Pagal fizikos apibrėžimą, „vakuumo“sąvoka reiškia, kad tam tikroje erdvėje nėra jokios medžiagos ir materijos elementų, šiuo atveju kalbama apie absoliutų vakuumą. Dalinis vakuumas stebimas, kai medžiagos tankis tam tikroje erdvės vietoje yra mažas. Pažvelkime į šią problemą atidžiau šiame straipsnyje.
Vakuumas ir slėgis
Sąvokos „absoliutus vakuumas“apibrėžime kalbame apie materijos tankį. Iš fizikos žinoma, kad jei atsižvelgiama į dujinę medžiagą, tada medžiagos tankis yra tiesiogiai proporcingas slėgiui. Savo ruožtu, kai kalbama apie dalinį vakuumą, tai reiškia, kad medžiagos dalelių tankis tam tikroje erdvėje yra mažesnis nei oro, esant normaliam atmosferos slėgiui. Štai kodėl vakuumo klausimas yra slėgio toje sistemoje klausimas.
Fizikoje absoliutus slėgis yra dydis, lygus jėgos santykiui(matuojama niutonais (N)), kuri statmenai taikoma tam tikram paviršiui, šio paviršiaus plotui (matuojama kvadratiniais metrais), tai yra, P=F / S, kur P yra slėgis, F yra jėga, S yra paviršiaus plotas. Slėgio vienetas yra paskalis (Pa), taigi 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Dalinis vakuumas
Eksperimentiškai nustatyta, kad esant 20 °C temperatūrai Žemės paviršiuje jūros lygyje atmosferos slėgis yra 101 325 Pa. Šis slėgis vadinamas 1-ąja atmosfera (atm.). Apytiksliai galime pasakyti, kad slėgis yra 1 atm. lygus 0,1 MPa. Atsakydami į klausimą, kiek atmosferų yra 1 paskalyje, sudarome atitinkamą proporciją ir gauname, kad 1 Pa=10-5 atm. Dalinis vakuumas atitinka bet kokį slėgį nagrinėjamoje erdvėje, kuris yra mažesnis nei 1 atm.
Jei nurodytus skaičius iš slėgio kalbos išverstume į dalelių skaičiaus kalbą, tai reikėtų pasakyti, kad esant 1 atm. 1 m3 oro yra maždaug 1025 molekulių. Sumažėjus nurodytai molekulių koncentracijai, susidaro dalinis vakuumas.
Vakuuminis matavimas
Dažniausiai naudojamas prietaisas mažam vakuumui matuoti yra įprastas barometras, kurį galima naudoti tik tada, kai dujų slėgis yra keliasdešimt procentų atmosferos slėgio.
Norint išmatuoti didesnes vakuumo vertes, naudojama elektros grandinė su Wheatstone tiltu. Naudojimo idėja yra išmatuotijutimo elemento varža, kuri priklauso nuo aplinkinės molekulių koncentracijos dujose. Kuo didesnė ši koncentracija, tuo daugiau molekulių patenka į jutimo elementą ir kuo daugiau šilumos jis perduoda jiems, dėl to sumažėja elemento temperatūra, o tai turi įtakos jo elektrinei varžai. Šiuo prietaisu galima matuoti vakuumą esant 0,001 atm slėgiui.
Istorijos fonas
Įdomu pastebėti, kad „absoliutaus vakuumo“sąvoką visiškai atmetė garsūs senovės graikų filosofai, tokie kaip Aristotelis. Be to, apie atmosferos slėgio egzistavimą buvo žinoma tik XVII amžiaus pradžioje. Tik atėjus Naujajam amžiui buvo pradėti eksperimentuoti su vandens ir gyvsidabrio pripildytais vamzdeliais, kurie parodė, kad žemės atmosfera daro spaudimą visiems aplinkiniams kūnams. Visų pirma, 1648 m. Blaise'as Pascalis sugebėjo išmatuoti slėgį naudodamas gyvsidabrio barometrą 1000 metrų virš jūros lygio aukštyje. Išmatuota vertė pasirodė daug mažesnė nei jūros lygyje, todėl mokslininkas įrodė atmosferos slėgio egzistavimą.
Pirmasis eksperimentas, kuris aiškiai parodė atmosferos slėgio galią ir taip pat pabrėžė vakuumo sąvoką, buvo atliktas Vokietijoje 1654 m., dabar žinomas kaip Magdeburgo sferos eksperimentas. 1654 m. vokiečių fizikas Otto von Guericke sugebėjo glaudžiai sujungti du metalinius pusrutulius, kurių skersmuo buvo tik 30 cm, ir tada išpumpuoti orą iš gautos konstrukcijos, taip sukurdamasdalinis vakuumas. Istorija pasakoja, kad dvi komandos po 8 arklius, kurios traukė priešingomis kryptimis, negalėjo atskirti šių sferų.
Absoliutus vakuumas: ar jis egzistuoja?
Kitaip tariant, ar yra erdvėje vieta, kurioje nėra jokios materijos. Šiuolaikinės technologijos leidžia sukurti 10-10 Pa ir net mažesnį vakuumą, tačiau šis absoliutus slėgis nereiškia, kad nagrinėjamoje sistemoje neliko medžiagų dalelių.
Dabar atsigręžkime į tuščiiausią erdvę Visatoje – į atvirą erdvę. Koks yra slėgis erdvės vakuume? Slėgis erdvėje aplink Žemę yra 10-8 Pa, esant tokiam slėgiui, 1 cm tūryje yra apie 2 milijonai molekulių3. Jei kalbėtume apie tarpgalaktinę erdvę, tai, pasak mokslininkų, net joje yra bent 1 atomas 1 cm tūryje3. Be to, mūsų Visata yra persmelkta elektromagnetinės spinduliuotės, kurios nešėjai yra fotonai. Elektromagnetinė spinduliuotė yra energija, kurią galima paversti atitinkama mase pagal garsiąją Einšteino formulę (E=mc2), tai yra, energija kartu su medžiaga yra materijos būsena.. Tai leidžia daryti išvadą, kad mums žinomo absoliutaus vakuumo Visatoje nėra.
