Vacuüm

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Ga naar: navigatie, zoeken

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 (nagenoeg) 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 druk van de buitenlucht. Een ander woord ervoor 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 (verouderde) eenheid torr (= mm Hg) gebruikt.

Inhoud

[bewerk] Atmosfeer tegenover vacuüm

De aarde wordt omringd door de atmosfeer. Dat is een laag lucht die op ongeveer zeeniveau op de aarde en alles wat zich daarop bevindt een druk uitoefent van één atmosfeer of één bar of 100.000 Pa (100 kPa). 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.

Door lucht uit een afgesloten vat te pompen, vermindert de druk in het vat. Hoe meer lucht uit het vat gepompt wordt, hoe lager de druk. De 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 maximaal vacuüm of vrijwel luchtledig. Een perfect vacuüm is niet te bereiken, omdat voor het vacuüm een vat nodig is. Water- en andere moleculen die aan de wand hechten en gassen die in de wand gediffundeerd zijn zullen vrij komen en door die continue gasstroom de "kwaliteit" van het vacuüm negatief beïnvloeden. De pompsnelheid (de capaciteit van de pomp) speelt daarbij een grote rol; de minimaal te behalen einddruk wordt bepaald door het evenwicht tussen wandontgassing en pompcapaciteit. In de techniek wordt een zeer goed vacuüm, afhankelijk van de einddruk, een hoog vacuüm of ultra hoog 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 televisiescherm, oscilloscoop, massaspectrometer, elektronenmicroscoop, deeltjesversneller, het opdampen (bijvoorbeeld van een CD), fabricage van geïntegreerde schakelingen, testen van kunstmanen.

[bewerk] De grootte van een vacuüm

Vacuüm kan gerealiseerd worden door vacuümpompen, die een gedeeltelijk vacuüm creëren door het verplaatsen van lucht. In de interstellaire en in de intergalactische ruimte is het vacuüm in het algemeen beter dan ieder vacuüm dat op aarde gerealiseerd kan worden

Heronder een lijstje met waarden:

  • atmosferische druk = 100 kPa of 760 torr
  • stofzuiger = ongeveer 80 kPa of 600 torr
  • mechanische vacuümpomp = ongeveer 1,3 mPa of 10 millitorr
  • ruimte dicht bij de aarde = ongeveer 130 µPa of 1×10-6 torr
  • druk op de maan= ongeveer 1,3 µPa of 1×10-8 torr
  • interstellaire ruimte = ongeveer 13 nPa 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.

Het vacuüm is geen leefruimte, want levende wezens hebben materie nodig voor hun stofwisseling, en lucht om te kunnen ademhalen, maar veel vele levende wezens (zoals bacteriën, planten, stofmijten) kunnen 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 doordat het kwik zelf ook een dampspanning heeft 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 het 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

Vacuümvat
Vacuümvat
  • 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 splitsen zich in een vacuüm in uiterst reactieve zuurstofatomen. Deze zuurstofatomen binden zich met de vetresten. Het vet wordt dan omgezet in koolzuur en water.
  • 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. Moderne gloeilampen worden met argon (een inert gas) gevuld.
  • Elektronenbuizen: Door het vacuüm kunnen elektronen zich in de buis vrij bewegen.
  • 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
  • Faseleer
  • Vacuümverpakking:
    • door vacuüm verpakking wordt bederfbaar voedsel langer bewaard, bijvoorbeeld koffie in vacuüm verpakking
    • door vacuüm verpakking nemen samendrukbare stoffen minder plaats in, bijvoorbeeld (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

 
Persoonlijke instellingen