vakuum

I 1657 demonstrerte Otto von Guericke effekten av vakuum med sine Magdeburg-halvkuler
Det ytre lufttrykket presser Magdeburg-halvkulene sammen
a) halvkuler fylt med luft
b) luftfrie halvkuler
1. Håndtak
2. lufttett forsegling
3. Magdeburg-halvkule
4. Lufttrykk
5. (i stor grad) vakuum
Bell jar med stempelvakuumpumpe for skoleeksperimenter

I teknisk praksis er et vakuum et rom der det er et betydelig fravær av materie . Det er ingen faste gjenstander eller væsker i vakuum, bare ekstremt lite gass og derfor et ekstremt lavt gasstrykk . Et teknisk vakuum opprettes ved å fjerne (gass) molekyler fra en beholder med en pumpe ; trykket i det synker (gasstrykket skapes av gassmolekylene som kolliderer mot beholderveggen). Pumpingen skaper et undertrykk, dvs. et trykk som er lavere enn omgivelsestrykket. Hvis trykket i beholderen faller under 300 mbar, og hvis molekyler fjernes lenger og lenger fra rommet, får man et grovt vakuum, fint vakuum, høyt vakuum og til slutt ultra-høyt vakuum i rekkefølge. Å skape et vakuum betyr også "evakuering". Det tekniske vakuumet, slik det kunne opprettes på begynnelsen av 1900-tallet, var forutsetningen for innføring av glødelamper og elektronrør . Siden den gang har det utviklet seg et bredt spekter av vakuumteknologier.

I fysikk betegner vakuum også et teoretisk konsept, nemlig det totale fraværet av materie i et romlig område.

Mulighet for vakuum

I det kjente universet er det ikke noe fullstendig vakuum, og det kan ikke opprettes med kjente tekniske midler. Den plass er, for eksempel, med en tynn hydrogengass fylt.

Spørsmålet om den teoretiske muligheten for et tomt rom ble først  stilt i Vesten av de greske filosofene før Sokrates - før-sokratikerne . Utgangspunktet deres var ikke det vitenskapelige spørsmålet om tomt rom, men det mer generelle filosofiske spørsmålet om ingenting - om det kan tenkes. Mot samme filosofiske bakgrunn vendte Empedokles (rundt 433 f.Kr.) og Leukippus (rundt 450 til rundt 420 f.Kr.) samt Demokrit (rundt 460 til rundt 370 f.Kr.) seg til spørsmålet om tomrom.

Spørsmålet om muligheten for et absolutt tomt rom er fortsatt ikke løst i fysikken. I henhold til kvantefeltsteori blir virtuelle partikler stadig skapt og ødelagt overalt . Generelt forstås vakuum bare å bety fravær av materie. Elektromagnetisk stråling og andre fysiske felt kan være til stede i det aktuelle rommet.

Definisjoner

På språket blir ordet vakuum brukt om et stort sett vakuum. (Med vakuumpakning ("støvsuging") oppnås imidlertid vanligvis ikke engang grovt vakuum.) Teknologi og eksperimentell fysikk bruker også begrepet i denne forstand: Vakuum beskriver tilstanden til en gass i et volum ved et trykk som er betydelig lavere enn det Atmosfærisk trykk under normale forhold . Avhengig av rådende resttrykk, snakker man om grovt vakuum , fint vakuum , høyt eller ultra høyt vakuum .

“Vakuum er tilstanden til en gass når gassens trykk og dermed partikkelantettheten i en beholder er lavere enn utenfor eller når gassens trykk er lavere enn 300 mbar, dvs. H. lavere enn det laveste atmosfæretrykket som forekommer på jordoverflaten "

- DIN 28400 del 1 (mai 1990): vakuumteknologi; Begreper og definisjoner; Generelle vilkår.

