Podstawy próżni
Co to jest próżnia? Samo słowo „próżnia/vacuum” wywodzi się z języka łacińskiego i pochodzi od słowa „vacua”, które oznacza „pusty”.
W przyrodzie nie istnieje pusta przestrzeń czy próżnia idealna. Próżnią możemy nazwać przestrzeń, w której część powietrza i innych gazów została usunięta z określonej objętości. Jeśli chcemy więc odpowiedzieć na pytanie „co to jest próżnia?”, najłatwiej zrobić to słowami: to przestrzeń, w której znajduje się (znacznie) mniej cząstek gazu, atomów i molekuł niż w otaczającej nas atmosferze.
Z kolei próżnia w ujęciu technicznym to stan wysokiego rozrzedzenia gazu, tj. gazu będącego pod ciśnieniem mniejszym od ciśnienia atmosferycznego.
Pomiar próżni
Cząstki gazu zawarte w określonej objętości są w ciągłym ruchu. Uderzają one o ściany zbiornika i wywierają nacisk na powierzchnię. Pomiar siły nacisku na jednostkę powierzchni zbiornika (czyli ciśnienia) można określić w jednostkach bezwzględnych lub porównać go z ciśnieniem atmosferycznym.
Jednostki ciśnienia
Ciśnienie może być określone względem próżni (której ciśnienie wynosi 0) lub względem ciśnienia w otoczeniu. Pierwsze z nich nazywamy tzw. ciśnieniem bezwzględnym (czyli absolutnym), a drugie – ciśnieniem względnym (nadciśnienie powyżej ciśnienia atmosferycznego i podciśnienie poniżej atmosferycznego).
W technice powszechnie mierzy się i podaje ciśnienie gazów względem ciśnienia atmosferycznego. Nadciśnienie w tym znaczeniu określa się jako ciśnienie manometryczne.
Przykład:
Jeśli ciśnienie w pojemniku jest równe 0,5 MPa (nadciśnienie), to ciśnienie bezwzględne wynosi 0,5 MPa + 0,1 MPa = 0,6 MPa (0,1 MPa to ciśnienie atmosferyczne).
Spotykana w technice jednostka barg – inaczej bar(g) – oznacza bar ciśnienia względnego.
Próżnię można też określić w procentach jako wartość absolutną w stosunku do zera bezwzględnego. 0 bar jest najniższą wartością i odpowiada 100% próżni. W tym przypadku wartość 1 bar jest największą wartością, która odpowiada średniej wartości ciśnienia atmosferycznego.
Drugim sposobem jest określenie próżni proporcjonalnie do ciśnienia atmosferycznego, które jest punktem odniesienia z wartością 0. W tym przypadku próżnia określana jest ze znakiem ujemnym, a najniższa wartość wynosi -1bar i również odpowiada 100% próżni.
Współczynniki przeliczeniowe podstawowych jednostek ciśnienia przestawiamy w tabeli:
| Pa (Nm -2) | mbar | Torr (mm Hg w 0oC) | Atmosfera techniczna (at) | Atmosfera fizyczna (atm) | |||||
| Pa (Nm -2) | 1 | 1,0×10-2 | 7,5×10-3 | 1,02×10-5 | 9,87×10-6 | ||||
| mbar | 1,0×102 | 1 | 7,5×10-1 | 1,02×10-3 | 9,87×10-4 | ||||
| Torr (mm Hg w 0oC) | 1,33×102 | 1,33 | 1 | 1,36×10-3 | 1,32×10-3 | ||||
| Atmosfera techniczna (at) | 9,80×104 | 9,80×102 | 7,36×102 | 1 | 9,68×10-1 | ||||
| Atmosfera fizyczna (atm) | 1,01×105 | 1,01×102 | 7,6×102 | 1,03 | 1 | ||||
Poziomy próżni
Próżnia została sklasyfikowana i podzielona na różne kategorie w zależności od charakteryzującego ją ciśnienia / liczby cząstek / średniej drogi swobodnej cząsteczek i liczby uderzeń cząsteczek na jednostkę powierzchni.
