Wat is Vacuüm
We leven op deze aarde onder een oceaan van lucht die op ons een druk uitoefent van één atmosfeer. Op een hoge berg is de luchtkolom boven ons minder hoog en de luchtdruk dus minder. Deze luchtdruk oefent een kracht uit in alle richtingen: de luchtdruk onder een tafel is niet kleiner. Bij het volledig luchtdicht afsluiten van een container blijft de luchtdruk in de container dezelfde als buiten de container. Door nu lucht uit die container te zuigen, vermindert de druk in de container. Naarmate meer lucht uit de container gezogen wordt, vermindert de luchtdruk. Een druk in een afgesloten ruimte die lager is dan buiten die ruimte heet een onderdruk. Wordt de druk nul dan is er sprake van een vacuüm of luchtledig. Een perfect vacuüm is niet te bereiken, een zeer goede benadering wel (zie hieronder bij 'Hoogvacuümtechniek'). In het dagelijks spraakgebruik in de techniek wordt ook een grote onderdruk wel vaak een vacuüm genoemd.
Bij atmosferische druk staan de moleculen relatief dicht tegen elkaar. Ze bewegen met hoge snelheid en botsen steeds tegen elkaar. Bij verminderde luchtdruk wordt de vrije weglengte, de afstand die een molecuul gemiddeld af kan leggen alvorens een volgende botsing te ondergaan, groter en zullen de moleculen dus vaak minder botsen. Het vergroten van de vrije weglengte van de moleculen heeft veel toepassingen: computer- en TV-scherm, oscilloscoop, massaspectrometer, elektronenmicroscoop, deeltjesversneller, het opdampen (van bv een CD), fabricage van geïntegreerde schakelingen, testen van satellieten. Men onderzoekt de mogelijkheid om transport over grote afstand onder vacuüm te laten gebeuren.
Het woord vacuüm wordt in twee betekenissen gebruikt:
- in de theoretische natuurkunde: een materievrije ruimte. Een volledig materievrije ruimte is echter zoals al gezegd niet te realiseren.
- in de techniek: een ruimte met verminderde luchtdruk. Een absoluut vacuüm is echter niet te bereiken.
Het absolute vacuüm komt overeen met een druk van 0 Pa. Naar gelang de kwaliteit van het vacuüm, delen we de grootte van het vacuüm in vier groepen in: - laag- of grof vacuüm: 105 (Atmosferische druk) tot 102 Pa
- midden- of fijn vacuüm: 102 tot 10-1 Pa
- hoogvacuüm: 10-1 tot 10-5 Pa
- ultrahoogvacuüm: minder dan 10-5 Pa
Het realiseren van vacuüm op aarde
Vacuüm kan gerealiseerd worden door vacuümpompen, welke een gedeeltelijk vacuüm creëren door het verplaatsen van lucht. Vacuüm nabij de aarde en in de interstellaire ruimte
In de interstellaire en in de intergallactische ruimte is het vacuüm in het algemeen beter dan ieder vacuüm dat op de aarde gerealiseerd kan worden
- atmosferische druk = 760 torr of 100kPa
- vacuümreiniger = ongeveer 300 torr of 40kPa
- mechanische vacuümpomp = ongeveer 10 millitorr of 1.3mPa
- ruimte dicht bij de aarde = ongeveer 1 x 10-6 torr of 130μPa
- druk op de maan= ongeveer 1 x 10-8 torr of 1.3μPa
- interstellaire ruimte = ongeveer 1 x 10-10 torr of 13nPa
Eigenschappen van het vacuüm
Geluidstrillingen hebben materie nodig om zich door te verplaatsen: geluid verplaatst zich dus niet door het vacuüm, in tegenstelling tot wat de makers van films als Star Wars ons willen doen geloven.Elektromagnetische golven (licht, radiogolven, Röntgenstraling) verplaatsen zich wel door vacuüm.
Door de afwezigheid van materie is vacuüm een slechte warmtegeleider, waardoor het toepassing heeft als warmte-isolator.
