Le vide est un espace dans lequel il n'y a pas de matière. En physique appliquée et en technologie, cela signifie un milieu dans lequel un gaz est contenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Quels étaient les gaz raréfiés lorsqu'ils ont été découverts ?
Pages d'histoire
L'idée du vide est un sujet de discorde depuis des siècles. Les gaz raréfiés ont essayé d'analyser les anciens philosophes grecs et romains. Démocrite, Lucrèce, leurs élèves croyaient: s'il n'y avait pas d'espace libre entre les atomes, leur mouvement serait impossible.
Aristote et ses disciples ont réfuté ce concept, à leur avis, il ne devrait pas y avoir de "vide" dans la nature. Au Moyen Âge en Europe, l'idée de "peur du vide" est devenue une priorité, elle était utilisée à des fins religieuses.
La mécanique de la Grèce antique, lors de la création d'appareils techniques, était basée sur la raréfaction de l'air. Par exemple, les pompes à eau qui fonctionnaient lorsqu'un vide était créé au-dessus du piston sont apparues à l'époque d'Aristote.
L'état raréfié du gaz, l'air, est devenu la base de la fabrication de pompes à vide à piston, qui sont actuellement largement utilisées dans la technologie.
Leur prototype était la fameuse seringue à piston de Héron d'Alexandrie, créée par luifaire sortir du pus.
Au milieu du XVIIe siècle, la première chambre à vide a été développée, et six ans plus tard, le scientifique allemand Otto von Guerick a réussi à inventer la première pompe à vide.
Ce cylindre à piston pompait facilement l'air d'un récipient scellé, créant un vide à cet endroit. Cela a permis d'étudier les principales caractéristiques du nouvel état, d'analyser ses propriétés opérationnelles.
Aspirateur technique
En pratique, l'état raréfié du gaz, l'air est appelé vide technique. Dans de grands volumes, il est impossible d'obtenir un tel état idéal, car à une certaine température les matériaux ont une densité de vapeur saturante non nulle.
La raison de l'impossibilité d'obtenir un vide idéal est également la transmission de substances gazeuses à travers le verre, les parois métalliques des récipients.
En petite quantité il est tout à fait possible d'obtenir des gaz raréfiés. Comme mesure de la raréfaction, le libre parcours des molécules de gaz qui entrent en collision de manière aléatoire, ainsi que la taille linéaire du récipient utilisé sont utilisés.
Le vide technique peut être considéré comme un gaz dans un pipeline ou un récipient avec une valeur de pression inférieure à celle de l'atmosphère. Un vide faible se produit lorsque les atomes ou les molécules d'un gaz cessent d'entrer en collision les uns avec les autres.
Un vide primaire est placé entre la pompe à vide poussé et l'air atmosphérique, ce qui crée un vide préliminaire. Dans le cas d'une diminution ultérieure de la pression de la chambre, on observe une augmentation de la longueur du trajet des particules gazeuses.substances.
Lorsque la pression est de 10 -9 Pa, un ultra-vide est créé. Ce sont ces gaz raréfiés qui sont utilisés pour mener des expériences à l'aide d'un microscope à effet tunnel.
Il est possible d'obtenir un tel état dans les pores de certains cristaux même à pression atmosphérique, car le diamètre des pores est beaucoup plus petit que le libre parcours d'une particule libre.
Appareils sous vide
L'état raréfié du gaz est activement utilisé dans des appareils appelés pompes à vide. Les getters sont utilisés pour aspirer les gaz et obtenir un certain degré de vide. La technologie du vide comprend également de nombreux dispositifs nécessaires pour contrôler et mesurer cet état, ainsi que pour contrôler des objets, pour effectuer divers processus technologiques. Les dispositifs techniques les plus complexes utilisant des gaz raréfiés sont les pompes à vide poussé. Par exemple, les dispositifs de diffusion fonctionnent sur la base du mouvement de molécules de gaz résiduel sous l'action d'un flux de gaz de travail. Même dans le cas d'un vide idéal, il y a peu de rayonnement thermique lorsque la température finale est atteinte. Ceci explique les principales propriétés des gaz raréfiés, par exemple l'apparition d'un équilibre thermique après un certain intervalle de temps entre le corps et les parois de la chambre à vide.
Le gaz monoatomique raréfié est un excellent isolant thermique. Dans celui-ci, le transfert d'énergie thermique s'effectue uniquement à l'aide du rayonnement, la conductivité thermique et la convection ne sont passont observés. Cette propriété est utilisée dans les vases Dewar (thermoses), constitués de deux récipients, entre lesquels il y a un vide.
Le vide a trouvé une large application dans les tubes radio, par exemple, les magnétrons des kinéscopes, les fours à micro-ondes.
Vide physique
En physique quantique, un tel état signifie l'état d'énergie fondamentale (le plus bas) du champ quantique, qui est caractérisé par des valeurs nulles des nombres quantiques.
Dans cet état, un gaz monoatomique n'est pas complètement vide. Selon la théorie quantique, les particules virtuelles apparaissent et disparaissent systématiquement dans le vide physique, ce qui provoque des oscillations nulles des champs.
Théoriquement, plusieurs vides différents peuvent exister simultanément, qui diffèrent par leur densité d'énergie, ainsi que par d'autres caractéristiques physiques. Cette idée est devenue la base de la théorie inflationniste du big bang.
Faux vide
Cela signifie l'état du champ dans la théorie quantique, qui n'est pas un état avec une énergie minimale. Il est stable sur une certaine période de temps. Il est possible de "tunneliser" un faux état en un vrai vide lorsque les valeurs requises des principales grandeurs physiques sont atteintes.