I kvantefeltteori er vakuum tilstanden med lavest mulig energi. Partikkeltallene for alle typer partikler ( feltkvanta ) har verdien null. Men hvis det nullpunkt energi er avledet fra Plancks stråling formel, da på grunn av den energi-tidsusikkerhet forhold følger det at virtuelle partikler blir stadig opprettet i vakuum og deretter ødelagt igjen. Disse kalles også vakuumfluktuasjoner .

I motsetning til naturvitenskapen ser filosofien vakuum som i utgangspunktet helt tomt rom.

Utforskningshistorie

Ideen om vakuumet kommer sannsynligvis fra Leukippus eller hans student Demokrit og var en bærebjelke i verdensbildet til den epikuriske filosofien. Dette sier at materie består av udelbare små partikler (flertall: ατόμοι atómoi ), som beveger seg i tomt rom, dvs. i vakuum, og bare har muligheten for bevegelse og interaksjon på grunn av tomhet i rommet. Denne antagelsen ble avvist både av Platon , som benektet eksistensen av "ikke-væren", og av Aristoteles , siden bevegelse uten drivende medium så ut til å være umulig. Mellomrommet mellom stjernene ble også antatt å være fylt med en eter . Aristoteles postulerte naturens aversjon mot tomhet, som senere ble betegnet med det latinske uttrykket horror vacui . I middelalderen og tidlig renessanse ble Aristoteles ansett som en autoritet. René Descartes var overbevist om umuligheten av et vakuum fordi han, basert på rasjonalistiske betraktninger, kom til den oppfatningen at rom og materie egentlig er de samme.

Ideen om et vakuum var bare i stand til å få aksept gjennom demonstrasjoner. Det første jordiske (eller menneskeskapte) vakuumet ble opprettet i 1644 av Evangelista Torricelli ved hjelp av en kvikksølvkolonne i et buet glassrør. Rett etterpå kunne Blaise Pascal bevise for første gang med sitt berømte eksperiment vide dans le vide i november 1647 at et vakuum faktisk kan eksistere. Vakuumet ble populært gjennom Otto von Guericke , oppfinneren av luftpumpen . I 1657 heklet han hester til to metallhalvkuler (se Magdeburg-halvkuler ), hvorfra han tidligere hadde sugd luften. Imidlertid er den observerte effekten ikke en direkte egenskap for vakuumet, men snarere på grunn av trykket fra den omgivende luften.

Robert Williams Wood først observert tunnel effekt i et vakuum under feltet utslipp av elektroner i 1897 , men var ennå ikke i stand til å tolke denne effekten.

På slutten av 1800-tallet ble det fortsatt antatt at lys ikke kunne spre seg i vakuum, men i et medium, den såkalte eteren . Den Michelson-Morley eksperimentet forsøkt forgjeves å bevise eksistensen av en slik eter. På grunn av den generelle aksept av Einsteins spesielle relativitetsteori fra 1905, betraktes eterkonseptet som foreldet, og utbredelsen av lys i et vakuum er bevist.

De sprednings tester utført ved Ernest Rutherford i 1911 viste at alfa-stråling kan krysse en gullfolie uten motstand. Dette viste at massen av atomer er konsentrert i en liten kjerne sammenlignet med deres totale størrelse. Basert på dette designet Niels Bohr en modell som elektronene kretser rundt atomkjernen som planetene solen. Så det så ut til å være et vakuum i og mellom atomene. Selv om dette synspunktet fremdeles noen ganger finnes i litteraturen, anses det indre av atomene nå å være fylt med områdene der elektronene holder seg ( atomorbitaler ).

Ifølge dagens forståelse er imidlertid vakuumet, som allerede beskrevet ovenfor, ikke tomt, selv om den kvantemekaniske jordtilstanden har en endelig energitetthet, noe som for eksempel merkes i Casimir-effekten eller spontan utslipp .

kjennetegn

Trykkområder

Mens et helt materialfritt rom ikke kan produseres, kan tekniske støvsugere produseres i forskjellige kvaliteter. I teknologi skilles det mellom forskjellige kvaliteter av vakuumet oppnådd i henhold til mengden gjenværende materie. Som standard er trykket spesifisert i Pascal (Pa) eller millibar (mbar). I juli 2019, med ISO 3529-1: 2019, ble vakuumområdene delt inn som følger:

