Saskaņā ar definīciju fizikā, jēdziens "vakuums" nozīmē vielas un vielas elementu neesamību noteiktā telpā, šajā gadījumā runā par absolūtu vakuumu. Daļējs vakuums tiek novērots, ja vielas blīvums noteiktā telpas vietā ir mazs. Apskatīsim šo jautājumu sīkāk rakstā.
Vakuums un spiediens
Jēdziena "absolūtais vakuums" definīcijā mēs runājam par matērijas blīvumu. No fizikas ir zināms, ka, ja ņem vērā gāzveida vielu, tad vielas blīvums ir tieši proporcionāls spiedienam. Savukārt, runājot par daļēju vakuumu, tas nozīmē, ka vielas daļiņu blīvums noteiktā telpā ir mazāks nekā gaisam pie normāla atmosfēras spiediena. Tāpēc jautājums par vakuumu ir jautājums par spiedienu attiecīgajā sistēmā.
Fizikā absolūtais spiediens ir lielums, kas vienāds ar spēka attiecību(mēra ņūtonos (N)), kas ir perpendikulāri noteiktai virsmai, šīs virsmas laukumam (mērot kvadrātmetros), tas ir, P=F / S, kur P ir spiediens, F ir spēks, S ir virsmas laukums. Spiediena mērvienība ir paskāls (Pa), tāpēc 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Daļējs vakuums
Eksperimentāli noskaidrots, ka 20 °C temperatūrā uz Zemes virsmas jūras līmenī atmosfēras spiediens ir 101 325 Pa. Šo spiedienu sauc par 1. atmosfēru (atm.). Aptuveni mēs varam teikt, ka spiediens ir 1 atm. vienāds ar 0,1 MPa. Atbildot uz jautājumu, cik atmosfēru ir 1 paskālā, veidojam atbilstošo proporciju un iegūstam, ka 1 Pa=10-5 atm. Daļējs vakuums atbilst jebkuram spiedienam attiecīgajā telpā, kas ir mazāks par 1 atm.
Ja tulkojam norādītos skaitļus no spiediena valodas daļiņu skaita valodā, tad jāsaka, ka pie 1 atm. 1 m3 gaisa satur aptuveni 1025 molekulas. Jebkurš nosauktās molekulu koncentrācijas samazinājums izraisa daļēja vakuuma veidošanos.
Vakuuma mērīšana
Visizplatītākā ierīce neliela vakuuma mērīšanai ir parastais barometrs, ko var izmantot tikai tad, ja gāzes spiediens ir daži desmiti procentu no atmosfēras spiediena.
Lai izmērītu augstākas vakuuma vērtības, tiek izmantota elektriskā ķēde ar Vitstonas tiltu. Lietošanas ideja ir izmērītsensora elementa pretestība, kas ir atkarīga no apkārtējās molekulu koncentrācijas gāzē. Jo lielāka šī koncentrācija, jo vairāk molekulu ietriecas sensora elementā un jo vairāk siltuma tas nodod tiem, tas noved pie elementa temperatūras pazemināšanās, kas ietekmē tā elektrisko pretestību. Šī ierīce var izmērīt vakuumu ar spiedienu 0,001 atm.
Vēstures fons
Interesanti atzīmēt, ka jēdzienu "absolūtais vakuums" pilnībā noraidīja slavenie sengrieķu filozofi, piemēram, Aristotelis. Turklāt atmosfēras spiediena esamība nebija zināma līdz 17. gadsimta sākumam. Tikai ar Jaunā laikmeta atnākšanu sāka veikt eksperimentus ar caurulēm, kas pildītas ar ūdeni un dzīvsudrabu, kas parādīja, ka zemes atmosfēra izdara spiedienu uz visiem apkārtējiem ķermeņiem. Jo īpaši 1648. gadā Blēzs Paskāls spēja izmērīt spiedienu, izmantojot dzīvsudraba barometru 1000 metru augstumā virs jūras līmeņa. Izmērītā vērtība izrādījās daudz zemāka nekā jūras līmenī, tāpēc zinātnieks pierādīja atmosfēras spiediena esamību.
Pirmais eksperiments, kas skaidri demonstrēja atmosfēras spiediena spēku un arī uzsvēra vakuuma jēdzienu, tika veikts Vācijā 1654. gadā, tagad to sauc par Magdeburgas sfēras eksperimentu. 1654. gadā vācu fiziķis Otto fon Gēriks spēja cieši savienot divas metāla puslodes, kuru diametrs bija tikai 30 cm, un pēc tam izsūknēt gaisu no iegūtās struktūras, tādējādi radotdaļējs vakuums. Stāsts stāsta, ka divas komandas pa 8 zirgiem katrā, kas vilka pretējos virzienos, nespēja atdalīt šīs sfēras.
Absolūts vakuums: vai tas pastāv?
Citiem vārdiem sakot, vai kosmosā ir vieta, kurā nav nekādas matērijas. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj izveidot vakuumu 10-10 Pa un pat mazāk, taču šis absolūtais spiediens nenozīmē, ka aplūkojamajā sistēmā nav palikušas vielas daļiņas.
Tagad pievērsīsimies vistukšākajai telpai Visumā – atklātajai telpai. Kāds ir spiediens kosmosa vakuumā? Spiediens kosmosā ap Zemi ir 10-8 Pa, pie šī spiediena ir aptuveni 2 miljoni molekulu 1 cm tilpumā3. Ja runājam par starpgalaktisko telpu, tad pēc zinātnieku domām, pat tajā ir vismaz 1 atoms 1 cm tilpumā3. Turklāt mūsu Visums ir caurstrāvots ar elektromagnētisko starojumu, kura nesēji ir fotoni. Elektromagnētiskais starojums ir enerģija, ko var pārvērst atbilstošā masā saskaņā ar slaveno Einšteina formulu (E=mc2), tas ir, enerģija kopā ar vielu ir matērijas stāvoklis.. Tas liek secināt, ka mums zināmā absolūtā vakuuma Visumā nav.