Espace extra-atmosphérique
Quand on parle de ce qu'est un gaz raréfié, il faut s'attarder sur le concept de "vide cosmique". Il peut être considéré comme proche du vide physique, mais existant dans l'espace interstellaireespace. Les planètes, leurs satellites naturels, de nombreuses étoiles ont certaines forces attractives qui maintiennent l'atmosphère à une certaine distance. Lorsque vous vous éloignez de la surface d'un objet stellaire, la densité du gaz raréfié change.
Par exemple, il y a la ligne Karman, qui est considérée comme une définition commune avec l'espace extra-atmosphérique de la frontière de la planète. Derrière elle, la valeur de la pression de gaz isotrope diminue fortement par rapport au rayonnement solaire et à la pression dynamique du vent solaire, il est donc difficile d'interpréter la pression d'un gaz raréfié.
L'espace extra-atmosphérique regorge de photons, des neutrinos reliques difficiles à détecter.
Caractéristiques de mesure
Le degré de vide est généralement déterminé par la quantité de substance qui reste dans le système. La caractéristique principale de la mesure de cet état est la pression absolue, de plus, la composition chimique du gaz et sa température sont prises en compte.
Un paramètre important pour le vide est la valeur moyenne de la longueur du trajet des gaz restant dans le système. Il existe une division du vide en certaines plages en fonction de la technologie nécessaire aux mesures: faux, technique, physique.
Formage sous vide
Il s'agit de la fabrication de produits à partir de matériaux thermoplastiques modernes sous forme chaude en utilisant une faible pression d'air ou une action sous vide.
Le formage sous vide est considéré comme une méthode d'étirage, à la suite de laquelle la feuille de plastique est chauffée,situé au-dessus de la matrice, jusqu'à une certaine valeur de température. Ensuite, la feuille reprend la forme de la matrice, cela est dû à la création d'un vide entre elle et le plastique.
Appareils d'électrovide
Ce sont des appareils conçus pour créer, amplifier et convertir l'énergie électromagnétique. Dans un tel dispositif, l'air est retiré de l'espace de travail et une coque imperméable est utilisée pour se protéger de l'environnement. Des exemples de tels dispositifs sont les dispositifs électroniques à vide, où les électrons s'insèrent dans le vide. Les lampes à incandescence peuvent également être considérées comme des appareils à vide.
Gaz à basse pression
Un gaz est dit raréfié si sa densité est négligeable et si la longueur du chemin moléculaire est comparable à la taille du récipient dans lequel se trouve le gaz. Dans un tel état, on observe une diminution du nombre d'électrons proportionnellement à la densité du gaz.
Dans le cas d'un gaz très raréfié, il n'y a pratiquement pas de frottement interne. Au lieu de cela, un frottement externe du gaz en mouvement contre les parois apparaît, ce qui s'explique par le changement de la quantité de mouvement des molécules lorsqu'elles entrent en collision avec le récipient. Dans une telle situation, il existe une proportionnalité directe entre la vitesse des particules et la densité du gaz.
Dans le cas du vide faible, on observe de fréquentes collisions entre les particules de gaz en plein volume, qui s'accompagnent d'un échange stable d'énergie thermique. Ceci explique le phénomène de transfert (diffusion, conductivité thermique), qui est activement utilisé dans la technologie moderne.
Obtenir des gaz raréfiés
L'étude scientifique et le développement des appareils à vide ont commencé au milieu du XVIIe siècle. En 1643, l'Italien Torricelli réussit à déterminer la valeur de la pression atmosphérique, et après l'invention d'une pompe à piston mécanique avec un joint hydraulique spécial par O. Guericke, une réelle opportunité se présenta pour mener de nombreuses études sur les caractéristiques d'un gaz raréfié. Parallèlement, les possibilités d'impact du vide sur les êtres vivants ont été étudiées. Des expériences menées dans le vide avec une décharge électrique ont contribué à la découverte d'un électron négatif, le rayonnement X.
Grâce à la capacité d'isolation thermique du vide, il est devenu possible d'expliquer les méthodes de transfert de chaleur, d'utiliser des informations théoriques pour le développement de la technologie cryogénique moderne.
Utiliser un aspirateur
En 1873, le premier appareil à électrovide a été inventé. Ils sont devenus une lampe à incandescence, créée par le physicien russe Lodygin. Depuis lors, l'utilisation pratique de la technologie du vide s'est étendue, de nouvelles méthodes pour obtenir et étudier cet état sont apparues.
Divers types de pompes à vide ont été créés en peu de temps:
- rotatif;
- cryosorption;
- moléculaire;
- diffusion.
Au début du XXe siècle, l'académicien Lebedev a réussi à améliorer les fondements scientifiques de l'industrie du vide. Jusqu'au milieu du siècle dernier, les scientifiques ne permettaient pas d'obtenir une pression inférieure à 10-6 Pa.
BActuellement, les systèmes de vide sont construits entièrement en métal pour éviter les fuites. Les pompes cryogéniques à vide sont utilisées non seulement dans les laboratoires de recherche, mais aussi dans diverses industries.
Par exemple, après le développement de moyens d'évacuation spéciaux qui ne polluent pas l'objet utilisé, de nouvelles perspectives d'utilisation de la technologie du vide sont apparues. En chimie, ces systèmes sont activement utilisés pour l'analyse qualitative et quantitative des propriétés des substances pures, la séparation d'un mélange en composants et l'analyse de la vitesse de divers processus.
