“Chân không” hoặc “môi trường chân không” là những thuật ngữ quen thuộc trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, sản xuất công nghiệp. Vậy chân không là gì? Môi trường chân không là gì? Cùng HCTECH khám phá những thông tin thú vị về loại môi trường đặc biệt này.
1. Chân không là gì?
Chân không là không gian không chứa bất kì vật chất nào, tên gọi tiếng anh là “vacuum” và xuất phát từ “vacuus” theo tiếng Latin có nghĩa là “bỏ trống” hoặc “Khoảng trống”. Chân không là môi trường như thế nào? Về mặt lý thuyết hay thực tiễn đã chứng minh rằng, chân không là một khu vực có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển khá nhiều.
Các nhà vật lý có nhiều chủ đề nghiên cứu xoay quanh môi trường chân không, các phản ứng hoặc vật thể trong môi trường chân không hoàn hảo. Với họ, thỉnh thoảng gọi là “chân không” hoặc là không gian trống.
Hình ảnh chân không bên ngoài khí quyển
2. Ví dụ về môi trường chân không
Bạn có thể hình dung về môi trường chân không qua một số ví dụ sau:
- Hút toàn bộ lượng không khí trong không gian kín như chai, lọ, túi nilon,…. là bạn đã tạo ra một môi trường chân không bên trong không gian đó. Đơn giản là ví dụ các túi thực phẩm đã được hút chân không trong siêu thị.
- Dùng bơm chân không để tạo môi trường chân không cho các nghiên cứu, thí nghiệm.
- Một ví dụ khác cho chân không: tại các xưởng sản xuất bún hay tinh bột, người ta dùng bơm chân không để loại bỏ khí, tạo môi trường chân không để hỗ trợ làm khô bột.
- Người ta dùng bơm chân không để hút không khí ra khỏi bình tích, trong bình tích xuất hiện một môi trường chân không.
Chân không hoàn hảo là loại chân không không có bất kì một vật chất nào cả. Tuy nhiên, trong thực tế, việc tạo ra môi trường chân không hoàn hảo cực khó. Người ta chỉ tạo được các môi trường chân không không hoàn hảo (hay môi trường chân không tương đối). Tức là áp suất thấp hơn áp suất khí quyển nhưng vẫn còn tồn tại lượng rất ít vật chất.
>> Xem thêm: Chân không dẫn điện hay cách điện tại sao?
3. Phân loại chân không
* Atmospheric Pressure: Được gọi là áp suất khí quyển tiêu chuẩn (760 Torr)
* Low Vacuum: Là chân không thô, có thể đạt được bằng những thiết bị thô sơ như máy hút bụi và cột áp kế lỏng.
* Medium Vacuum: Chân không trung bình, nó có thể đạt được với 1 bơm hút chân không duy nhất nhưng áp suất khá thấp để đo lường với 1 áp kế khí. Nó có thể đo bằng một thước đo McLeod, đo nhiệt hoặc 1 máy đo điện dung.
* High Vacuum: Chân không cao, thường đòi hỏi phải bơm nhiều giai đoạn và đo lường ion.
* Ultra High Vacuum: Chân không siêu cao đòi hỏi phải sử dụng khoang nung để loại bỏ các dấu vết của một số loại khó, quy trình cũng đặc biệt khác. Đối với tiêu chuẩn của Anh và Đức xác đinh mức chân không siêu cao là mức áp suất dưới 10-6 Pa (10-8 Torr)
* Perfect Vacuum: là trạng thái lý tưởng của chân không. Ở trạng thái này không tồn tại bất cứ hạt vật chất nào. Nó không thể đạt được ở trong phòng thí nghiệm mặc dù có thể có khối lượng nhỏ, thời gian ngắn và không có hạt vật chất nào trong đó. Ngay cả khi tất cả các hạt của vật chất đã được gỡ bỏ, vẫn sẽ là photon và graviton, năng lượng tối, những hạt ảo, và các khía cạnh khác của chân không lượng tử.
Mô tả một số loại chân không, mật độ vật chất càng thấp thì chất lượng chân không càng cao
4. Đo lường chân không
Chất lượng của chân không được biểu thị bằng lượng vật chất còn lại trong hệ thống. Do đó, một chân không chất lượng cao là bao gồm rất ít vật chất còn lại trong nó. Chân không chủ yếu được đo bằng áp suất tuyệt đối của nó, nhưng một đặc tính hoàn chỉnh đòi hỏi các thông số hơn nữa, chẳng hạn như nhiệt độ và thành phần hóa học.
