Давление – физическая величина, численно равная силе (F), действующей на единицу площади поверхности (S) перпендикулярно этой поверхности (отношение силы F к площади поверхности S), то есть P=F/S. По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности.
В Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (русское обозначение – Па; международное – Pa). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр.
Рисунок 1 – Перевод единиц измерения давлений.
На среднего по размерам человека на поверхности Земли со стороны атмосферного давления действует сила около 150000Н, но человек справляется с такой нагрузкой, т.к. внешнее атмосферное давление уравновешивается давлением жидкости внутри нашего организма.
Вакуум (от лат. vacuus – пустой) – пространство в котором практически отсутствуют атомы вещества. Под вакуумом в технике и прикладной физике понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного.
На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера (1 атм)). Оно меняется в зависимости от погоды, высоты над уровнем моря, но мы не будем углубляться в это, так как это никак не влияет на понимание понятия вакуум. Мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере. Всё, что ниже 1 атмосферы (в закрытом сосуде), называется техническим вакуумом.
Возьмём некий сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнём откачивать из сосуда воздух, то в нём возникнет разряжение, которое и называется вакуумом. Так как в сосуде всего одна атмосфера, то и максимально возможный вакуум мы можем получить (теоретически – так как выловить все молекулы воздуха из сосуда практически невозможно) ноль атмосфер. По этому, в любом сосуде, из которого откачали воздух (газ) всегда остается какое-то его минимальное количество. Это и называют «остаточным давлением», давление, которое осталось в сосуде после откачки из него газов. Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но всё равно не до нуля. В обычной жизни редко когда требуется вакуум глубже 0,5 — 10 Па (0,00005-0,0001 атм).
Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчёта:
– за единицу принимается атмосферное давление. Всё, что ниже единицы – вакуум, то есть шкала вакуумметра от 1 до 0 атм (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
– за ноль принимается атмосферное давление. То есть вакуум – все отрицательные числа меньше 0 и до -1, то есть шкала вакуумметра от 0 до -1 (0, -0,1…-0,2….,-0,9,…-1).
– также шкалы могут быть в кПа, mBar, но это всё аналогично шкалам в атмосферах.
Из всего вышесказанного видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.
Рисунок 2 – Классификация вакуума.
Технический вакуум.
Технический вакуум получают с помощью специальных насосов (вакуумных насосов). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа (λ), связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера (d) сосуда, в котором находится газ.
При понижении давления и достижения величины примерно равной 1 мм. рт.ст. соотношение (λ/d)<< 1 (1016 молекул на1 см3) такое состояние называется низкий вакуум. Свойства газа в условиях низкого вакуума определяются частыми столкновениями молекул газа друг с другом, сопровождающимися обменом энергией между ними. Такой газ обладает внутренним трением (вязкостью). Его течение подчиняется законам аэродинамики. Явления переноса (электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, диффузия) в условиях низкого вакуума характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. Например, температура газа в пространстве между «горячей» и «холодной» стенками в низком вакууме изменяется постепенно. При этом переносимое количество тепла или вещества не зависит от давления. Дальнейшее понижение давления в сосуде приводит к увеличению средней длины свободного пробега (λ) молекул газа. Достижение величины примерно равной 10-5 мм. рт.ст. соотношение (λ/d)>> 1 (1011 молекул на1 см3) такое состояние называется высоким вакуум. В высоком вакууме свойства газа определяются только столкновениями его молекул со стенками. Столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение молекул между стенками происходит прямолинейно (молекулярный режим течения газа). Средний вакуум имеет свойства между высоким и низким вакуумом и достижим при соотношении (λ/d)~ 1).
Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10-9 мм рт.ст. и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже (109 молекул на 1 см3), в дальнем космосе и вовсе может достигать 10−16 мм рт.ст. и ниже (1 молекула на 1 см3).
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано. Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах – радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и др.
Космическое пространство.
Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление, и является ближайшим приближением технического вакуума сверхнизкого давления. Космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.
Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силами электромагнитных взаимодействий, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 3,2×10−2 Па на 100 км высоты – на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением электромагнитного излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать.
Электромагнитное излучение от Солнца является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c. С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.
Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой. Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственно созданных летательных аппаратов.
Рисунок 3 – Изменение параметров атмосферы с высотой.
Давление на высоте полета МКС (~400км) составляет примерно1×10-11 кг/см2, это значение соответствует давлению сверхвысокого вакуума, а температура составляет около 1200 0С. Давление космического пространства варьируется в определенных интервалах и зависит от многих факторов.
На земле если откачивать воздух из железнодорожных цистерн, асенизаторских машин и создать вакуум определенной величины (примерно – -580кПа для цистерн) цистерна схлопывается (происходит имплозия сосуда), сжимается во внутрь с неимоверной силой из-за разности давлений. Сжать сосуд цилиндрической формы (в разрезе окружность) очень непростая задача, так как данный сосуд по своим конструктивным особенностям имеет один из самых больших запасов прочности внешним механическим воздействиям и нагрузкам. Толщина стенки цистерны варьируется примерно от 16 до 24 мм.
Теперь посмотрим как, цистерны даже с минимальной толщиной стенки схлопываются как картонные, под воздействием атмосферного давления.
После просмотра видео, наверное каждый задаст вопрос, как же скафандры в открытом космосе выдерживают еще более значительную разность давлений (отсутствие давления снаружи скафандра и создание его внутри), разность давлений пытается растянуть скафандр во все стороны, создавая колоссальные нагрузки, так как давление в скафандре поддерживается примерно760 мм рт.ст. (1,013×105 Па), а давление в космическом пространстве 1×10-6 до 3×10-17 мм рт.ст. (1,3×10-4 до 1,3×10-15 Па), и космонавты работают по 6-8 часов якобы в открытом космосе совершая движения, сгибают скафандры. Так же есть один факт, который не дает покоя, после выхода космонавтов в открытый космос, где скафандр подвергается жесткому радиоактивному излучению на протяжении часов и так n-ное количество раз, возвращаясь назад, космонавты хранят их в общих отсеках. Неужели внутри корабля скафандры не излучают радиоактивное излучение и не действуют этим на космонавтов, что-то тут не сходится, ведь за восемь часов ионизирующего излучения наружная оболочка скафандров должна была набрать значительную дозу радиации.
Последние эксперименты показали, что нахождение живого организма в вакууме при продолжительности до 90 секунд не приводит к каким либо серьезным патологиям, а то и вообще проходит бесследно.
Вакуум, что же это такое.., мы так мало об этом знаем, о его свойствах и процессах происходящих в нем, много скрыто под грифом «совершенно секретно», многое умалчивают. Получены лишь начальные знания электромагнитных взаимодействий в вакууме, передачи энергии, энергетические процессы, а так же скрыты полностью от простого человека знания, что даже в абсолютном вакууме существуют поля с бесконечной энергией, имеющей в сумме нулевое значение. Нас повсеместно и в вакууме окружают энергоинформационные поля, способные мгновенно передавать информацию на огромные расстояния, а так же через них происходит взаимодействие всего, со всем, что нас окружает…
Автор публикации
Я верю в каждого человека, ведь к вопросам данности и бытия приходят все, рано или поздно, пусть это будет раньше того момента, когда исправить что-то просто не хватит времени..!
Только вместе, мы можем все, ведь нет ничего невозможного!