Більш-менш порожнеча
Розріджені гази мають різну поведінку в залежності від розміру корпусу, де вони містяться.
Чи достатньо низького тиску для визначення вакууму? Не для фізика, для якого вакуум вимірюється з точки зору молекулярних зіткнень. Щоб створити вакуум, ми повинні перекачати газ, що міститься в камері, щоб він спорожнився, щоб кількість молекул, що містяться в ній, зменшувалася. Однак через фізичні механізми, що мають місце при незначних зіткненнях молекул, накачування стає все складнішою, оскільки кількість молекул, присутніх у камері, зменшується. Тоді тиск перестає бути важливим параметром, і його слід замінити на «середній вільний шлях», тобто на середню відстань, пройдену молекулою між двома зіткненнями. Спробуємо зрозуміти, як працює цей перехід між поняттям низького тиску та поняттям середнього вільного пробігу в розрідженому газі, уважно вивчивши, як ... ми створюємо вакуум.
Для фізика чи інженера цей вираз означає, перш за все, видалення газів із корпусу. У рідині, а тим більше у твердому тілі, сили притягання досить великі, щоб утримувати атоми та молекули на відстанях того самого порядку величини, що й розмір молекул або самих атомів. По-різному це в газах, оскільки теплове збудження переважає тяжіння: молекули газу розділені на відстані, набагато більші за їх розмір; переважно вони взаємодіють під час коротких зіткнень. Оскільки його молекули вільно рухаються, газ, як правило, спонтанно займає весь доступний об’єм.
Лопатевий насос
Практично всі вакуумні системи використовують цю властивість, включаючи лопатеві насоси, одну з найбільш широко використовуваних систем для створення промислових вакуумів. Обертання піддонів, інтегрованих з барабаном, спочатку дозволяє газу з корпусу, який слід спорожнити, займати об'єм, більший за об'єм самого корпусу. Цей газ (на малюнку рожевим) приводиться в рух рухами лопатей (фаза 1), ізольовані від корпусу та ззовні (фаза 2), потім виштовхується назовні (фаза 3). По мірі обертання корпус знову ізолюється, поки аспірований об’єм евакуюється. За допомогою лопатевих насосів досягається тиск нижче одного паскаля або десять тисячних атмосферного тиску. Щоб вийти за межі цього, вам потрібні інші насосні пристрої, які приймають на себе, як тільки лопатевий насос перестає бути ефективним.
Давайте подивимося, чому в більшості випадків тиск характеризує якість вакууму. Ця макроскопічна величина вимірює силу, яка діє на газ на стінки корпусу. Це відбувається внаслідок невпинних ударів молекул на стінках. Отже, тиск газу тим вищий, що поштовхи більші (щільність молекул у газі висока) або поштовхи сильніші (термічне збудження сильне). Пропорційне добутку щільність газу та його температура. Він може бути низьким лише у двох ситуаціях: коли газ дуже холодний або коли корпус містить мало молекул. Вакуум часто створюється при постійній температурі (температура ємності), так що тиск безпосередньо вимірює кількість частинок в одиниці об'єму.
Гідродинамічний режим та молекулярний режим
Таким чином, поведінка розрідженого газу залежить від «простору», доступного для його молекул, від їх середнього вільного пробігу. Якщо остання дуже мала в порівнянні з розміром оболонки, молекула часто взаємодіє зі своїми спорідненими. У цьому випадку зіткнення стандартизують властивості газу. Тоді остання перебуває у так званому «гідродинамічному» режимі, оскільки вона поводиться як однорідна рідина. Зіткнення між молекулами (в результаті термічного збудження) переважають над іншими явищами і дають газу середню швидкість, рівну середній швидкості молекул, як у рідині. Мікроскопічні міжмолекулярні зіткнення породжують макроскопічну в'язкість газу, тобто його схильність протистояти потоку та розсіювати енергію. Існує мало взаємодій зі стінками, які відіграють лише роль обмежуючих молекул.
З іншого боку, коли середній вільний пробіг більший за розмір оболонки, молекула навряд чи зустрічається зі своїми однолітками. Потім молекули рухаються від стінки до стінки, не взаємодіючи між собою, і газ приймає нову поведінку: він перебуває у "молекулярному режимі". Тиск, при якому виникає цей режим, залежить від розміру розглянутого корпусу. Таким чином, при кімнатній температурі молекулярний режим відбувається в капілярній трубці з внутрішнім діаметром 10 мікрометрів і при тиску 100 паскалів. Це значення, в 1000 разів нижче за звичайний атмосферний тиск, легко досягти за допомогою лопатевого насоса. З іншого боку, у корпусі шириною 10 сантиметрів молекулярна швидкість досягається при тиску, що дорівнює 0,08 паскаль, чого лопатевий насос досягти не може. Тоді щільність становить приблизно 2 × 10 19 молекул на кубічний метр.
Це значення, а також значення щільності молекул у найкращій порожнечі, яку отримує людина в лабораторії, залишаються величезними порівняно з тими, що панують у міжзоряному середовищі. Останній є більш порожнім, ніж найкращий вакуум, якого ми знаємо, як досягти. У міжзоряній хмарі середній вільний пробіг молекули пропорційний оберненій щільності. Останній сильно варіюється в залежності від температури хмари. У холодних міжзоряних хмарах (100 Кельвінів), у яких утворюються зірки, щільність становить, наприклад, 40 молекул на кубічний сантиметр. Явний парадокс, астрофізики вважають, що така хмара перебуває в гідродинамічному режимі! Дійсно, хоча середні вільні шляхи там гігантські - кілька сотень мільйонів кілометрів - вони залишаються набагато меншими за нинішні розміри міжзоряних хмар: вони вимірюються мільйонами мільярдів кілометрів.
Межі вакууму
Однак ці настінні ефекти не є непомірними. Вони можуть навіть сприяти створенню вакууму, якщо ми знаємо, як їх використовувати. Чим нижча температура стінки, тим довше молекули залишаються прилиплими до неї. Вони навіть можуть залишатися там майже нескінченно довго, коли ця температура нижче температури зрідження газу або навіть температури його затвердіння. У цьому випадку саме стінка служить насосом (як пастка) для поліпшення вакууму після видалення більшості молекул: жодна з молекул, які потрапили в неї, не повертається в камеру. Екран, охолоджений до температури рідкого гелію (4 Кельвіни), таким чином збирає всі молекули повітря, що містяться в корпусі. Розумний спосіб скористатися недоліком!