Klassifisering basert på trykkområdene
Trykkområde Trykk i hPa (mbar) Molekyler per cm³ gjennomsnittlig fri vei (fiktiv luftpartikkel)
Normalt trykk 1013,25 2,7 · 10 19 68 nm
Lavt vakuum omgivelsestrykk… 1 10 19 … 10 16 0,1 ... 100 mikrometer
Fin vakuum 1… 10 −3 10 16 … 10 13 0,1 ... 100 mm
Høyt vakuum (HV) 10 −3 ... 10 −8 10 13 … 10 8 100 mm ... 10 km
Ultra høyt vakuum (UHV) 10 −8 ... 10 −11 10 8 … 10 5 10 ... 10 4  km
ekstremt høyt vakuum (XHV) <10 −11 <10 5 > 10 4  km
Ideelt vakuum (IV) 0 0

Trykkområdet mellom omgivelsestrykk og ca. 300 mbar blir ofte referert til som undertrykk i stedet for grovt vakuum.

Uttrykket “maksimalt vakuum” for trykk under høyt vakuum brukes også utdatert.

Når du pumper ut et fartøy, bygger den mekaniske belastningen fra det ytre lufttrykket opp til et fint vakuum. Grensen til det fine vakuumet kan fremdeles lett nås med mekaniske pumper. I det fine vakuumområdet når den frie banen de typiske dimensjonene til vakuumkarene, slik at den viskøse strømmen endres til molekylstrømmen via Knudsen- strømmen . Den rådende typen flyt har ikke bare en grunnleggende innflytelse på bruken av vakuumet, men også på selve vakuumgenerering og -måling. I det brede spekteret av høyt vakuum øker varigheten hvert punkt på overflaten av en gjenværende gasspartikkel i gjennomsnitt en time per år, noe som er tilstrekkelig for mange eksperimenter. I UHV-området begynner damptrykkene til byggematerialer å forstyrre, f.eks. B. blyforurensning i aluminium. Et ideelt vakuum er teknisk sett verken oppnåelig eller målbart.

Forekomst og eksempler i henhold til vakuumkvalitet:

Måleenheter for å bestemme gasstrykket i et vakuum kalles vakuummålere .

Fysiske egenskaper

Permittivitet
permeabilitet
Bølgemotstand
Lysets hastighet

Lys , partikler , elektriske , magnetiske og gravitasjonsfelt spres i vakuum; på den annen side krever lydbølger et materielt medium og kan derfor ikke forplante seg i et ideelt vakuum. Termisk stråling kan også forplante seg som en elektromagnetisk bølge i vakuum. På den annen side fører senking av trykket til en reduksjon av materialbundet varmeoverføring ved konveksjon, og så snart den gjennomsnittlige frie banen er større enn beholderdiameteren, også den ledende varmeledningen.

Reduksjonen av varmestrøm gjennom et vakuum anvendes for termisk isolasjon (vakuum kanner , Dewar fartøyer , vakuum isolasjonsplater ).

Den høye dielektriske styrke av den høyt vakuum blir brukt i vakuumeffektbrytere , i vakuum kondensatorer i høy ytelse elektronikk og i den høyspente del av evakuerte røntgenrør . Når trykket reduseres, faller den dielektriske styrken til å begynne med betydelig på grunn av dannelsen av et lavtrykksplasma . Først når den frie banen til ionene som produseres under sammenbruddet blir større enn elektrodeavstanden, stiger den dielektriske styrken bratt igjen og er først da begrenset igjen av feltemisjonen. Dette kan estimeres ved bruk av Paschens lov .

Biologiske effekter

Vakuumet er ikke et boareal fordi levende ting avhenger av materie for stoffskiftet. Imidlertid kan mange levende ting (bakteriesporer, plantefrø og sporer) overleve i vakuum i en viss periode.

