Pasakoti apie vakuumą ir jo gavimo bei palaikymo būdus reikėtų pradėti apibrėžiant vakuumo sąvoką, kurios filosofinė prasmė šiuo metu yra plačiai diskutuojama. Čia ketinu nagrinėti tik technines vakuumo gavimo problemas.

Šios srities specialistai vakuumą apibrėžia kaip dujų būseną, kurioje slėgis yra mažesnis už aplinkos slėgį. Technika, skirta tokiam būviui sukurti ir palaikyti, vadinama vakuumine technika. Tokios technikos pavyzdžių beveik kiekvienas rasime savo namuose – tai dulkių siurblys, kurio įėjimo angoje slėgis gali būti keletą kartų mažesnis už atmosferinį.

Kad įvertintume vakuumą kiekybiškai, naudosime slėgį kaip pagrindinį išretintas dujas apibūdinantį dydį. Čia priminsiu, kad dujų slėgis yra lygus jėgai, kuria jos veikia indo sienelės ploto vienetą normalės kryptimi. Slėgio matavimo vienetas SI matavimo vienetų sistemoje yra paskalis (Pa) – toks slėgis, kuriam esant dujos 1 m² plotą veikia vieno niutono jėga. Atmosferos slėgis jūros lygyje yra apie 1*10⁵ Pa.

Šiuolaikinėje technikoje ir moksliniuose tyrimuose naudojamas vakuumas, kuriame slėgis gali būti nuo atmosferinio iki 10^-12 Pa ir mažesnis. Visas šis slėgių intervalas yra vienaip ar kitaip pritaikomas moksle, technikoje ir technologijose.

Šio mano straipsnio apie vakuumą pagrindinis tikslas ir yra papasakoti apie techninius ir fizikinius sprendimus, naudojamus vakuumo gavimui ir palaikymui, kurie skirtingiems slėgių intervalams gali labai skirtis.

Vakuumo didumą sutarta skirstyti į mažą, vidutinį, didelį ir superdidelį. Ribas tarp išvardytų intervalų sąlygoja kokybiniai pokyčiai dujų būsenoje mažinant jų slėgį. Dujų būseną be dujų slėgio tikslinga apibūdinti dujų molekulių tūrine koncentracija n, matuojama molekulių skaičiumi kubiniame metre, ir vidutiniu molekulės laisvojo kelio ilgiu <λ> , t.y. vidutiniu atstumu, kuris skiria du gretimus dujų molekulės susidūrimus su ją supančiomis molekulėmis dėl chaotinio šiluminio dujų judėjimo.

Mažinant dujų slėgį tūrinė molekulių koncentracija mažėja, o molekulių vidutinis laisvojo kelio ilgis didėja. Dabar apibūdinsime kokybinius dujų būsenos pokyčius mažinant jų slėgį. Tarkime, mus dominančios dujos pradiniu momentu yra sferiniame inde, kurio matmenys apibūdinami skersmeniu D atmosferiniame slėgyje. Galime sakyti, kad vakuumo inde neturime. Kol mažinant slėgį vidutinis molekulės laisvojo kelio ilgis bus mažesnis už vakuumuojamojo tūrio skersmenį, inde bus mažas vakuumas.

Kai mažėjant slėgiui ir didėjant <λ> realizuojama sąlyga , dujų molekulės susidūrimas su indo sienele pasidaro tiek pat tikėtinas kaip ir dujų molekulių susidūrimas tarpusavyje, mes pasiekiame vidutinį vakuumą. Toliau mažėjant slėgiui bus pasiekta būsena, kai <λ> >> D. Tai jau didelis vakuumas.

Galiausiai kai kurioms technologijoms ir fizikiniams matavimams net ir didelio vakuumo slėgių intervale esanti dujų molekulių koncentracija per didelė. Mat kiekviena dujų molekulė, sąveikavusi su vidiniu indo paviršiumi ar inde patalpintais objektais, gali chemiškai reaguoti arba pereiti į susijusį su kietojo kūno paviršiumi būvį – tapti adsorbuota (įgerta).

Eksperimentuose ir technologijose, kuriems šie reiškiniai nepageidautini, reikalinga sukurti tokį dujų slėgį, kuriame vieno adsorbuotų dujų molekulių sluoksnio susidarymo trukmė būtų daug didesnė už technologinio proceso ar matavimo vakuume trukmę. Kai ši sąlyga tenkinama, turime superdidelį vakuumą.

Kokiomis techninėmis priemonėmis padaromas vakuumas - jau sekančioje straipsnio dalyje.

KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto)
Fizikos katedros
Docentas dr. Sigitas Joneliūnas

Komentarai (0)