Người ta sử dụng các đơn vị đo áp suất chân không để biểu thị về độ lớn của chân không: atm, torr, pa, mbar,…
Bảng đo lường chân không qua các đơn vị đo
Thực tế cho thấy rằng ở bất cứ đâu trong vũ trụ chưa có nơi nào tồn tại áp suất chân không hoàn hảo như lý thuyết. Những thí nghiệm và ứng dụng chỉ có thể tạo ra khoảng không gian chứa một số nhỏ lượng vật chất và áp suất thấp.
Tuy nhiên chúng cũng được gọi là chân không. Trong kỹ thuật khi nói về những bơm hút chân không được hiểu tùy theo quy ước về giới hạn áp suất. Vậy chân không được hiểu rằng khoảng không-thời gian cụ thể bao gồm mật độ vật chất thấp hoặc rất thấp và khái niệm này được hiểu một cách tương đối.
Các ví dụ về môi trường chân không cũng mang tính chất tương đối. Ví dụ một bơm chân không hút chân không cho buồng kín nhất định, lượng vật chất còn lại ở đây rất ít (không thể hoàn toàn không có), người ta vẫn gọi không gian ở buồng kín này là môi trường chân không.
>> Tham khảo thêm: Thế nào là áp suất âm?
5. Tương đối so với phép đo tuyệt đối
Áp suất chân không và áp suất khí quyển có tương quan thế nào? Như đã nhắc ở trên, chân không có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển rất nhiều.
Chân không được đo bằng đơn vị áp suất, thường là tương đối trừ cho môi trường xung quanh áp suất khí quyển trên Trái đất. Tuy nhiên, số lượng chân không thể đo lường được tương đối khác nhau với điều kiện địa điểm, vị trí.
Trên bề mặt của sao Mộc, nơi mà áp suất khí quyển trên mặt đất là cao hơn nhiều so với trên Trái đất, áp suất chân không tương đối sẽ cao hơn nhiều. Cũng như trên bề mặt của mặt trăng với hầu như không có bầu khí quyển, nó sẽ là vô cùng khó khăn để tạo ra một chân không tương đối.
5.1. Đơn vị đo tương đối
Các đơn vị SI áp lực là pascal (biểu tượng Pa), nhưng chân không thường được đo lường trong torrs, được đặt tên cho Torricelli, một nhà vật lý người Ý đầu tiên (1608-1647). Một torr bằng sự dịch chuyển của một milimet thủy ngân (mmHg) trong một áp kế với 1 torr bằng 133,3223684 Pascals trên độ không áp suất tuyệt đối.
Chân không thường cũng đo khí áp trên quy mô hoặc là một tỷ lệ phần trăm của áp suất không khí trong các thanh bar. Chân không thấp thường được đo bằng milimet thủy ngân (mmHg) hoặc Pascals (Pa) dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn. “Dưới không khí” có nghĩa là áp suất tuyệt đối bằng với áp suất khí quyển hiện nay.
5.2. Thiết bị đo lường
Nhiều thiết bị được sử dụng để đo áp lực trong chân không, phụ thuộc vào phạm vi của chân không là cần thiết.
Đồng hồ đo lực thủy tĩnh (như cột áp kế thủy ngân) bao gồm một cột dọc của chất lỏng trong một ống có đầu tiếp xúc với những áp lực khác nhau. Cột này sẽ tăng hay giảm cho đến khi trọng lượng của nó là cân bằng với chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống.
Chỉ số McLeod có thể đo chân không cao như 10-6 torr (0,1 mPa). Đó là phương pháp đo trực tiếp thấp nhất trong áp suất có thể với công nghệ hiện tại.
Đồng hồ đo chân không khác có thể đo áp suất thấp hơn, nhưng chỉ gián tiếp bằng cách phép đo các đặc tính chịu áp lực kiểm soát khác. Các phép đo gián tiếp phải được hiệu chỉnh thông qua một phép đo trực tiếp, phổ biến nhất là một thước đo McLeod.
Thiết bị đo lường chân không
Các kenotometer là một loại máy đo thủy tĩnh, thường được sử dụng trong các nhà máy điện sử dụng tua bin hơi nước. Các kenotometer đo chân không vào khoảng trống hơi nước của bình ngưng, đó là ống xả của giai đoạn cuối cùng của tuabin.