I kort tid kan høyere levende vesener som friske mennesker tåle vakuumet, eksperimenter med fugler ble dokumentert i bildet “ Eksperimentet med fuglen i luftpumpen ”. I motsetning til hva mange tror, ​​begynner ikke blodet å koke til tross for trykkforskjellen. Hud og vev tåler vanligvis damptrykket til kroppsvæsker på mindre enn 0,05 bar (normalt lufttrykk er 1 bar). Uansett kan redusert trykk føre til dekompresjonssykdom eller høydesyke .

generasjon

Et vakuum kan opprettes på jorden ved å bruke egnede vakuumpumper for å frigjøre et lukket hulrom, mottakeren , fra gassen den inneholder . Den enkleste enheten er vannstrålepumpen ; det skaper et grovt vakuum som tilsvarer vanndamptrykket ved den rådende vanntemperaturen (f.eks. 23 hPa (eller mbar) ved 20 ° C).

Høyt vakuum

I fysikk og overflatekjemi brukes vanligvis flere typer pumper for å generere et høyt eller ultrahøyt vakuum . Først og fremst genererer en eller flere mekanisk fungerende pumper (f.eks. Roterende vingepumpe , membranpumpe eller rullepumpe ) et undertrykk ("fortrykk") i hulrommet i området fra 1 til 100 Pa (0,01 til 1 mbar). Avhengig av størrelsen på hulrommet og pumpekapasiteten til pumpene, tar dette for eksempel noen minutter. Etterpå settes en turbomolekylær pumpe (eller den billigere oljediffusjonspumpen for lavere krav ) inn mellom denne støttepumpen (e) og hulrommet ved hjelp av ventiler , noe som  skaper et høyt vakuum på rundt 10 −7 mbar i en prosess som tar opptil flere timer . Dette trykket kan ikke lenger reduseres ved å fortsette å pumpe, ettersom vann og andre stoffer med lavt damptrykk adsorbert på overflater stadig blir desorbert .

Desorpsjonen akselereres ved at kammeret bringes til en temperatur ved direkte oppvarming av kammerveggene og indirekte termisk oppvarming av de indre overflatene, som i det minste er over vannets kokepunkt , men om mulig betydelig høyere. De innebygde komponentene, som foringer for elektriske tilkoblinger og visningsvinduer, må være tilsvarende temperaturbestandige. Temperaturene for denne oppvarmingen er vanligvis mellom 130 ° C og over 200 ° C. Siden vakuumapparater må tåle det atmosfæriske oksygenet som er tilstede utenfor selv ved denne temperaturen, er de ofte laget av rustfritt stål eller glass, med tetninger laget av aluminium eller teflon .

Det meste av desorbert vann pumpes ut av turbomolekylær pumper under utbrenningsprosess, som er en hvilken som helst hydrokarbon- forurensning . Dette tar vanligvis 24 timer eller mer; Når det gjelder kamre med komplekse innvendige overflater på grunn av festet utstyr, blir oppvarmingen ofte slått av etter to til tre dager.

Ultra høyt vakuum

Ikke-mekaniske pumper brukes til å oppnå det ultrahøye vakuumet. En ionegetterpumpe pumper gjennom ionisering og fangst av de gjenværende gassmolekylene i titanrør i et trykkområde på 10 −10 til 10 −7 mbar. Pumpekraften er bare tilstrekkelig her hvis oppvarmingen tidligere har redusert restgasstrykket tilstrekkelig. En titansublimeringspumpe fungerer med titan som er fersk sublimert på en vegg, som er preget av høy kjemisk reaktivitet og binder gjenværende gassatomer til seg selv og (den kalde) kammerveggen, slik at det gjenværende gasstrykket reduseres ytterligere. Det gjenværende gasstrykket som kan oppnås med metoden beskrevet ovenfor, er i området 10 −11  mbar.

