hidromechanikos

2227 0

Untitled

LIETUVOS AUKŠTOJI JŪREVYSTĖS MOKYKLA

LAIVŲ ENERGETIKOS KATEDRA

O.Gėrikės bandymai su oru ir vakumu

Klaipėda, 2013

Turinys

Įvadas

Dabartiniaislaikais vakuumą yra sutarta laikyti uždarą erdvę arba kamerą, kur dujų slėgis yra žemesnis nei atmosferos slėgio (101,3 kPa), arba buvo sumažintas tiek, kiek reikia, kad dujos būtų maksimaliai suspaustos ir neišeitų laukan. Vakumas šiais laikais naudojamas daugelyje prietaisų, kaip vakuminės sklendės kurios naudojamos mašinuose, reguliuojant turbinos kintamają geometriją ar recirkuliacinį dujų vožtuvą. Dažnai vakumas pritaikomas ir buityje, su dulkiu siurbliu išsiurbent orą iš specialių maišų su rūbais, taip sutaupant daaug vietos spintoje.

Pramoninis vakuumo panaudojimas siekia nuo mechaninio valdymo iki mikroscemų gamybos. Vakuuminiai reikalavimai taip plačiai keičiasi kaip ir patys daliniai vakuumo panaudojimo procesai. Nepakankamo lygio vakuume nuo 1 toro iki artimo atmosferiniam, tipiškai vakuumas naudojamas mechaniniam rankiniams procesams, vakuuminiam pakavimui ir  formavimui, dujų modeliavimui, filtravimui, alyvų “išdujinimui”, vandeninių tirpalų koncentracijai, elektrinių komponentų impregnacijai, distiliacijai.

Žemesniame slėgyje, apie 10-4 oro, gali vykti daugelis metalurginių procesų, tokių kaip lydymasis, liejimas, lydymas, litavimas. Cheminiams procesams, tokiems kaip vakuuminė distiliacija ir sausas užšaldymas, taip pat reikia tookio vakuumo. Sausas užšaldymas plačiai naudojamas farmacijos pramonėje vakcinų ir antibiotikų paruošimuiir odos bei kraujo plazmos saugojimui. Maisto pramonėje plačiausiai naudojamas kavos pakavimui, taip pat daugeliui produktų, kurie gali būti saugomi be atšaldymo po sauso užšaldymo. Ši technika vis plačiau na

audojama.

Slėgis iki apie 10-8 toro yra naudojamas kriogeninei (žemos temperatūros) ir elektrinei izoliacijai. Jis naudojamas lempų produkcijai, televizijos elektroninėm lempom, rentgeno lempom; dekoratyvinėms, optinėms, elektrinėms plonasluoksnėms dangoms; daugeliui spektrometrų nutekėjimo detektorių. Lotynų kl. vakuum – tuštuma.

OTAS GĖRIKĖ

O. GĖRIKĖ — ŽYMUS XVII AMŽIAUS FIZIKAS EKSPERIMENTATORIUS, IŠRADĘS DU SVARBIUS PRIETAISUS: ORO SIURBLĮ BEI ELEKTROS MAŠINĄ, IR ATLIKĘS PLAČIAI PAGARSĖJUSIUS BANDYMUS SU IŠRETINTU ORU, KURIE PADEMONSTRAVO EKSPERIMENTINIŲ MOKSLŲ SVARBĄ TIRIANT GAMTĄ.

Gėrikėstėvas tarnavo Lenkijos karaliui ir Lietuvos didžiajam kunigaikščiui Steponui Batorui, 0x08 graphic
vykdė diplomatinius pavedimus. Otas Gėrikė gimė 1602 m. lapkričio 20 d. Magdeburge. Baigęs miesto mokyklą, studijavo teisę keliuose Vokietijos universitetuose, paskui dar dvejus metus mokėsi Leideno universitete fizikos ir technikos, po metų grįžo į Magdeburgą, vedė ir ėmė tarnauti miesto taryboje, nuo tol visą gyvenimą paskirdamas gimtojo miesto reikalams.

