Що таке вакуум?

Що таке вакуум? На це запитання зазвичай відповідають: "простір з розрідженим повітрям" або "простір усередині посудини, з якої викачано повітря". Але чи будь-який ступінь розрідження це вакуум і чи знаходиться вакуум у будь-якому зв'язку з атмосферним тиском?

Деякі передумови емпіричного дослідження вакууму існували ще в античності. Давньогрецькі механіки створювали різні технічні пристрої, засновані на розрідженні повітря. Наприклад, водяні насоси, що діють шляхом створення розрідження під поршнем, були відомі ще за часів Арістотеля. Емпіричне вивчення вакууму почалося лише в 17 столітті, з кінцем Відродження та початком наукової революції Нового часу. До цього моменту вже давно було відомо, що насоси, які всмоктують, можуть піднімати воду на висоту не більше 10 метрів.

Насправді сильно розріджений газ називають технічним вакуумом. У макроскопічних об'ємах ідеальний вакуум недосяжний на практиці, оскільки при кінцевій температурі всі матеріали мають ненульову щільність насиченої пари. Крім того, багато матеріалів (у тому числі товсті металеві, скляні та інші стінки судин) пропускають гази. У мікроскопічних об'ємах, однак, досягнення ідеального вакууму в принципі можливе.

Строго кажучи, технічним вакуумом називають газ у посудині або трубопроводі з тиском нижче, ніж у навколишній атмосфері. Зазвичай між атмосферним повітрям та високовакуумним насосом стоїть так званий форвакуумний насос, створюючи попереднє розрідження, тому низький вакуум часто називають форвакуум. При подальшому зниженні тиску в камері збільшується середня довжина вільного пробігу молекул газу. При цьому молекули газу набагато частіше стикаються зі стінками, ніж одна з одною. В цьому випадку говорять про високий вакуум. Високий вакуум у мікроскопічних порах деяких кристалів досягається вже при атмосферному тиску, оскільки діаметр пори набагато менший за довжину вільного пробігу молекули.

Космічний простір має дуже низьку щільність і тиск і є найближчим наближенням фізичного вакууму. Але космічний вакуум не є справді досконалим, навіть у міжзоряному просторі є кілька атомів водню на кубічний сантиметр.

Справді, припустимо, що у балоні повітря розріджене у 10000 разів в порівнянні з густиною його за нормального атмосферного тиску, тобто тиск усередині балона дорівнює 0,076 мм. рт. ст.

Чи буде у балоні вакуум? І чи можемо ми продовжувати вважати, що у балоні вакуум, якщо цей балон піднятий на висоту 100 км над поверхнею землі, де тиск повітря становить лише 0,007 мм. рт. ст. Адже в цьому випадку густина повітря всередині балона стане в 10 разів більшою, ніж зовні! Тоді, де ж буде вакуум – усередині балона чи зовні?

Сучасна фізика пов'язує вакуум не з величиною тиску поза або всередині посудини, а з довжиною вільного пробігу молекул газу всередині неї. Молекули газів перебувають у безперервному хаотичному тепловому русі; при кімнатній температурі швидкість теплового руху молекул повітря дорівнює приблизно 450 м/с, тобто наближається до швидкості кулі. Рухаючись у всіх напрямках, молекули постійно стикаються одна з одною. Чим щільніше повітря, тим більше молекул в одиниці об'єму і тим частіше стикаються молекули.

Якщо повітря розрідити, то молекули зіштовхуватимуться менш часто. У середньому їм доведеться пролітати більший шлях між двома зіткненнями, який називається довжиною вільного пробігу.

Вакуум з фізичної точки зору - це таке розрідження, при якому довжина вільного пробігу в середньому більша за розмір посудини. Коли в посудині вакуум зіткнення молекул будуть рідкісними, більшість молекул у своєму русі від однієї стінки посудини до іншої не зустрінеться з іншими молекулами.

Вакуум є гарним термоізолятором; перенесення теплової енергії у ньому відбувається лише за рахунок теплового випромінювання, конвекція і теплопровідність виключені. Ця властивість використовується для теплоізоляції в термосах, що складаються з ємності з подвійними стінками, між якими простір вакуумовано.