Ytterligere restgass kan være midlertidig bundet av kalde feller i den nedre delen av kammeret, og kammertrykket kan reduseres til omtrent 10 - 12  mbar. Hvis hele kammeret er nedsenket i flytende helium, kan trykk under 10 −16  mbar oppnås.

applikasjoner

Tekniske støvsugere brukes i forskning, elektronmikroskopi , smelting av metalliske materialer og produksjon av mikroelektronikk. Et lavt vakuum brukes ofte til å holde og / eller transportere flate arbeidsemner ved hjelp av sugegripere .

Vakuum brukes ofte til varmebehandling av metaller ( herding , herding , nitrering , karburer ) for å forhindre oksidasjon av oksygen i luften.

Glødelamper og dermed elektrisk lys ble bare mulig takket være vakuumet. Spesielt med Edisons glødelampe med karbonfilament forhindret vakuumet glødetråden fra å brenne (se også karbonfilamentlampe ); først senere ble glødelamper laget med fylling av nitrogen eller annen gass som ikke støtter forbrenning.

I det indre av elektronrør og billedrør er det høyt vakuum for å holde spredningen av elektroner lav. Gjenværende og senere diffuserende gassrester er bundet med en getter . Det høye vakuumet i elektronrør (inkludert billedrør), røntgenrør , magnetroner , elektronstrålekilder , partikkelakseleratorer , vakuumfluorescerende skjermer og lignende. øker elektronenes frie bane til størrelsesorden for hele fartøyet, slik at det knapt er kollisjoner med gassrester som ellers vil forstyrre partikkelstrålen.

Evakuering som produksjonsprosess (DIN 8580)

I henhold til DIN 8580 produksjonsprosess - vilkår, klassifisering , er evakuering en av produksjonsprosessene , noe som betyr å skape et vakuum i hule kropper eller hulrom i et arbeidsemne. Det kan være et permanent vakuum som kreves for at arbeidsemnet skal fungere, slik det er tilfelle med elektronrør, eller evakuering er forutsetningen for å fylle inn en beskyttende gass , slik det er brukt i elektrisk koblingsteknologi for gnistutslettelse.

Vakuum i prosessteknikk

Den avgassing under vakuum, på den annen side, hører til feltet av prosessteknikk som en såkalt separasjonsprosess . Kjernetrinnet til plastinering , tvungen impregnering , bruker vakuum for å trekke ut aceton eller diklormetan fra prøven .

Den frysetørkingen fjerner stoffer som vann, ved frosset og utsatt for et vakuum. Når frysetørk kaffe, te, grønnsaker, blod eller biologiske preparater , sublimering foregår, den isen går direkte inn i gassfase, er det ingen væskefase som kunne koke.

Krystalliseringsprosessen i sukkerproduksjon foregår under vakuum for å forhindre karamellisering på grunn av det lavere kokepunktet for sukkeroppløsningen når vann fjernes.

Vakuum i kjemi

Siden væskens kokepunkt også faller med fallende omgivelsestrykk, kan høykokende stoffer destilleres mer forsiktig i vakuum ved lavere temperaturer ( vakuumdestillasjon ). Som en grov regel, hvis trykket halveres, synker kokepunktet med rundt 10 til 15 K.

Vakuum for konservering og vakuumkoking

Et annet anvendelsesområde er emballasje av mat ( vakuumpakning ) og andre lett bedervelige produkter under vakuum. De forgjengelige produktene er innkapslet i gass-tette plasthylser . På grunn av den lille mengden oksygen som er igjen i luften, kan aldrings- og nedbrytingsprosesser ( metabolske og oksidasjonsprosesser ) bare finne sted i svært begrenset grad, noe som gjør at produktet varer lenger.

I husholdningen kan mat pakkes i poser og evakueres med vakuumforseglere, slik at posefilmen påføres de pakkede varene; dette betyr at mindre oksygen når maten. I tillegg reduseres volumet. Vakuumforseglerne som brukes kan bare generere grovt vakuum.

Når maten konserveres / konserveres , steriliseres den og eventuelle gasser den inneholder, blir utvist. Det gjenværende "luftrommet" i murerkrukken kan i stor grad tas opp av vanndamp. Tetningsringene opprettholder et bedre grovt vakuum over lengre perioder; resten av luften blir også sterilisert.

