Vacuüm
Van Wikipedia
Inhoud |
[bewerk] Deelonderwerp
Het maximale vacuüm of maximale onderdruk of het luchtledige is een ruimte waarin geen lucht of ander gas aanwezig is. In die ruimte bedraagt de druk derhalve 0 Pascal.
Het woord vacuüm wordt in twee betekenissen gebruikt:
- in de natuurkunde: een materievrije ruimte. Een volledig materievrije ruimte is echter niet te realiseren.
- in de techniek: een ruimte met lagere druk dan de buitenlucht druk. Een ander woord er voor is onderdruk.Deze verloopt dan van 0 tot 1 bar of wel tussen 0 en 100.000 Pa
Naar gelang van de grootte van het vacuüm, wordt het vacuüm in vier klassen ingedeeld:
- 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
Om de grootte van een vacuüm uit te drukken wordt vaak de eenheid torr gebruikt.
[bewerk] Atmosfeer tegenover vacuüm
De aarde wordt omringd door de atmosfeer. Dat is een laag lucht die op de aarde en alles wat zich daarop bevindt een druk uitoefent van één atmosfeer of één bar of 100.000Pa (100kPa). Deze luchtdruk oefent een kracht uit in alle richtingen: de luchtdruk onder een tafel is niet kleiner dan die op de tafel.
Op een hoge berg is de luchtkolom minder hoog en de luchtdruk dus lager.
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. Hoe meer lucht uit de container gezogen wordt, hoe lager de druk in de container. Een druk in een afgesloten ruimte die lager is dan buiten die ruimte heet een onderdruk. Nadert de druk tot nul dan is er sprake van een maximaalvacuüm of luchtledige. Een maximaal vacuüm is niet te bereiken, omdat het vacuüm ergens in moet worden gemaakt, zodat de atomen van het materiaal die deze ruimte begrenzen los zullen laten. Bovendien zijn de vacuümpompen niet goed genoeg. In het dagelijks spraakgebruik in de techniek wordt ook een grote onderdruk wel vaak een groot vacuüm genoemd.
Bij atmosferische druk staan de moleculen van een gas dichter bij elkaar dan bij een luchtdruk die het maximale vacuüm benadert. De gasmoleculen bewegen met hoge snelheid en botsen 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 door middel van een vacuüm 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 kunstmanen.
[bewerk] De grootte van een vacuüm
Vacuüm kan gerealiseerd worden door vacuümpompen, welke een gedeeltelijk vacuüm creëren door het verplaatsen van lucht. 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
Heronder een lijstje met waarden:
- atmosferische druk = 100kPa of 760 torr
- stofzuiger = ongeveer 80kPa of 600 torr
- mechanische vacuümpomp = ongeveer 1.3mPa of 10 millitorr
- ruimte dicht bij de aarde = ongeveer 130µPa of 1×10-6 torr
- druk op de maan= ongeveer 1.3µPa of 1×10-8 torr
- interstellaire ruimte = ongeveer 13nPa of 1×10-10 torr
[bewerk] Eigenschappen van het vacuüm
Geluidstrillingen hebben materie nodig om zich door te verplaatsen: geluid verplaatst zich dus niet door het vacuüm. Een klassiek experiment bestaat uit een hard tikkende wekker onder een vacuümklok. Als de klok wordt leeggepompt hoort men de wekker niet meer tikken, laat men de klok weer vollopen met lucht, dan hoort men het tikken weer wel. Elektromagnetische golven (zoals 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, bijvoorbeeld in de dubbele wand van een thermosfles.
Alhoewel het vacuüm geen leefruimte is, omdat levende wezens materie nodig hebben voor hun stofwisseling, en lucht om te kunnen ademhalen, kunnen toch vele levende wezens (zoals bacteriën, planten, stofmijten) een bepaalde tijd in vacuüm overleven. Dieren exploderen of koken niet als zij kort aan vacuüm blootgesteld worden. Na korte tijd gaat het dier echter dood door verstikking.
[bewerk] 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.
[bewerk] Geschiedenis van de vacuümtechniek
Aristoteles heeft 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.
Uit het onderzoek van Torricelli bleek inderdaad dat in de ruimte boven een kwikkolom (zie afbeelding) zich geen lucht bevond. De ruimte boven de kwikkolum is echter niet een perfect vacuüm omdat het kwik zelf ook een dampspanning doordat de kwikatomen verdampen. De druk is dus niet volledig nul.
[bewerk] Hoogvacuümtechniek
Met behulp van vacuümpompen kan een goed vacuüm bereikt worden, maar het is bijzonder moeilijk om de druk te verlagen tot minder dan 10-11 Torr. Bij dit soort drukken blijken veel materialen vluchtig te zijn en te verdampen of sublimeren. 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 sterrenstelsels. 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.
[bewerk] 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 koolzuur en water.
- Versnellen van elektronen: in een vacuüm 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 ontbreken van zuurstof verbrandde de gloeidraad niet en bleef de lamp lang branden.
- faseleer
- 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)
- vacuüm garen
- door vacuüm garen als kooktechniek wordt het mogelijk te koken op lagere temperaturen, met behoud van waardevolle voedings- en smaakstoffen en om de organisatie van de keuken te vereenvoudigen (sous-vide koken).
- vacuümtafel
- toestel gebruikt o.m. bij de restauratie van schilderijen.
- vacuüm destillatie voor het winnen van organische verbindingen uit planten.
[bewerk] Externe links
- www.nevac.nl - de Nederlandse Vacuümvereniging NEVAC
- www.vacuum-guide.com - Vacuümpompen in Nederland
