خلا حجمی از فضا محسوب می شود که اساسا خالی از ماده است به این ترتیب فشار گاز در آن خیلی کمتر از فشار استاندارد اتمسفر می باشد. ولی فضا هرگز نمی تواند کاملا خالی باشد. در این مطلب به این می پردازیم که خلا چیست و چه کاربردی دارد؟
خلا چیست و چه کاربردهایی دارد؟
خلا چیست ؟ خلا به فضایی گفته می شود که از ماده خالی باشد. در این حالت مولکول های هوا که عامل ایجاد فشار هستند هم وجود ندارند. این تعریفی ایده آل از خلا است. در استفاده روزانه خلا حجمی از فضا است که اصولا خالی از ماده بوده به طوری که فشار گاز در آن خیلی کمتر از فشار استاندارد اتمسفر است.
می توان گفت مفهوم خلا مطلق با خلا کامل با فشار گاز دقیقا صفر در آن فقط یک مفهوم فلسفی می باشد و هرگز در عمل دیده نمی شود. فیزیکدانان غالبا حول نتایج آزمایشی ایده آل صحبت می کنند که امکان روی دادن در خلا کامل را که برای سادگی آن را خلا یا فضای آزاد می نامند، دارند و وقتی از خلا نسبی صحبت می شود منظور آن ها خلا واقعی می باشد.
کیفیت خلا به میزان نزدیک شدن به خلا کامل بستگی دارد. فشار گاز باقی مانده نشانگر اصلی کیفیت خلا می باشد و معمولا با برچسب واحدی به اسم تور یا میلی متر جیوه اندازه گیری می شود. فضای خارجی و فضای بین ستاره ای طبیعتا خلا های با کیفیت عالی محسوب می شوند که اغلب کیفیتی خیلی بهتر از کیفیت خلایی دارند که به صورت مصنوعی توسط فن آوری امروزی می توان روی زمین ایجاد کرد.
سالیان زیادی است که از خلا مصنوعی با کیفیت پایین برای مکش استفاده می شود. خلا کامل با فشار گازی صفر مطلق، مفهوم فلسفی بوده که هرگز در عمل دیده نشده است. تئوری کوانتوم هم پیش بینی کرده که هیچ حجمی از فضا نمی توان به این صورت کاملا خالی باشد.
تعبیر فیزیکدان ها از اصلاح خلا اغلب کمی متفاوت می باشد. آن ها نتایج ایده آل آزمایشات خود را در خلا کامل تحت بحث قرار می دهند که این فضا به راحتی خلا یا فضای آزاد نامیده می شود و از اصطلاح خلا جزئی برای اشاره به خلا ناقص در عمل استفاده می شود.
این که شاخص اصلی کیفیت خلا چیست باید گفت فشار گاز باقی مانده این شاخص بوده و حتی در واحد متریک اغلب با واحد تور اندازه گیری می شود. کیفیت خلا با اندازه گیری دقیق آن نسبت به خلا کامل انداره گیری می گردد. فشار پایین نشانگر کیفیت بالاتر خلا بوده اگرچه متغیرهای دیگری هم بایستی در نظر گرفته شود.
مکانیک کوانتوم بهترین کیفیت ممکن خلال را محدود می سازد. فضای اطراف کره زمین خلا نوعی طبیعی با کیفیت بالا بوده و عموما از کیفیت بیشتری نسبت به خلایی که به طور مصنوعی با فناوری فعلی ایجاد می شود، برخوردار می باشد. همانطور که اشاره شد هزاران سال است که از خلا مصنوعی با کیفیت پایین جهت مکش استفاده می شود.
قابل ذکر است موضوع خلا چیست یکی از بحث های فلسفی مشترک از زمان یونان باستان بوده و تا قرن ۱۷ به طور تجربی تحت مطالعه قرار نگرفته است. تکنیک های تجربی بعد از نظریه هایی در زمینه فشار اتمسفر توسعه پیدا کرد. با معرفی لامپ الکتریکی و لوله خلا به عنوان یک ابزار صنعتی ارزشمند در قرن ۲۰ خلا به یکی از مبانی صنعتی تبدیل شد و از آن زمان تا به حال در دسترس می باشد.
با توسعه اخیر فضاپیماها علاقه بسیاری به بررسی تاثیر خلا در سلامت انسان و به طور کلی زندگی بشر در پروژه های عملی ایجاد شده است. در ادامه بیشتر با این که خلا چیست آشنا می شوید.
خلا از نظر تاریخی
از نظر تاریخی این که خلا چیست و آیا وجود دارد همیشه اختلاف نظر وجود داشته است فیلسوفان یونان باستان به این که وجود مفهومی به اسم خلا را بپذیرند، تمایلی نداشتند. اینکه چطور می توان از نیستی چیزی را به دست آورد. افلاطون ایده خلا را غیر قابل تصور دانسته و معتقد بود که همه چیزهای فیزیکی نمونه ای ایده آل از مدل افلاطونی بوده و نمی توان شکل ایده آل برای خلا متصور شد.
ارسطو نیز ایجاد خلا را غیر ممکن دانسته و معتقد بود هیچ نمی تواند چیزی باشد. بعد از مدت ها فیلسوفان یونان به این باور رسیدند که خلا در درون کیهان وجود ندارد ولی می تواند در خارج از آن وجود داشته باشد. به نظر می رسد اولین آزمایشات ثبت شده درباره وجود خلا را فارابی فیلسوف ایرانی انجام داده است.
وی با استفاده از آن پمپ های دستی را در آب بررسی کرد. در قرون وسطی بعضی از مسیحیان ایده خلا را به عنوان ایده غیر اخلاقی یا حتی جاودانه متصور بودند. فقدان هر چیزی فقدان خدا تلقی می شد و به قبل از داستان خلقت در کتاب پیدایش بر می گشت.