Alhoewel het vacuüm geen leefruimte is, omdat levende wezens materie nodig hebben voor hun stofwisseling, kunnen toch vele levende wezens (bacteriën, planten, stofmijten) een bepaalde tijd in vacuüm overleven. Ook dieren exploderen of koken niet als zij kort aan vacuüm blootgesteld worden, alhoewel na korte tijd de dood door verstikking intreedt.
Nieuwe onderzoeken over het vacuüm
Uit de theorie van de kwantummechanica volgt dat een absoluut vacuüm ook theoretisch niet kan bestaan. Zie ook virtueel deeltje, Casimir-effect, niets.
Geschiedenis van de vacuümtechniek
Aristoteles had beweerd dat een luchtledig niet kon bestaan omdat het bestaan ervan een logische tegenstrijdigheid zou inhouden. Het was Torricelli die met zijn experimenten met buizen gevuld met kwik aantoonde dat dat niet waar was. Daarmee begaf Torricelli zich op glad ijs omdat de kerk in zijn dagen iedere afwijking van de norm der Ouden met argusogen bekeek.
| |
foto: US National Oceanic and
Atmospheric Administration |
Het bleek inderdaad dat in de ruimte boven een kwikkolom (zie afbeelding) zich geen lucht bevond, maar strikt genomen is dat geen echt luchtledig omdat het kwik zelf ook een dampspanning heeft en deze ruimte met zijn eigen damp opvult. De druk is dus niet volledig nul. Hoogvacuümtechniek Later heeft men met behulp van vacuümpompen veel betere vacua verwezenlijkt, maar hier op aarde is het bijzonder moeilijk om drukken te verlagen tot minder dan 10-11 Torr. Bij dit soort drukken blijken veel materialen veel vluchtiger dan men denkt. Het is bijvoorbeeld niet aan te bevelen voor de constructie van een vacuümruimte legeringen te gebruiken die zink bevatten.
In de ruimte buiten de aarde heeft men echter 'gratis' de beschikking over een veel beter vacuüm dan welk vacuüm op aarde dan ook, maar zelfs dat haalt niet bij wat er moet heersen in de ruimte tussen de melkwegstelsels. Strikt genomen is zelfs daar de druk niet echt nul. Er komt zo nu en dan echt nog wel een deeltje voorbij. Volgens de kwantummechanica heeft het vacuüm bovendien energie door de aanwezigheid van virtuele deeltjes. In dit opzicht had Aristoteles misschien toch wel een beetje gelijk: waar ruimte is, is ook materie, zij het heel wat minder dan hij dacht.
Toepassingen
- Bij de klassieke proef met een Maagdenburger bol wordt de ruimte tussen twee halve bollen vacuüm gezogen, om de enorme kracht van de luchtdruk te demonstreren.
- Ontvetten onder vacuüm: zuurstofmoleculen delen zich in een vacuüm op in uiterst reactieve zuurstofatomen. Deze zuurstofatomen binden zich met de vetresten. Het vet wordt dan omgezet in in koolzuur en water.
- Versnellen van elektronen: in een vacuum kunnen elektronen versneld worden tot een bekende snelheid door het aanleggen van een elektrische spanning en met behulp van magnetische velden kunnen zij ook gefocusseerd worden. Zie ook: elektronenmicroscoop
- Gloeilamp:Dankzij het vacuüm kon Edison in 1879 een gloeilamp maken. Met een vacuümpomp verwijderde hij de lucht (dus ook de zuurstof) uit de glazen ballon. Door het onbreken van zuurstof verbrandde de gloeidraad niet en bleef de lamp lang branden.
- fasenleer
- Het verlagen van kookpunt (voor destillaties van fracties met hoog kookpunt)
- Vriesdrogen
- vacuüm verpakking:
- door vacuüm verpakking wordt bederfbaar voedsel langer bewaard, bv koffie in vacuüm verpakking.
- door vacuüm verpakking nemen samendrukbare stoffen minder plaats in, vb (dons)dekens)
Externe links
nds:Vakuum
