Вакуум это? Эффект и определение вакуума

Вакуум — это пространство, лишенное вещества. Технический вакуум — это сильно разреженный газ.

Оглавление:

 

Что такое вакуум?

Вакуум представляет собой пространство, освобожденное от какого-либо вещества (в переводе с латыни vacuus обозначает «пустой»). Данное понятие имеет ряд определений, в частности технический, физический, космический вакуум и др. При этом в технике под вакуумом подразумевают среду, которая состоит из очень разреженного газа.

На Земле имеется атмосферное давление, принимаемое за единицу (т. е. одна атмосфера). Этот показатель изменяется согласно погодным условиям, высоте относительно уровня моря. Однако это не столь значимо для понимания определения вакуума. При этом техническим вакуумом считают давление менее одной атмосферы. К примеру, если взять какую-либо емкость с давлением в одну атмосферу, закрыть ее герметично, а затем начать откачивать оттуда воздух, в емкости появится разрежение. Это и будет ответом на то, что такое вакуум.

Чисто теоретически вакуум, который максимально возможен в таком сосуде, будет составлять ноль атмосфер. Однако на практике нереально устранить оттуда все воздушные молекулы. Ведь в любой емкости, из которой выкачан воздух (газ), в любом случае останется минимальное число молекул. Это остаточное давление, которое остается в камере после откачивания газа.

Идеального вакуума нереально добиться на практике в макроскопических объемах, потому как при конечной температуре различные материалы отличаются ненулевой плотностью своих насыщенных паров. Помимо этого, многие из них (а именно толстые стенки сосудов из металла либо стекла) пропускают газы. А вот в микроскопическом объеме достичь идеального вакуума, в принципе, можно.

Еще одним определением вакуума технического будет состояние, при котором молекулы либо атомы газа в емкости перестают совершать столкновения. При этом выделяют несколько типов вакуума. В рамках того, что мы рассматриваем все о вакууме, разберемся в каждом из них.

1. Низкий (или форвакуум). На один кубический сантиметр приходится 1016 молекул.

2. Высокий. Соответственно, 1011 молекул, или 10–5 мм ртутного столба.

3. Сверхвысокий. Это 10–9 мм ртутного столба и менее (миллиард на кубический сантиметр).

Даже в идеале в вакууме неизбежно присутствует некое тепловое излучение (или газ фотонов). И помещенное туда тело всегда приходит в тепловое равновесие со стенками сосуда. Вакуум — это хороший теплоизолятор, теплопроводность здесь исключаются. Данное свойство успешно применяется в термосах — это емкости с двойными стенками, между ними наблюдается вакуум. Кроме того, на эффекте вакуума основаны разные приборы, к примеру, радиолампы и электронно-лучевые трубки.

Устройство вакуумного насоса

Для образования и поддержания эффекта вакуума используются особые насосы. При различной конструкции данные аппараты имеют единый принцип работы. Оборудование вытесняет воздушные молекулы (или частицы прочих газов) из камеры либо из выходного патрубка агрегата, имеющего более высокое давление (речь идет о последовательном подключении). В ходе устранения воздуха меняется давление, в итоге газовые частицы перемещаются в нужном направлении.

Откачивание газа осуществляется за счет того, что объем камеры периодически изменяется.

Ключевые условия, которые должен обеспечивать вакуумный насосный аппарат, — сформировать вакуум заданного уровня, откачав для этого из определенного пространства всю газовую среду, и выполнить эту операцию в течение конкретного времени. Когда же не выполняется одно из этих условий, например не поддерживается нужное давление, подключается специальный форвакуумный насос: он дополнительно уменьшает давление. Данный принцип работы базируется на последовательном подключении. Когда же насос обеспечивает заданную величину вакуума, но не дает необходимой скорости откачивания, то используется уже другой вспомогательный аппарат. Здесь подключение будет напоминать параллельное.

Степень вакуума, который формирует насос, определяет герметичность рабочего пространства, которое создают элементы агрегата. Для необходимой герметичности используется специальное масло. Такой насос называют масляным. Аппараты же, которые работают без масла, именуются сухими.

