Что мы знаем о вакууме?
В самом строгом смысле вакуум — это область пространства, в которой полностью отсутствует материя. Этот термин представляет собой абсолютную пустоту, и главная его проблема заключается в том, что он описывает идеальное состояние, которое не может существовать в реальном мире. Еще никто не нашел способа создать идеальный вакуум такого типа в земных условиях, и по этой причине термин также используется для описания пустых областей космоса. Но вакуум все же есть и в областях, находящихся чуть ближе к нашей повседневной жизни. Рассказываем, что это такое, простыми словами.
В большинстве случаев вакуум — это емкость, из которой максимально удалены все газы, в том числе воздух. Космическое пространство, действительно, наиболее близко к идеальному вакууму: астрономы считают, что пространство между звездами в некоторых случаях состоит не более чем из одного атома или молекулы на кубический километр.
Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию.
Чтобы поговорить о «земном вакууме», необходимо вспомнить о давлении. Давление возникает в результате воздействия молекул в газе или жидкости на их окружение, обычно на стенки вмещающего сосуда, будь то бутылка газировки или ваша черепная коробка. Величина давления зависит от силы ударов, которые молекулы «наносят» по определенной территории, и измеряется в «ньютонах на квадратный метр» — эта единица измерения имеет специальное название «паскаль».
Соотношение между давлением (p), силой (F) и площадью (A) определяется следующим уравнением: p = F / A — оно применимо независимо от того, низкое ли давление, как, например, в космосе, или же очень высокое, как в гидравлических системах.
В целом, несмотря на то что определение вакуума неточно, обычно под ним понимается давление ниже, а часто и значительно ниже атмосферного. Вакуум образуется при удалении воздуха из замкнутого пространства, в результате которого возникает перепад давления между этим пространством и окружающей его атмосферой. Если пространство ограничено подвижной поверхностью, атмосферное давление будет сжимать ее стенки вместе — величина удерживающей силы зависит от площади поверхности и уровня вакуума. По мере удаления все большего количества воздуха перепад давления увеличивается, и потенциальная сила вакуума также становится больше.
Поскольку удалить все молекулы воздуха из контейнера практически невозможно, невозможно добиться и идеального вакуума.
В промышленных и домашних масштабах (например, если вы решили убрать в вакуумные пакеты зимний пуховик) эффект достигается за счет вакуумных насосов или генераторов разных размеров, которые и удаляют воздух. Насос, состоящий из поршня в цилиндре, прикреплен к закрытой емкости, и с каждым ходом насоса часть газа из баллона удаляется. Чем дольше работает насос, тем лучше создается разрежение в емкости.
Каждый, кто когда-либо откачивал воздух из пакета для хранения одежды, отжимал крышку пластикового контейнера, чтобы выпустить воздух из емкости, или ставил банки (а также ходил на вакуумный массаж), сталкивался в своей жизни с вакуумом. Но, конечно, самый распространенный пример его использования — это обычный бытовой пылесос. Вентилятор пылесоса постоянно удаляет воздух из канистры, создавая частичный вакуум, а атмосферное давление снаружи пылесоса выталкивает воздух в канистру, забирая с собой пыль и грязь, взбалтываемые щеткой в передней части пылесоса.
Еще один пример — это термос. Термос состоит из двух бутылок, вложенных друг в друга, и пространство между ними представляет собой вакуум. В отсутствие воздуха тепло не проходит между двумя бутылками так легко, как это было бы в нормальном состоянии. В результате горячие жидкости внутри контейнера сохраняют тепло, а холодные жидкости остаются холодными, потому что тепло не может в них проникнуть.
Итак, уровень вакуума определяется перепадом давления между внутренним пространством и окружающей атмосферой. Двумя основными ориентирами во всех этих измерениях являются стандартное атмосферное давление и идеальный вакуум. Для измерения вакуума можно использовать несколько единиц, но общепринятая метрическая единица — миллибар, или мбар. В свою очередь, атмосферное давление измеряется барометром, который в простейшем варианте состоит из откачанной вертикальной трубки с закрытым верхним концом и нижним концом, находящимся в контейнере со ртутью, открытом для атмосферы.
Давление атмосферы действует на открытую поверхность жидкости, заставляя ртуть подниматься в трубку. «Нормальным» атмосферным давлением называется давление, равное весу ртутного столба высотой 760 мм, находящегося при температуре 0.0 °C, на широте 45° и на уровне моря.
Уровень вакуума можно измерить несколькими типами манометров:
- Манометр с трубкой Бурдона является компактным и наиболее широко используемым устройством — измерение основано на деформации изогнутой эластичной трубки при приложении вакуума к отверстию манометра.
- Электронным аналогом является вакуумный датчик. Вакуум или давление отклоняют эластичную металлическую диафрагму в датчике, и это отклонение изменяет электрические характеристики взаимосвязанной схемы — в итоге мы получаем электронный сигнал, который представляет уровень вакуума.
- Манометр с U-образной трубкой показывает разницу между двумя давлениями. В простейшем виде этот манометр представляет собой прозрачную U-образную трубку, наполовину заполненную ртутью. Когда оба конца трубки находятся под атмосферным давлением, уровень ртути в каждом колене одинаков. Приложение вакуума к одной стороне заставляет ртуть в ней подниматься и опускаться с другой стороны — разница в высоте между двумя уровнями и показывает уровень вакуума.
На шкалах большинства манометров атмосферному давлению присвоено нулевое значение, следовательно, измерения вакуума всегда должны быть меньше нуля.
