Vakuum

Školní vývěva k demonstračním účelům

Vakuum (z lat. vacuus, prázdný) znamená prázdný prostor, v němž je tlak plynu podstatně nižší než při normálním atmosférickém tlaku. Různé stupně vakua mají velmi rozmanitá technická využití ve vakuové technice.

Vakuum v teoretické fyzice

Teoretická fyzika používá pojem dokonalé vakuum, což je stav systému s nejnižší možnou energií.

V ideálním případě označuje vakuum takový fyzikální stav, v němž není přítomná žádná částice, a to jak hmoty (např. elektrony, protony apod.), tak ani záření (např. fotony). Jedná se tedy o část prostoru, která neobsahuje hmotu, může však do ní zasahovat fyzikální pole, např. gravitační. Takové vakuum bývá označováno jako dokonalé. O vakuu neobsahujícím pole se mluví jako o prázdném prostoru.

Vakuum ve skutečnosti není prázdné. Podle kvantové teorie pole v něm neustále vznikají a zanikají páry částic a antičástic. Teoreticky určená hustota jeho energie je obrovská.

Vakuum lze (alespoň teoreticky) zavést i v klasické fyzice, avšak podle kvantové teorie ani prostor bez jakékoliv hmoty není úplně prázdný, ale probíhá tam mnoho procesů (kvantově-mechanické fluktuace, tvorba párů částic a antičástic a jejich opětovný zánik apod.). Občas se hovoří o tzv. energii vakua. Tyto kvantové jevy souvisí s principem neurčitosti.

Vakuum experimentální a technické

Vakuum se vytváří vývěvami a měří obvyklými jednotkami tlaku, a to pomocí různých vakuometrů. Dokonalému vakuu, které vyhovuje teoretické definici, by odpovídala nulová hodnota tlaku, nejnižší laboratorně dosažená hodnota je 10^-13 torr (1.33 × 10^-11Pa).

Z praktických důvodů se technické vakuum dělí do několika pásem, která se liší jak technikou vytváření i měření, tak také oblastí použití.

Stupně vakua

Pásmo	Tlak v Pa	Tlak v hPa (mbar)	Počet molekul na cm3	střední volná dráha částice
Atmosférický tlak	≈1,01×105	1013,25	2,7×1019	68 nm
Hrubé vakuum	10+4…10+2	300…1	1019…1016	0,1…100 μm
Jemné vakuum	10+2…10-1	1…10-3	1016…1013	0,1…100 mm
Vysoké vakuum (HV)	10-1…10-5	10-3…10-7	1013…109	100 mm…1 km
Ultravysoké vakuum (UHV)	10-5…10-10	10-7…10-12	109…104	1…105 km
Extrémně vysoké vakuum (XHV)	<10-10	<10-12	<104	>105 km

• Podtlak se využívá ve strojírenství k uchopování předmětů, v potravinářství (vakuové balení a sušení), ve stavebnictví jako tepelná izolace (vakuová okenní skla) i jinde. Vytváří se běžnými čerpadly a měří tlakoměry. Běžný vysavač dosahuje asi polovinu atmosférického tlaku.
• Hrubé vakuum je chemicky netečné prostředí, které brání oxidaci žhavých součástí a proto se používá v elektrotechnice (výbojky, žárovky), ve strojírenství (vakuový ohřev, tavení, sváření, pájení) a podobně. Vytváří se mechanickými vývěvami a měří termickými aj. vakuometry.
• Jemné vakuum poskytuje kromě toho delší střední volnou dráhu částic, která umožňuje jisté typy výbojů, a proto se používá v elektronice (vakuové a rentgenové výbojky, čisté technologie, vakuové napařování a podobně). Vytváří se mechanickými nebo difuzními vývěvami a měří ionizačními vakuometry.
• Vysoké vakuum poskytuje ještě delší volné dráhy a používá se proto hlavně v elektronice: vakuové elektronky a obrazovky, výroba polovodičů a podobně. Vytváří se difuzními vývěvami, vyžaduje používání speciálních materiálů a těsnění.
• Ultravysoké a extrémní vakuum je zajímavé především pro velmi dlouhé volné dráhy částic a používá se proto např. v urychlovačích částic či v tokamacích. Vytváří se několikastupňovými vývěvami a vyžaduje speciální materiály a technologie. Vyskytuje se ve vesmírném prostoru za hranicemi zemské atmosféry. Průměrná hustota vakua mezihvězdného prostoru se odhaduje na 1 atom (v drtivé většině vodíku) na 1 m³.

Vakuum v průmyslu

Vakuum nebo podtlak se užívá v mnoha průmyslových odvětvích, často jako součást výrobní technologie, například pro snížení teploty varu při úpravě látek, rafinaci cukru, nebo při výrobě vakuových obrazovek (Cathode Ray Tube), které jsou součástí našeho každodenního života. S podtlakem pracují vakuové přísavky na podávání například papíru a jiných plochých materiálů i vakuové manipulátory. Vakuum se dále používá pro homogenizaci materiálů při jejich výrobě, pro odstranění bublinek a zhutňování. Vakuové lití zajišťuje dokonalé vyplnění formy a brání vzniku bublin v odlitku.

Související články

• Normální atmosférický tlak
• Magdeburské polokoule
• Vývěva
• Vakuová technika
• Kvantová teorie
• Casimirův jev

Odkazy

• (anglicky)
• VIDEO on the nature of vacuum
• The Foundations of Vacuum Coating Technology
• American Vacuum Society
• Journal of Vacuum Science and Technology A
• Journal of Vacuum Science and Technology B
• FAQ on explosive decompression and vacuum exposure.
• Discussion of the effects on humans of exposure to hard vacuum.
• Vacuum Energy in High Energy Physics
• Vacuum, Production of Space
• "Much Ado About Nothing" by Professor John D. Barrow, Gresham College

Zdroj

V tomto článku jsou použity překlady textů z článků Vacuum na anglické Wikipedii a Vakuum na německé Wikipedii.