Nors ir būdamas labbai užsiėmęs, Gėrikė laisvalaikiu pradėjo bandymais tirti seną problemą: ar egzistuoja gamtoje tuštuma? Gėrikė pradėjo naujus bandymus tuštumos egzistavimui patikrinti. Jis pakeitė siurblio konstrukciją ir 1641 m. sukūrė pirmąjį oro siurblį. Juo buvo bandyta siurbti orą iš tuščiavidurio varinio rutulio, bet šis netrukus susiplojo, tarsi būtų suslėgtas didžiulės jėgos. Stokodamas laiko, Gėrikė šių bandymų rezultatų nepaskelbė, taigi lieka neaišku, kada jis suprato, kad tuštumos susidarymui priešinasi ne jos baimė, o atmosferos slėgis. Gėrikė teigė jį atradęs pats, nepriklausomai nuo Toričelio.

Gėrikė parodė, jog

g, išsiurbus orą iš indo, kuriame yra deganti žvakė arba skambutis, žvakės liepsna užgęsta, o skambutis nustoja skambėti. Tai liudijo, kad garsas sklinda oru.

Gėrikės bandymus pirmasis aprašė ne pats autorius, bet Viurcburgo universiteto profesorius jėzuitas K. Šotas dviejose savo knygose, išleistose 1657 m. ir 1664 m. Deja, būdamas senojo mokslo šalininkas, Šotas aiškino reiškiniustradicine tuštumos baime.

Prie savo namų fasado Gėrikė įtaisė didelį barometrą — „žmogutį, spėjantį orą”, kuris traukė praeivių dėmesį. Kintant oro slėgiui, žmogutis prieš lietų leisdavosi žemyn, o prieš giedrą kildavo aukštyn.

1672 m. Gėrikė pagaliau pats išleido knygą „Nauji Magdeburgo bandymai su tuščia erdve”. Autorius čia ne tik aprašė ir teisingai interpretavo įvairius savo bandymus, bet pridėjo keletą skyrių apie tuštumos reikšmę pasaulio erdvėje ir Saulės sistemą, pateikdamas naujų astronomijos duomenų. Gėrikė buvo eksperimentatorius, todėl jo knygoje nėra jokių matematinių įrodymų. Čia pateikti tik kai kurie skaitiniai duomenys lentelių pavidalu.

Savo knygoje Gėrikė aprašė ir įdomius bandymus su elektra. Gėrikė sukonstravo pirmąją elektros mašiną, nustatė, kad elektrinė jėga galibūti ne tik traukos, bet ir stūmos, kad įelektrinimą galima perduoti kitam kūnui neilga linine virvute. Deja, šie elektros tyrimai, skirtingai nei bandymai su tuštuma, nesulaukė didesnio amžininkų dėmesio.

0x08 graphic
Pirmasis bandymas tuštumos egzistavimui patikrinti

O. Gerikė atliko su sandaria statine, pilna vandens, ir siurbliu. Jo many

ymu, iš apačios išsiurbiant vandenį, statinės viršuje turėjo susidaryti tuštuma. Tačiau pastangos, išsiurbus vandenį gauti tuštumą, buvo bergždžios, nors statinė buvo gerai išsmaluota. O. Gerikės manymu, čia kaltas buvo medis, jo poros, pro kurias praėjo oras. Tą patį eksperimentą jis sugalvojo pakartoti, tik statinę įstatė į kitą, didesnę statinę su vandeniu, kad prie mažesniosios neprieitų oras. Vandenį iš mažesnės statinės pasisekė išpumpuoti, bet po kurio laiko, visų žiūrovų nuostabai, ji pasirodė pripildyta iš dalies oro, iš dalies vandens, vis dėlto prasiskverbusių pro medienos poras.

Supratęs, kad medienos poringumas yra visų nesėkmių priežastis, Gerikė nusprendė paimti eksperimentui ne medinę statinę, o varinį rutulį. Pirmieji laimėjimai nepatenkino Gerikės. Jis eksperimentavo toliau. Išsiurbtą varinį rutulį jis sujungė su vamzdeliu su maždaug ¾ uolekties (Magdeburgo uolektis lygi 55 cm) skersmens variniu cilindru, kuriame taip pat buvo stūmoklis. Tada jis pakvietė 40 ar 50 žmonių ir pasiūlė jiems traukti stūmoklį iš cilindro. Jie pajėgė ištraukti stūmoklį tik iki pusės cilindro aukščio.

