Vacuüm

Er is sprake van een vacuüm in een ruimte als daar geen lucht of welk ander gas aanwezig is. In dagelijks taalgebruik hanteert men ook wel de term luchtledig. Een perfect vacuüm is technisch niet mogelijk. In een theoretisch perfect vacuüm bedraagt de druk 0 Pa. Op aarde oefent atmosfeer op zeeniveau een druk uit van één atmosfeer of 1 bar, 760 mm Hg of 1013,25 hPa (± 100 kPa).

Het woord vacuüm wordt in twee betekenissen gebruikt:

• In de (theoretische) natuurkunde: een materievrije ruimte.
• In de techniek en de toegepaste wetenschappen: 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.

Indeling

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.

Eigenschappen van vacuüm

Geluidstrillingen hebben materie nodig om zich 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, maar veel 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, maar ze gaan dood door verstikking.

Vacuümwaarden

Hieronder een lijstje met waarden:

• atmosferische druk = 101,325 kPa of 760 torr
• stofzuiger = ongeveer 80 kPa of 600 torr
• mechanische vacuümpomp = ongeveer 1,35 Pa of 10 millitorr
• ruimte dicht bij de aarde = ongeveer 135 µPa of 1×10^-6 torr
• beste vacuüm in een massaspectrometer = 13 µPa of 1×10^-7 torr
• druk op de maan= ongeveer 1,3 µPa of 1×10^-8 torr
• beste vacuüm met een turbopomp = ongeveer 130 nPa of 1×10^-9 torr
• interstellaire ruimte = ongeveer 13 nPa of 1×10^-10 torr
• Laagst haalbaar vacuüm met een titaan-sublimatiepomp = ongeveer 1 nPa of iets minder dan 1×10^-12 torr

Opm: De laatste 3 waarden zijn met een redelijke nauwkeurigheid, maar zeker niet absoluut. De laatste waarde is een berekende benadering door andere verschijnselen dan een vacuümmeter verkregen.

Buiten de dampkring

Buiten de dampkring is het vacuüm veel beter dan ieder vacuüm dat op aarde gerealiseerd kan worden. Wetenschappelijke proeven waarvoor een hoog vacuüm nodig is, worden dan ook aan boord van satellieten uitgevoerd. In de interstellaire ruimte is het vacuüm nog beter. Zelfs dat haalt het niet bij wat er heerst in de intergalactische ruimte, tussen de sterrenstelsels.

Absoluut vacuüm

Uit de kwantumveldentheorie volgt dat een absoluut vacuüm, in de zin van een ruimte zonder deeltjes, theoretisch niet kan bestaan. Het vacuüm, dat wordt gedefinieerd als de toestand met de laagste energie, bevat een veelheid aan virtuele deeltjes, die onder meer verantwoordelijk zijn voor het Casimir-effect.

Technisch vacuüm maken

Een perfect vacuüm is onmogelijk.

Vacuüm maakt men met vacuümpompen door een gedeeltelijk vacuüm creëren met het verplaatsen van lucht. Op aarde is hiervoor een vat nodig. Water- en andere moleculen die aan de wand hechten en gassen die in de wand gediffundeerd zijn zullen vrijkomen. Die continue gasstroom beïnvloedt de kwaliteit van het vacuüm negatief.

Door lucht uit een afgesloten vat te pompen (het vat vacuüm te maken), vermindert de druk in het vat. Hoe meer lucht uit het vat gepompt wordt, hoe lager de druk. De druk in het vat, die lager is dan buiten het vat, heet een onderdruk. Nadert de druk tot nul dan is er sprake van een maximaal vacuüm of vrijwel luchtledig. De capaciteit van de pomp speelt hierbij een grote rol: de minimaal te behalen einddruk wordt bepaald door het evenwicht tussen wandontgassing en pompcapaciteit.

Geschiedenis van de vacuümtechniek

Aristoteles heeft beweerd dat een luchtledig niet kon bestaan omdat het bestaan ervan een logische tegenstrijdigheid zou inhouden (horror vacui). 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 zich geen lucht bevond. Dit heet het vacuüm van Torricelli. Dit is echter geen perfect vacuüm doordat het kwik zelf ook een dampspanning heeft doordat de kwikatomen verdampen. De druk is dus niet volledig nul.

Toepassingen

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.
• 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.
• Opdampen van spiegels en lagen silicium bij de halfgeleiderfabricage (chips).
• 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 en massaspectrometer
• Faseleer
  • Het verlagen van kookpunt (voor destillaties van fracties met hoog kookpunt)
  • Vriesdrogen
• 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 onder meer bij de restauratie van schilderijen.
• Vacuümdestillatie voor het winnen van organische verbindingen uit planten.

Vrije weglengte

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 minder vaak 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.

Externe links

• www.nevac.nl - de Nederlandse Vacuümvereniging NEVAC
• www.vacuum-guide.com - Vacuümpompen in Nederland

Mediabestanden

Zie de categorie Vacuum van Wikimedia Commons voor meer mediabestanden.