| Ciśnienie w hPa (mbar) | Liczba cząsteczek na cm³ | Średnia droga swobodna cząsteczki | Liczba uderzeń na powierzchnię (cm−2 s−1) | ||
| Ciśnienie atmosferyczne | 1013,25 | 2,7×1019 | 68 nm | 1023 | |
| Próżnia niska | 300…1 | 1019…1016 | 0,1…100 μm | 1023…1020 | |
| Próżnia średnia | 1…10−3 | 1016…1013 | 0,1…100 mm | 1020…1017 | |
| Próżnia wysoka (HV) | 10−3…10−7 | 1013…109 | 10 cm…1 km | 1017…1013 | |
| Próżnia bardzo wysoka (UHV) | 10−7…10−12 | 109…104 | 1 km…105 km | 1013…108 | |
| Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV) | 10−12…10−14 | 104…102 | 105…107 km | 108…106 | |
| Przestrzeń kosmiczna | 10−7…10−16 | 109…1 | 1…109 km | 1013…104 | |
| Próżnia absolutna (doskonała) | 0 | 0 | 0 | ||
W teorii kinetycznej gazów pojęcie cząsteczki używane jest do opisu gazowej cząstki bez względu na jej budowę. Według tej teorii gazy szlachetne składają się z cząsteczek, pomimo że to tak naprawdę pojedynczy atom bez wiązań chemicznych.
Średnia droga swobodna cząsteczki gazu jest stosowana jako miara jakości próżni, czyli jest podstawą definicji próżni w znaczeniu technicznym.
Powyższy podział jest bardzo przydatny przy opisywaniu różnych ciśnień, co prowadzi do lepszego zrozumienia w doborze pomp próżniowych, eksploatacji systemu oraz wymagań operacyjnych na różnych poziomach podciśnienia. Bezpośrednio pozwala też określić, czym jest próżnia.
Najniższe ciśnienie próżni na Ziemi zostało uzyskane w warunkach laboratoryjnych w CERN (European Laboratory for High Energy Nuclear Physics) z wykorzystaniem pomp i wynosiło 10−13 Tr (~ 1,33×10−13 mbar).
Taki poziom próżni to jedynie kilkaset cząsteczek w 1 cm3. Dla porównania w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym występuje ok 3×1019 cząsteczek w 1 cm3. To porównanie bardzo mocno uwypukla kwestię tego, co to jest próżnia i jak ma się do atmosfery, która otacza nas na co dzień.
Jak widać, przemysłowe systemy próżni pracują w zakresie dużych różnic ciśnień od niskiej do bardzo wysokiej próżni.
Przykład:
Rozważamy objętość 1m3 gazu o ciśnieniu 1000 mbar (ciśnienie atmosferyczne) zamkniętą w pojemniku o wymiarach 1 x 1 x 1 m i szczelnym do tego stopnia, że żadna molekuła nie może z niego uciec, ani wniknąć do niego.
Prawo Boyle’a mówi, że jeżeli pojemnik zwiększy swoją objętość, pozostając nadal zamknięty, to ciśnienie zmniejsza się i zostanie utworzona próżnia/podciśnienie proporcjonalne do zwiększonej objętości. Jeżeli objętość tego pojemnika podwoiłaby się do 2m3, to ciśnienie gazu zmniejszyłoby się o połowę, tj. do 500 mbar.
Jeżeli weźmiemy pod uwagę tę samą objętość 1 m3 gazu i zwiększymy objętość pojemnika tak, by zredukować ciśnienie do 10-12 mbar (ultrawysokiej próżni), to pojemnik zwiększy swoje wymiary do 99 x 99 x 99 km! Czy już uświadomiłeś sobie, co to jest próżnia i o jak złożonych siłach mówimy?
Zastosowanie próżni
W dzisiejszych czasach próżnia odgrywa istotną rolę w wielu procesach produkcyjnych. Wartą uwagi jest produkcja półprzewodników lub spektroskopia masowa, które nie są możliwe do zrealizowania w warunkach normalnej atmosfery.