AntrasisO.Gėrikės bandymas

0x08 graphic
„Jis užsakė du varinius pusrutulius maždaug 3/4 Magdeburgo uolekties skersmens arba tiksliau (meistrai nelabai laikosi užsakytų dydžių) 67 šimtųjų uolekties. Abi pusės buvo visiškai vienodos. Prie vieno pusrutulio buvo pritaisytas čiaupas (sklendė), kuris padėjo ištraukti orą iš pusrutulių arba jo įleisti. Be to, prie abiejų pusrutulių buvo pritaisyti geležiniai žiedai su įvertomis virvė

ėmis arkliams kinkyti. Po to užsakė odinį žiedą, išmirkytą vaško ir terpentino tirpale, kad jis nepraleistų oro. Šis žiedas buvo įdėtas tarp pusrutulių ir iš jų buvo greitai išsiurbtas oras. Pusrutuliai taip stipriai prisispaudė prie odinio žiedo, kad šešiolika arklių arba visai negalėjo jų išskirti, arba juos išskirdavo labaisunkiai. Kai pusrutuliai atsiskirdavo, pasigirsdavo garsas, panašus į šautuvo šūvį. Kai į pusrutulius buvo įleidžiama oro pro čiaupą, juos išskirti būdavo visiškai lengva. . Kadangi atskirti pusrutuliai visada šiek tiek apsidaužydavo, ypač jeigu jie nukrisdavo ant žemės, ir dažniausiai prarasdavo taisyklingą rutulio formą, užsakiė didesnius pusrutulius — vienos uolekties skersmens. Tačiau ir jų šaltkalviai nepadarė tiksliai: pusrutulių skersmuo buvo 97 šimtosios uolekties. Kai iš šių pusrutulių buvo išsiurbtas oras, jų jau nebeišskyrė 24 žirgai. Tačiau kai į juos patekdavo oro, atskirti būdavo labai lengva.

Tai buvo bene pats akivaizdžiausias atmosferos slėgio įrodymas per visą fizikos istoriją. Piešinys su pusrutuliais ir įsitempusiais žirgais pateko į visus fizikos vadovėlius. Žinomas fizikos populiarintojas J. Perelmanas apskaičiavo, kiek reikėtų žirgų, šiems Gėrikės pusrutuliams atskirti. Tarkime, kad į vieną kvadratinį centimetrą oras slegia vieno kilogramo jėga. Kaip rašė Gėrikė, pusrutuliai buvo 0,67 uolekties (37 cm) skersmens. Tada skritulio plotas, į kurį slegia atmosferos stulpas, bus lygus 1075 cm2. Vadinasi, atmosferos slėgis viršys 1075 kG. Taigi iš kiekvienos pusės žirgai turėtų traukti 1075 kG jėga. Magdeburgo pusrutuliams atskirti reikėtų 13 žirgų iš kiekvienos pusės (1000:80=13). Žinoma, būtų galima apsieiti ir su 13 žirgų, bet iš kitos pusės reikėtų pririšti pusrutulius prie medžio kamieno.

Vakumo gylis

Kuo gilesnis inde vakuumas, tuo mažesnis jame dujų slėgis p. Tačiau, netgi sudariussandariame inde gilų vakuumą, jo kubiniame centimetre lieka maždaug po 1000 milijardų dujų molekulių, o tų dujų slėgis yra 10-4 mm Hg eilės.

Šiuolaikinės technikos priemonėmis pasiekiamas toks vakuumas, kad dujų slėgis lieka mažesnis kaip 10-11 mm Hg. Tada 1 cm3 dar būna keli šimtai tūkstančių molekulių.

Gilus vakuumas yra būtinas ne tik moksliniams tyrumams, bet ir daugelio technikos įrenginių – televizinių vamzdžių, Rentgeno aparatų, radijo lempų ir kt. – normaliam darbui.

Giliausias gamtoje įmanomas vakuumas būtų erdvėje visai be molekulių ar kitokių dalelių (lotynų kl. vakuum – tuštuma). Tačiau ir erdvės be dalelių negalime laikyti tuščia, nes joje visada egzistuoja gravitacinis ir elektromagnetinis laukas.