Классификация вакуумных насосных аппаратов

Вакуумные насосы подразделяют по типу вакуума, а также по устройству. Общая зона давления, с которой работают такие агрегаты, составляет диапазон 105–10−12 Па. Агрегаты классифицируют на низко-, средне-, высоко- и сверхвысоковакуумные.

Согласно принципу действия вакуумное оборудование бывает механическим и физико-химическим. Первое включает такие типы:

Среди физико-химических аппаратов выделяются магниторазрядные, струйные (паромасляные диффузные и бустерные), криогенные, сорбционные.

В вакуумных насосных устройствах выделяется две ключевые технологии работы с газовой средой: ее перекачивание или улавливание. Аппараты, функционирующие по первой технологии, делят на кинетические и устройства объемного действия. Первые не обладают герметичной вакуумной камерой, однако способны при небольшом давлении добиваться высокого коэффициента сжатия. Устройства же объемного вытеснения функционируют посредством механического улавливания воздуха и транспортировки его через насос. В герметичной камере газ уменьшается до меньшего объема, после чего удаляется в атмосферу либо в другой насосный аппарат.

Как правило, кинетические и объемные аппараты работают последовательно, что обеспечивает создание вакуумного пространства более высокого уровня, а также расхода. К примеру, кинетический (его также называют «турбомолекулярный») насос поставляют в комплекте с винтовым.

Оборудование, которое функционирует по методу улавливания газа, поглощает молекулы на поверхности. Такие агрегаты характеризуются меньшим расходом, нежели перекачивающие. Работают они посредством криогенной конденсации, химической либо ионной реакции, лишены движущихся элементов.

Проверка насоса на вакуум

Вакуумный насос работает под непрерывной нагрузкой. И для бесперебойной службы его состояние постоянно контролируется. Для этой цели используются специальные приборы — вакуумметры и течеискатели. Первые контролируют давление, создаваемое аппаратом, вторые отыскивают в системе течь.

Вакуумметры бывают разных типов (классические, мембранные, терморезисторные, изоляционные и др.). Конкретный тип определяется принципом действия насосного аппарата.

Применение вакуумного оборудования

Если раньше эффект вакуума применяли лишь в научных лабораториях при проведении исследований, то с развитием технологий, оборудования он стал востребован для разнообразных целей. Соответственно, вакуумные насосные аппараты сегодня используют в следующих сферах промышленности и науки.

1. В ходе лабораторных исследований и физических экспериментов, при изучении элементарных частиц, при испытаниях, в процессе которых имитируются космические условия.

2. В нефтедобывающей сфере и производстве нефтепродуктов. Специализированное мощное вакуумное оборудование дает возможность перегонять нефть более качественно, синтезировать эфиры, регенерировать растворители.

3. В целлюлозно-бумажном производстве. Для выделения целлюлозы, формирования бумажного полотна необходим эффект вакуума.

4. В пищевой промышленности, при создании вакуумной упаковки. Современное пищевое производство трудно представить без герметичной упаковки, она в разы повышает срок хранения продуктов.

5. В металлургии. Эффект вакуума здесь — настоящая находка. Плавка металлов при разном давлении позволяет корректировать механические характеристики сплавов, готовых изделий.

6. В деревообработке, стекольной промышленности, в том числе для производства высококачественной оптики.

7. В медицинских лабораториях забор крови производится вакуумной пробиркой. За счет этого процесс стал почти безболезненным, более стерильным, улучшились стандарты качества.

8. В фармацевтике.

При этом каждый тип насосного оборудования выполняет свои определенные функции. К примеру, для эффективного откачивания воздуха, чтобы не загрязнялась смесь, оптимально применение сухих пластинчато-роторных и диафрагменных агрегатов, в которых не требуется вакуумное масло. В лабораториях же, где необходимо создание небольшого остаточного давления (т. е. невысокого вакуума) и обеспечение невысокой скорости откачивания, востребованы диафрагменные вакуумные насосы. Они могут работать с агрессивными газами, при этом не загрязняя окружающую среду.