual se calienta una hoja de plástico,situado por encima de la matriz, hasta un determinado valor de temperatura. A continuación, la lámina repite la forma de la matriz, esto se debe a la creación de un vacío entre esta y el plástico.
Dispositivos de electrovacío
Son dispositivos que están diseñados para crear, amplificar y convertir energía electromagnética. En dicho dispositivo, se elimina el aire del espacio de trabajo y se usa una cubierta impermeable para proteger contra el medio ambiente. Ejemplos de tales dispositivos son los dispositivos electrónicos de vacío, donde los electrones caben en el vacío. Las lámparas incandescentes también pueden considerarse dispositivos de vacío.
Gases a bajas presiones
Un gas se dice enrarecido si su densidad es insignificante y la longitud del camino molecular es comparable al tamaño del recipiente en el que se encuentra el gas. En tal estado, se observa una disminución en el número de electrones en proporción a la densidad del gas.
En el caso de un gas altamente enrarecido, prácticamente no hay fricción interna. En cambio, aparece la fricción externa del gas en movimiento contra las paredes, lo que se explica por el cambio en el impulso de las moléculas cuando chocan con el recipiente. En tal situación, existe una proporcionalidad directa entre la velocidad de las partículas y la densidad del gas.
En el caso de bajo vacío, se observan frecuentes colisiones entre partículas de gas en volumen completo, que van acompañadas de un intercambio estable de energía térmica. Esto explica el fenómeno de transferencia (difusión, conductividad térmica), que se utiliza activamente en la tecnología moderna.
Obtención de gases enrarecidos
El estudio científico y el desarrollo de dispositivos de vacío comenzaron a mediados del siglo XVII. En 1643, el italiano Torricelli consiguió determinar el valor de la presión atmosférica, y tras la invención de una bomba mecánica de pistón con un sello especial de agua por parte de O. Guericke, apareció una verdadera oportunidad para realizar numerosos estudios sobre las características de un gas enrarecido. Al mismo tiempo, se estudiaron las posibilidades del impacto del vacío sobre los seres vivos. Los experimentos realizados en el vacío con una descarga eléctrica contribuyeron al descubrimiento de un electrón negativo, la radiación de rayos X.
Gracias a la capacidad de aislamiento térmico del vacío, fue posible explicar los métodos de transferencia de calor y utilizar información teórica para el desarrollo de la tecnología criogénica moderna.
Usando una aspiradora
En 1873 se inventó el primer dispositivo de electrovacío. Se convirtieron en una lámpara incandescente, creada por el físico ruso Lodygin. Desde entonces, el uso práctico de la tecnología de vacío se ha expandido, han aparecido nuevos métodos para obtener y estudiar este estado.
Se han creado varios tipos de bombas de vacío en un corto período de tiempo:
- rotacional;
- criosorción;
- molecular;
- difusión.
A principios del siglo XX, el académico Lebedev logró mejorar los fundamentos científicos de la industria del vacío. Hasta mediados del siglo pasado, los científicos no permitían la posibilidad de obtener una presión inferior a 10-6 Pa.
BActualmente, los sistemas de vacío se construyen completamente de metal para evitar fugas. Las bombas criogénicas de vacío se utilizan no solo en laboratorios de investigación, sino también en diversas industrias.
Por ejemplo, tras el desarrollo de medios de evacuación especiales que no contaminan el objeto utilizado, han aparecido nuevas perspectivas para el uso de la tecnología de vacío. En química, estos sistemas se utilizan activamente para el análisis cualitativo y cuantitativo de las propiedades de las sustancias puras, la separación de una mezcla en componentes y el análisis de la velocidad de varios procesos.