Vakuumo skalės

0x08 graphic
Nėravisiškai sutarta dėl vakuumo skalių žymėjimo, jų ribų nustatymo, tačiau tipinės ribos yra šios:

Mažas vakuumas

100-3.3 kPa

Vidutinis vakuumas

3.3 kPa – 130 mPa

Didelis vakuumas

130 mPa – 130 µPa

Labai didelis vakuumas

130 µPa – 130 nPa

Superdidelis vakuumas

130 nPa ir mažiau

Absoliutusis vakuumas

Yra ideali būsena, kuri praktiškai negali būti pasiekta nei laboratorijoje, nei atvirame kosmose, kur yra keli vandenilio atomai kubiniame centimetre (10-14 Pa). Dabartiniais laikais vakuumą yra sutarta laikyti uždarą erdvę arba kamerą, kur dujų slėgis yra žemesnis nei atmosferos slėgio (101 kPa), arba buvo sumažintas tiek, kiek reikia, kad dujos būtų maksimaliai suspaustos ir neišeitų laukan.

Vakuumo priešingybė, kurios taip pat neįmanoma pasiekti, yra vadinama plenumas (plenumo sąvokaatsirado XVII a. iš filosofinės idėjos, kad gamta nemėgsta tuštumos).

Dalinis vakuumas

Apibūdinti visai dalinio vakuumo charkteristikai prireiktų kelių parametrų (tokių kaip temperatūra). Inžinieriai vakuumą matuoja pagal jo slėgį. Pagal tarptautinę matų sistemą (SI), slėgio vienetas yra paskalis (Pa), bet vakuumas dažnai matuojamas kitais vienetais – gyvsidabrio stulpeliu (mmHg) arba torais (Torr). 1 mmHg = 1 Torr = 133,3223684 Pa. Taip pat dažnai išreiškiama barometro skale arba procentais nuo atmosferos slėgio.

Vakuumo sukūrimas

Lengviausias būdas sukurti dirbtinį vakuumą yra padidinti talpą. Pavyzdžiui, jūsų raumenys išsiplečia taip sudarydami tuštumą jūsų plaučiuose, kuriuos tuojau pat užpildo oras. Oro išstūmimas, angos uždarymas ir taros padidinimas – tai pagrindiniai veiksmainorint sukurti vakuumą arba pumpavimo principu paremtą mechanizmą.

Kol kas žemiausia slėgio riba pasiekta laboratorijose yra apie 10-13 Pa.

Vakuumas kosmose

Didžioji dalis atvirojo kosmoso turi tankį ir slėgį, kurie yra beveik lygūs idealiajam vakuumui. Jis yra šaltas ir jame nėra trinties. Didžioji dalis visų savybių išlieka nežinomos. Visas mums žinomas kosmosas yra pilnas fotonų ir daugybe neutrinų. Vidutinė tempertūra – 3 K (trys laipsniai virš absoliučiojo nulio). Nei fotonai, nei neutrinai nesudaro reikšmingos sąveikos su materija, taigi, planetos, žvaigždės ir erdvėlaiviai gali laisvi judėti šiuo beveik idealiu vakuumu. Tarpžvaigždinėje erdvėje medžiaga yra ypač praretėjusi. Joje aptinkamos smulkiausios dulkių dalelytės, dujų (daugiausia vandenilio) atomai ir molekulės. Dujos ir dulkės išsisklaidžiusios visoje tarpžvaigždinėje erdvėje, tačiau netolygiai. Kai kuriose vietose jos sudaro didžiulius netaisyklingos formos “debesis”, vadinamus dujų arba dujų ir dulkių ūkais. Dalelių koncentracija ūkuose siekia kelias dešimtis kubiniame centimetre, vadinasi, yra dešimtis tūkstančių kartų mažesnė, negu geriausiame žemės sąlygomis pasiekiamame vakuume.

