לפי ההגדרה בפיזיקה, המושג "וואקום" מרמז על היעדר כל חומר ואלמנטים של חומר במרחב מסוים, במקרה הזה מדברים על ואקום מוחלט. ואקום חלקי נצפה כאשר צפיפות החומר במקום נתון בחלל נמוכה. בואו נסתכל מקרוב על הנושא הזה במאמר.
וואקום ולחץ
בהגדרת המושג "וואקום מוחלט" מדברים על צפיפות החומר. מהפיסיקה ידוע שאם מתחשבים בחומר גזי, אז צפיפות החומר עומדת ביחס ישר ללחץ. בתורו, כשמדברים על ואקום חלקי, רומזים שצפיפות חלקיקי החומר בחלל נתון קטנה מזו של אוויר בלחץ אטמוספרי רגיל. לכן שאלת הוואקום היא שאלה של לחץ במערכת המדוברת.
בפיסיקה, לחץ מוחלט הוא כמות השווה ליחס הכוח(נמדד בניוטון (N)), המופעל בניצב על משטח כלשהו, על שטח המשטח הזה (נמדד במטרים רבועים), כלומר, P=F / S, כאשר P הוא לחץ, F הוא כוח, S הוא שטח פנים. יחידת הלחץ היא פסקל (Pa), כך ש-1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
ואקום חלקי
נקבע בניסוי שבטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס על פני כדור הארץ בגובה פני הים, הלחץ האטמוספרי הוא 101,325 פא. לחץ זה נקרא האטמוספירה הראשונה (atm.). בערך, אנו יכולים לומר שהלחץ הוא 1 אטמוספירה. שווה ל-0.1 MPa. בתשובה לשאלה כמה אטמוספרות יש ב-1 פסקל, אנחנו יוצרים את הפרופורציה המתאימה ומקבלים ש-1 Pa=10-5 atm. ואקום חלקי מתאים לכל לחץ בחלל הנבדק שהוא פחות מ-1 atm.
אם נתרגם את הדמויות המצוינות משפת הלחץ לשפת מספר החלקיקים, אז יש לומר שב-1 atm. 1 m3 של אוויר מכיל בערך 1025 מולקולות. כל ירידה בריכוז המולקולות הנקוב מובילה להיווצרות ואקום חלקי.
מדידת ואקום
המכשיר הנפוץ ביותר למדידת ואקום קטן הוא ברומטר קונבנציונלי, שניתן להשתמש בו רק כאשר לחץ הגז הוא כמה עשרות אחוזים מהאטמוספרי.
כדי למדוד ערכי ואקום גבוהים יותר, נעשה שימוש במעגל חשמלי עם גשר Wheatstone. הרעיון של שימוש הוא למדודההתנגדות של אלמנט החישה, התלויה בריכוז המולקולות שמסביב בגז. ככל שריכוז זה גדול יותר, כך יותר מולקולות פוגעות באלמנט החישה, וככל שהוא מעביר אליהן יותר חום, הדבר מוביל לירידה בטמפרטורת היסוד, המשפיעה על ההתנגדות החשמלית שלו. מכשיר זה יכול למדוד ואקום בלחצים של 0.001 atm.
רקע היסטורי
מעניין לציין שהמושג "וואקום מוחלט" נדחה לחלוטין על ידי פילוסופים יוונים עתיקים מפורסמים, כמו אריסטו. בנוסף, קיומו של לחץ אטמוספרי לא היה ידוע עד תחילת המאה ה-17. רק עם כניסת העידן החדש החלו להתבצע ניסויים בצינורות מלאים במים וכספית, שהראו כי האטמוספירה של כדור הארץ מפעילה לחץ על כל הגופים הסובבים. בפרט, בשנת 1648, בלייז פסקל הצליח למדוד לחץ באמצעות ברומטר כספית בגובה של 1000 מטר מעל פני הים. הערך הנמדד התברר כנמוך בהרבה מאשר בגובה פני הים, ובכך הוכיח המדען את קיומו של לחץ אטמוספרי.
הניסוי הראשון שהדגים בבירור את כוחו של לחץ אטמוספרי וגם הדגיש את מושג הוואקום בוצע בגרמניה בשנת 1654, הידוע כיום בשם ניסוי הכדור מגדבורג. בשנת 1654 הצליח הפיזיקאי הגרמני אוטו פון גריקה לחבר בחוזקה שתי חצאי מתכת בקוטר של 30 ס מ בלבד, ולאחר מכן שאב אוויר מהמבנה שנוצר, ובכך יצרואקום חלקי. הסיפור מספר ששתי קבוצות של 8 סוסים כל אחת, שמשכו לכיוונים מנוגדים, לא יכלו להפריד בין הספירות הללו.
וואקום מוחלט: האם הוא קיים?
במילים אחרות, האם יש מקום במרחב שאינו מכיל שום חומר. טכנולוגיות מודרניות מאפשרות ליצור ואקום של 10-10 Pa ואפילו פחות, אבל הלחץ המוחלט הזה לא אומר שלא נותרו חלקיקי חומר במערכת הנבדקת.
בוא נפנה עכשיו לחלל הריק ביותר ביקום - לשטח פתוח. מהו הלחץ בוואקום של החלל? הלחץ בחלל החיצון מסביב לכדור הארץ הוא 10-8 Pa, בלחץ זה יש כ-2 מיליון מולקולות בנפח של 1 ס"מ3. אם מדברים על מרחב בין-גלקטי, אז לפי מדענים, אפילו בו יש לפחות אטום אחד בנפח של 1 ס"מ3. יתרה מכך, היקום שלנו חדור בקרינה אלקטרומגנטית, שהנשאים שלה הם פוטונים. קרינה אלקטרומגנטית היא אנרגיה שניתן להמיר למסה המתאימה לפי נוסחת איינשטיין המפורסמת (E=mc2), כלומר, אנרגיה, יחד עם החומר, היא מצב של חומר. זה מוביל למסקנה שאין ואקום מוחלט ביקום המוכר לנו.