Đồng hồ đo cơ khí hoặc đàn hồi phụ thuộc vào một ống Bourdon, màng ngăn, hoặc viên nang, thường được làm bằng kim loại, điều này sẽ thay đổi hình dạng để đáp ứng với áp suất của vùng.
Đồng hồ ion đo được sử dụng trong chân không siêu cao. Họ có hai loại: catot nóng và catot lạnh. Trong bản catot nóng, một sợi nung nóng bằng điện tạo ra một chùm tia điện tử. Các electron di chuyển trong đồng hồ và ion hóa các phân tử khí xung quanh. Các ion kết quả được thu thập tại một điện cực âm. Dòng điện phụ thuộc vào số lượng của các ion và phụ thuộc vào áp suất trong máy đo.
Đồng hồ chuyên dụng để đo lường áp suất chân không
6. Ứng dụng chân không
Hiểu được khái niệm chân không, môi trường chân ko là gì? Con người đã biết dùng chúng một cách hữu ích trong một loạt các quy trình và các thiết bị.
Đầu tiên sử dụng rộng rãi của nó là trong bóng đèn sợi đốt để bảo vệ dây tóc từ sự tác động của hóa học. Một số tính chất trơ của khí hóa học được tạo ra bởi ứng dụng chân không. Chân không cũng hữu ích cho hàn chùm tia điện tử, hàn lạnh, đóng gói chân không và chiên chân không.
Chân không siêu cao được sử dụng trong việc nghiên cứu làm sạch bề mặt nguyên tử. Việc sử dụng chân không rất tốt trong bảo quản bề mặt sạch nguyên tử với quy mô trong một khoảng thời gian lâu dài.
Chân không sâu làm giảm nhiệt độ sôi của chất lỏng và đẩy mạnh quá trình bốc khí ở nhiệt độ thấp. Do đó, chúng được sử dụng trong sấy, chưng cất, luyện kim và quá trình tẩy. Các sản phẩm, thực phẩm, nông sản… sấy trong chân không đem lại giá trị cao. Các tính chất điện của chân không làm cho kính hiển vi điện tử và ống chân không, bao gồm cả ống tia cathot.
Ứng dụng chân không trong sản xuất đèn chiếu sáng
Các sản phẩm nông sản từ công nghệ sấy chân không
7. Lịch sử nghiên cứu về chân không
Chân không là một trong những chủ đề thường xuyên của các cuộc tranh luận triết học từ thời Hy Lạp cổ đại, nhưng đã không được nghiên cứu thực nghiệm cho đến thế kỷ 17. Đã có nhiều tranh cãi về việc liệu một cái gì gọi là chân không hay chân không là cái gì?
Nhà triết học Hy Lạp cổ đại tranh luận về sự tồn tại của chân không, hoặc bãi bỏ, trong bối cảnh của thuyết nguyên tử, trong đó thừa nhận giá trị và nguyên tử là các yếu tố cơ bản của giải thích vật lý.
Theo Plato, ngay cả những khái niệm trừu tượng của một khoảng trống gì đặc biệt phải đối mặt với thái độ hoài nghi đáng kể: nó không thể được bắt giữ bởi các giác quan, nó có thể không, tự nó, bổ sung thêm tính chất lý giải vượt quá khối lượng vật lý mà nó là tương xứng và, theo định nghĩa, đó là theo đúng nghĩa đen không có gì cả, có thể không đúng được cho là tồn tại.
Nhà bác học Aristotle
Trong cuốn sách IV, Aristotle đã cung cấp nhiều luận cứ chống lại sự trống rỗng. Ví dụ, chuyển động qua một môi trường trong đó không có trở ngại có thể tiếp tục vô tận. Mặc dù Lucretius lập luận cho sự tồn tại của chân không trong thế kỷ thứ nhất trước Công nguyên và Anh hùng Alexandria đã cố gắng nhưng không thành công để tạo ra một chân không nhân tạo vào thế kỷ đầu tiên. Do đó là các học giả châu Âu như Roger Bacon, Blasius của Parma và Walter Burley trong thế kỷ 13 va 14 đã tập trung sự chú ý vào những vấn đề này.
Nhà vật lý học Farabi
Trong thời Trung cổ thế giới Trung Đông, các nhà vật lý và học giả Hồi giáo, Al-Farabi (Alpharabius, 872-950), đã tiến hành một thí nghiệm nhỏ liên quan đến sự tồn tại của chân không. Trong đó, ông nghiên cứu pittông cầm tay trong nước, ông kết luận rằng lượng khí có thể mở rộng để lấp đầy không gian có sẵn, và ông cho rằng các khái niệm về chân không hoàn hảo là không mạch lạc.