Istorinės interpretacijos

Anksčiau vykdavo daug diskusijų ir ginčų apie vakuumo egzistavimą. Senovės graikų filosofai nelabai norėjo pripažinti vakuumą, klausdami „kaip gali ‘niekas’ būti ‘kažkas’?“. Platonas galvojo, kad vakuumas yra neįmanomas. Panašiai mąstė ir Aristotelis. Vėliau graikų filosofai manė, kad vakuumas galėtų egzistuoti, bet tik už kosmoso ribų(ne pačiame kosmose!).

Viduramžiais vakuumo idėja buvo laikoma amorali ir netgi eretiška. Tai buvo pagrindžiama tuo, jog Dievas yra visur ir negali vakuume jo nebūti. Tuometiniai moksliniai eksperimentai galbūt akimirksniui sukurdavo nedidelį vakuumą (pavyzdžiui, atskiriant dvi dideles lėkštes), bet vėliau jį aiškindami sakė, jog dangiškosios jėgos arba visagalė gamta nemėgsta tuštumos ir neleido susikurti vakuumui. Tačiau vėliau buvo sugalvota, kad Dievas galėtų sukurti vakuumą, jei tik to norėtų.

Vėliau Galilėjus ir Evangelista Toričelis ginčijosi 1643 m. dėl vakuumo susidarymo gyvsidabrinio barometro viršuje. Kai kurie žmonės tikėjo, kad Toričeliis pirmasis sukūrė vakuumą, bet jį atpažino ir apibūdino tik Blezas Paskalis. Robertas Boilis vėliau tęsė vakuumo savybių tyrimus. 1654 m. Otas von Geuricke vadovavo įžymiajam Magdeburgo pusrutulių eksperimentui, perkurį keli sukinkyti arkliai negalėjo atskirti dviejų pusrutulių, tarp kurių buvo ištrauktas oras.

Pramoninis vakuumo panaudojimas

Siekia nuo mechaninio valdymo iki mikroscemų gamybos. Vakuuminiai reikalavimai taip plačiai keičiasi kaip ir patys daliniai vakuumo panaudojimo procesai. Nepakankamo lygio vakuume nuo 1 toro iki artimo atmosferiniam, tipiškai vakuumas naudojamas mechaniniam rankiniams procesams, vakuuminiam pakavimui ir  formavimui, dujų modeliavimui, filtravimui, alyvų “išdujinimui”, vandeninių tirpalų koncentracijai, elektrinių komponentų impregnacijai, distiliacijai.

Žemesniame slėgyje, apie 10-4 toro, gali vykti daugelis metal

. . .

Pirmą kartą vakuuminė technologija panaudota pramonėje apie 1900 metais elektrinių lempučių gamyboje. Kitas mechanizmas, reikalaujantis vakuumo savo operacijoms, yra įvairūs elektroniniai vamzdeliai. Dar daugiau, buvo pastebėta, kad kai kurie procesai vykstantys vakuume pasiekia geresnių rezultatų, kurie nepasiekiami normaliomis atmosferos sąlygomis. Tokie procesai yra paviršių“žydėjimas” kad padidinti šviesos perdavimą , kraujo plazmos paruošimas kraujo centrams, reaktyvių metalų (pvz. titano) produkcija. Branduolinės energijos atėjimas 1950 m. suteikė impulsą vakuuminės įrangos gamybai. Vakuuminių procesų vartojimo nauda buvo greitai įvertinta ir naudojama dabar mikroelektronikoje ir erdvės modeliavime.

Vakuuminės technikos taikymo sritys

Radioelektronika

Radioelektronika ir vakuuminė technika glaudžiai susijusios. Didelis vakuumas elektroninėse radijo lempose, kineskopuose ir šių prietaisų sandarinimas būtina daugelio šiuolaikinių radioelektroninių prietaisų veikimo sąlyga (kineskopai, magnetronai ir kiti SAD vakuuminiai prietaisai). Technologiniai procesai, atliekami vakuume, plačiai naudojami kietojo kūno ir puslaidininkinės elektronikos gamyboje.