Ved vakuumkoking tilberedes den vakuumpakkede maten (kjøtt, grønnsaker osv.) Enten i et vannbad eller i temperaturstyrt damp ved temperaturer under 100 ° C og beholder dermed sin struktur og aroma bedre enn ved konvensjonelle tilberedningsmetoder. Ved vakuumsteking z. B. av potetgull handler hovedsakelig om de lavere temperaturene når man steker dannelsen av skadelige biprodukter fra Maillard-reaksjonen slik. B. for å forhindre eller redusere akrylamid .

Støvsug som varmeisolator

Den lave varmeoverføring i vakuum blir brukt i vakuum mugger og Dewar flasker , samt i vakuumrør samlere og sjelden også i flerglass isolerglassruter og vakuumisolasjonsplater .

Det er dobbeltruteisolasjonsglass der det er vakuum i stedet for edelgass mellom rutene. Fordi de to rutene deformeres under lufttrykket på den ene siden av rutene, kreves det iøynefallende gjennomsiktige avstandsstykker mellom rutene fordelt over overflaten. Resultatet er en forholdsvis tynn og lett glass med svært lav varmeledningsevne.

Vakuum av plass

Vakuumet som hersker i rommet i det interstellare rommet eller i det intergalaktiske rommet, er bedre enn noe vakuum som kan produseres på jorden. Imidlertid er ikke rommet heller helt tomt, men inneholder et gjennomsnitt på en partikkel per cm³, men innenfor hulrom betydelig mindre (opptil 1 partikkel per kubikkmeter). Statiske elektriske og magnetiske felt, gravitasjonsfelt så vel som elektromagnetiske bølger (fotoner) og partikkelstrømmer ( nøytrinoer , kosmiske stråler , partikler) forekommer også der (se også plenisme ).

Miljøparametere i nær jord og fjerntliggende rom
Trykk i mbar Partikler per m³ gjennomsnittlig fri sti i km
Interplanetarisk rom <10 −18 <10 4 < 10 11
GEO < 10 −17 < 10 5 > 10 10
ytre Van Allen-belte < 10 −13 ... 10 −9 < 10 90 … 10 13 < 10 6
LEO < 10 −70 ... 10 −8 < 10 15 … 10 14 < ≈ 2

Kunstige satellitter og romfølere er derfor underlagt spesielle konstruksjonskrav: Kontrollen av varmebalansen (interne varmekilder og solstråling) kan bare utføres gjennom varmeledning og stråling, varmeutslipp og absorpsjon må være gjennom delvis absorberende, strålende eller reflekterende elementer (persienner, varmestråler) Varmeavleder, varmerør ).

I skyggen av solen kan stråling også produsere svært lave temperaturer på en målrettet måte på grunn av vakuumet (f.eks. For infrarøde og radiobølgestrålingssensorer ).

litteratur

weblenker

Wiktionary: vacuum  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser
Commons : Vacuum  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wikiquote: Void  - Sitater

Individuelle bevis

  1. ^ Henning Genz: Vakuum. I: Spektrum.de. 1998, åpnet 19. januar 2017 .
  2. BASE-antiprotonene feirer sin første bursdag. 21. desember 2016, åpnet 21. desember 2016 .
  3. Menneskekroppen i et vakuum. I: Spør en astrofysiker. NASA, 3. juni 1997, åpnet 6. januar 2008 .
  4. ^ Wolfgang Beitz, Karl-Heinz Küttner: Lommebok for maskinteknikk . Springer, Berlin 2013, s. 1008.
  5. Produsentinformasjon. ( Memento 27. mars 2016 i Internet Archive ) pilkington.com
  6. ^ Bine informasjonstjeneste energiforskning for praksis
  7. Birgit Strackenbrock: Technologies for the 21st Century. I: Brockhaus Mensch, Natur, Technik. Leipzig 2000, ISBN 3-7653-7945-X , s. 598.