Tuy nhiên, theo Nader El-Bizri, nhà vật lý Ibn al-Haytham (Alhazen, 965-1039) và các nhà thần học Mu’tazili không đồng ý với Aristotle và Al-Farabi, và họ ủng hộ sự tồn tại của một khoảng trống. Bằng cách sử dụng hình học, Ibn al-Haytham chứng minh nơi (al-Makan) là khoảng trống tưởng tượng ba chiều giữa các bề mặt bên trong của một cơ quan chứa.
Thế kỷ 17 chứng kiến sự nỗ lực đầu tiên để định lượng các phép đo của một phần chân không, phong vũ biểu thủy ngân Evangelista Torricelli của năm 1643 và các thí nghiệm Blaise Pascal rằng cả hai đã chứng minh một phần chân không một phần. Chân không là môi trường như thế nào dần dần được sáng tỏ…
Nhà vật lý học Otto von Guericke
Trong năm 1654, Otto von Guericke phát minh ra máy bơm chân không đầu tiên và tiến hành thí nghiệm bán cầu Magdeburg nổi tiếng của ông.Trong thí nghiệm này có 16 con ngựa được chia sang 2 bên, mỗi bên kéo 1 bán cầu kim loại đã mài nhẵn, đặt áp sát nhau và được rút hết khí ở trong bằng bơm hút chân không do ông chế tạo. Thông qua thí nghiệm này con người mới thấy được sức ép to lớn từ bầu khí quyển lên mặt đất như thế nào.
Chân không đã trở thành một công cụ có giá trị công nghiệp trong thế kỷ 20 với sự ra đời của bóng đèn sợi đốt và ống chân không, và một loạt các công nghệ chân không đã trở thành phổ biến. Sự phát triển gần đây của các chuyến bay vũ trụ của con người đã nâng quan tâm đến tác động của chân không sức khỏe con người, và hình thức cuộc sống nói chung.
Qua thời gian dài nghiên cứu của con người, khái niệm chân không, môi trường chân không dần dần được sáng tỏ. Con người cũng đã nghiên cứu cách tạo ra môi trường chân không để áp dụng vào đời sống và sản xuất.
Ngày nay, người ta dễ dàng tạo ra một môi trường chân không nhờ có các máy bơm hút chân không vòng dầu, vòng nước, hệ thống bơm hút chân không…
8. Con người và động vật có tồn tại được trong môi trường chân không?
Người và động vật tồn tại trong môi trường chân không sẽ mất ý thức sau một vài giây và chết vì tình trạng thiếu oxy trong vài phút, nhưng các triệu chứng gần như không giống hình ảnh thường được mô tả trong phương tiện truyền thông và văn hóa phổ biến.
Sự bí khí có thể gây sưng phồng một số cơ quan bên trong cơ thể lên gấp hai lần kích thước bình thường của nó và làm chậm lại viêc trao đổi chất.
Ứng dụng chân không trong sản xuất công nghiệp
Để đánh giá sự tác động của chân không lên động vật. Người ta đã thực hiện thí nghiệm động vật sống trong mooi trường chân không. Thí nghiệm trên động vật đã cho thấy sự phục hồi nhanh chóng là điều bình thường nếu thời gian tiếp xúc trong môi trường chân không ngắn hơn 90 giây. Trong trường hợp tiếp xúc với toàn bộ cơ thể trong thời gian dài hơn sẽ gây tử vong và việc hồi sức chưa bao giờ thành công.
Có rất ít những dữ liệu có sẵn từ tai nạn con người. Sử dụng tay và chân tiếp xúc với môi trường chân không có thể diễn ra lâu hơn nếu hơi thở không bị ảnh hưởng. Vào năm 1660 Robert Boyle là người đầu tiên thí nghiệm chân không gây tử vong cho động vật nhỏ.
Trên đây là khái niệm môi trường chân không là gì, hiểu được thế nào là môi trường chân không và các thông tin liên quan. Hy vọng bài viết đem lại cho bạn những thông tin và kiến thức hữu ích. Cảm ơn bạn đọc đã theo dõi bài viết!
Nguồn: HCTECH biên dịch
Trả lời
Bạn phải đăng nhập để gửi bình luận.