Apytikriai įvairių elektroninės aparatūrosmazgų veikimui tinkami slėgiai yra tokie:

Kaitrinės dujomis užpildytos apšvietimo lemputės: 104 Pa

Bareteriai, gazotronai, tiratronai, liuminiscencinės lempos: 0.1 – 100 Pa

Elektroninės lempos ir televiziniai kineskopai: 10-5 -10-2 Pa

Rentgeno vamzdeliai, švarių dujų gavimo aparatūra: 10-7 – 10-6 Pa

Aparatūra moksliniams tyrimams labai didelio vakuumo sąlygomis: 10-11 – 10-8 Pa

Tolimasis kosmosas: <10-11 Pa

Metalurgija

Labai paplitęs metalų lydymas vakuume. Taip gaunamuose metaluose lieka žymiai mažiau ištirpusių dujų arba jų visiškai nėra. Taip lydyti metalai pasižymi

didesniu mechaniniu tvirtumu, plastiškumu. Lydymo procesas atliekamas 1 – 100 Pa slėgyje.

Lydant vakuume gaunamas neturintis anglies elektrotechninis plienas, didelio elektrinio

laidumo varis, Mg, Ca, daugelis retųjų metalų. Vakuuminė metalurgija naudojama gaunant

Ni, Ti, Nb, Tu, Zr, Be, W, Mo. Be vakuumo negalima pagaminti ypatingai švarių medžiagų –

puslaidininkių ir dirbtiniu būdu gaunamų monokristalinių medžiagų. Vakuume atliekamas ir

keramiką su metalu sujungiantis difuzinis suvirinimas.

Chemijos

Farmacijos ir maisto pramonė. Džiovinimas vakuume sumažina kai kurių

sintetinių pluoštų savikainą. Be vakuuminių procesų negalėtume pagaminti poliamido,

aminoplasto, organinių tirpiklių. Vakuuminis apdirbimas naudojamas ir gaminant

transformatorius, elektros variklius, kondensatorius, kabelius. Vakuuminiai filtrai pagreitina

sulfatinėsceliuliozės, antibiotikų gamybą, naudojami kai kurių tepalų nuparafininimui.

Vakuuminės kristalizacijos ir garinimo (distiliacijos) sistemos naudojamos gaminant

cukrų, dažiklius, sintetinius hormonus, vitaminus, vakcinas, azotines trąšas, gėlinant jūros

vandenį. Vakuuminis džiovinimas užšaldant naudojamas konservuojant maisto produktus,

gaminant anatominius ir bakteriologinius preparatus.

Optinė pramonė.

Vakuume gaminami šiuolaikiniai buitiniai veidrodžiai, praskaidrinta optika, apsauginiai sluoksniai, interferenciniai filtrai.

Lengvoji pramonė.

Vakuume metalizuojama plastmasė, popierius ir audinys, formuojamos dekoratyvinės ir kitokios paskirties dangos.

Moksliniai tyrimai

Čia procesai vakuume taikomi labai plačiai. Pagrindinis

0x08 graphic
branduoliofizikos tyrinėtojų ginklas – elementarių dalelių greitintuvai – be gerų vakuuminių

sistemų nesukuriami. Beveik kosminis vakuumas naudojamas tiriant valdomas

termobranduolines reakcijas. Kuriant brangias kosmines sistemas ir jas bandant būtina kosmines sąlygas imituoti žemėje.

0x08 graphic

Naudota literatura

Internetiniai šaltiniai:

http://www.fizika.ktu.lt/reishkiniai%20vakuume/1.%20Ka%20reiketu%20prisiminti%20pries%20nagrinejant%20reiskinius%20vakuume.pdf

http://www2.el.vgtu.lt/electronics/Vadovelis%202009/00.%20Pratarme200312.pdf

http://lt.wikipedia.org/wiki/Vakuumas

http://www.fmf.lt/ft/studiju-programos/taikomoji-fizika/S-19375/straipsnis/Bendros-zinios-apie-vakuuma?name=S-19375&l=5&p=1

http://www.dekkervacuum.com/

Knygos:

Michael Wright ir Mukul Patel „Kaip veikai daiktai“

A.Jenochovičius „Fizikos ir technikos žinynas“

St. De Curtis J.F. Ferrer „FIZIKA. Iliustruotas žinynas“

1Branduolių sintezės varomos raketos bandymai Vašingtono universiteto plazmos dinamikos laboratorijoje Redmonde. Žalią vakuumo kamerą supa du galingi aliuminio magnetai

Join the Conversation