Technologia próżniowa jest również pomocna w obsłudze produkcji w zakresie podnoszenia, utrzymania, obracania i transportu części.
| Rodzaj próżni | Zastosowanie próżni | |
| Próżnia niska | Aplikacje w technologiach obsługi przemysłu, odgazowywanie cieczy, przemieszczanie przedmiotów, pakowanie | |
| Próżnia średnia | Odgazowywanie stali, produkcja żarówek, suszenie tworzyw sztucznych, liofilizacja produktów spożywczych | |
| Próżnia wysoka | Wytapianie lub wyżarzanie metali, produkcja lamp elektronowych | |
| Próżnia bardzo wysoka | Rozpylanie metali, metalizacja oraz topienie wiązką elektronów | |
Sposoby wytwarzania próżni
Do obniżenia ciśnienia i gęstości gazu w zamkniętej objętości wykorzystywane są pompy próżniowe. Można je zaklasyfikować pod względem zasady działania do jednej z dwóch grup:
- Pompy próżniowe przepływowe, w których – dzięki jednemu lub kilku stopniom – cząstki gazu są usuwane z objętości i pompowane do atmosfery.
- Pompy próżniowe pułapkowe, które na stałych częściach pompy skraplają lub wiążą (np. chemicznie) cząstki do usunięcia.
Klasyfikacja pomp pod względem konstrukcji i praktycznego zastosowania rozróżnia pompy przepływowe i pompy pułapkowe. Do pomp przepływowych zaliczamy:
- Pompy, których zasada pracy opiera się na okresowym zwiększaniu i zmniejszaniu komór pompy (pompy łopatkowe, pompy tłokowe).
- Pompy, które przemieszczają porcje gazu z obszaru o niskim ciśnieniu do obszaru o wysokim ciśnieniu bez zmiany objętości komory (pompy Rootsa, pompy turbomolekularne),
- Pompy, w których efekt pompowania bazuje głównie na dyfuzji gazu (pompy dyfuzyjne) – para czynnika pompującego porywa cząsteczki gazu, potem skrapla się i wraca do obiegu, a cząstki gazu odsysane są do komory próżni wstępnej wytworzonej przez dodatkową pompę o innej konstrukcji.
Natomiast pompami pułapkowymi są:
- Pompy, w których usuwanie cząstek gazu następuje poprzez przywieranie ich do zimnej powierzchni głowicy pompy schłodzonej do niskich temperatur (pompy kriogeniczne).
- Pompy, które wiążą gazy przez adsorpcję lub absorpcję. Jony gazu padające na katodę z metalu powodują jego rozpylenie. Metal osiada na ścianach pompy, a jego powierzchnia silnie sorbuje gazy (pompa jonowo-sorpcyjna).
Technologia próżniowa od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku znacznie się rozwinęła. Projektowane są nowe pompy próżniowe, zawory, instalacje itp. Cały ten osprzęt ułatwia codzienne życie. Technologia próżniowa jest obecna przy pakowaniu żywności, produkcji termosów, żarówek, kuchenek mikrofalowych i lamp katodowych.
Używana jest zawsze, gdy jest potrzebna „czysta” przestrzeń, wolna od gazów i zanieczyszczeń. Doprowadziło to do rozwoju technologii produkcji metali o wysokiej czystości, chipów komputerowych, komponentów półprzewodnikowych i wyświetlaczy.
W każdym domu czy biurze znajdują się produkty wytworzone dzięki technologii próżniowej. W 2008 roku do użytku został oddany Wielki Zderzacz Hadronów – największy na świecie system próżniowy. Jest to rurociąg o całkowitej długości 104 kilometrów, w którym panuje próżnia na poziomie 10-6 mbar, a na odcinku 54 km nawet od 10-10 do 10-11 mbar – podobne warunki znajdziemy dopiero na powierzchni Księżyca.
Czy już wiesz, co to jest próżnia? Mamy nadzieję, że powyższy tekst wyjaśnił Ci wszystkie zawiłości!