تقسیم بندی فرایندهای خلا با توجه به محدوده فشار
فرایندهای خلا را با توجه به محدوده فشار به دسته های زیر تقسیم بندی کرده اند:
- خلا ابتدایی یا کم : از فرآیندهای معمول در این ناحیه فشاری می توان به خشک کردن ، تقطیر کردن و گاز زدایی از فولاد اشاره کرد.
- خلا متوسط : در این محدوده فشاری می توان فرآیندهایی مانند تولید یخ خشک، تقطیر مولکولی، باردار نمودن فلزات، کوره های قالب ریزی و ذوب و کوره های قوس الکتریکی را نام برد.
- خلا بالا : در این محدوده فشاری می توان فرآیندهایی همچون میکروسکوپ های الکترونی، اسپکترومتر جرمی، شتاب دهنده های ذرات، کارخانه های اشعه الکترونی و رشد کریستال را نام برد.
- خلا بسیار بالا : از فرآیند های معمول در این ناحیه، می توان به شکافت هسته ای، تحقیقات فضا، فیزیک سطح اشاره کرد.
خلا در فضای بیرون
اکثر فضای بیرون از جو سیاره زمین چگالی و فشاری برابر با یک خلا تقریبا کامل را دارد. به طور موثری هیچ اصطکاکی در آن حضور ندارد که اجازه داده ستارها، سیارات و سیارک ها به طور آزاد در مسیر گرانشی ایده آل حرکت نمایند. ولی حتی در فضای بین ستاره ای هم خلا کامل نیست و در آن چند اتم هیدروژن در هر سانتی متر مکعب با فشار ۱۰-۱۶ تور وجود دارد.
خلا کامل در فضا می تواند آن را به محیط جذابی جهت فرایندهای خاص به ویژه آن هایی که به سطوح بیش از حد تمیز احتیاج دارند تبدیل نماید. البته برای کاربردهای در مقیاس کوچک بهتر است خلا برابر در زمین ایجاد شود تا اینکه از گرانش زمین دور گردیم.
خلا در فضا به شکل پلاسمای رقیقی می باشد که با ذرات باردار، میدان های الکترومغناطیسی و در برخی نواحی با ستاره ها پر شده است. ستاره ها، سیاره ها و ماه ها جو خود را توسط جاذبه گرانشی حفظ می نمایند. به این ترتیب اتسمسفر مرزی معین نداشته و تراکم گاز اتمسفر با فاصله از جسم کم می شود.
در مدارات پایین تراکم جوی حدود صد نانو پاسکال می باشد که هنوز نیز برای تولید نیروی کششی روی ماهواره ها کافی است. اکثر ماهواره های مصنوعی در این ناحیه کار می کنند و هر چند روز یک مرتبه برای حفظ مدار خود باید موتورشان را روشن نمایند.
کاربرد خلا
اگر برای شما جای سوال است که کاربرد خلا چیست در پاسخ باید به موارد زیر اشاره کرد:
- کاربرد گسترده در لامپ روشنایی التهابی برای محافظت از رشته سیم التهابی از سوختن و فروپاشی شیمیایی
- واکنش شیمیایی در جوشکاری اشعه الکترونی، جوشکاری سرد، بسته بندی در خلا و سرخ کردن غذا در خلا
- خلا بسیار بالا برای مطالعه مواد در سطح اتمی تمیز استفاده می شود. زیرا فقط یک خلا خیلی خوب سطوح در سطح اتمی تمیز را جهت یک زمان معقول طولانی حفظ می نماید.
- خلا بالا تا بسیار بالا ممانعت هوا را برطرف کرده و اجازه می دهد تابش های ذره ای نشسته و مواد بدون آلودگی برداشته شوند. از این خاصیت در نشست بخار شیمیایی و بخار فیزیکی، تیزاب کاری خشک که در ساخت نیمه رساناها و لایه گذاری های اپتیکی و علوم سطح ضروری می باشند استفاده می شود.
- کاهش همرفت گرمایی بر اثر خلا مانند یک عایق حرارتی در بطری های فلاسک عمل می کند.
- خلا عمیق نقطه جوش مایعات را کاهش می دهد و رهاسازی گازهای گیرافتاده در دمای پایین را گسترش می دهد که از این کار در خشک کردن سرد، تقطیر، متالوژی، آماده سازی چسب، استفاده می شود.
- از خواص برقی خلا در میکروسکوپ های الکترونی و لامپ های خلا منجمد لوله های اشعه کاتدی استفاده می شود.از بین بردن اصطکاک هوا در ذخیره انرژی در فلایویل و سانتریفیوژهای فوق سریع سودمند است.
- استفاده در واحدهای صنعتی لبنی و بسته بندی در خلا
- فرایند متراکم سازی زباله
- فلاسک ها
- فرایندهای پاکسازی و پزشکی نیازمند به مکش
- استفاده در سیستم فاضلاب و برداشتن تمام آلودگی ها از سیستم پیش از شارژ با سردکننده
- کاربرهای پزشکی مانند رادیوتراپی، رادیو جراحی، و رادیو دارویی
- کوره های خلا و سرخ کردن غذا در ماهیتابه های خلا
- راندن تعدادی از وسایل پرواز در اغلب هواپیماها
- فرایندهای قالب ریزی پلاستیک های کامپوزیت
- موتورهایی که خفه کننده را در سیستم های تهویه حرکت می‌دهند
- به کار انداختن ژیروسکوپ در وسایل پروازی مختلف در هواپیما
- لایه گذاری های خلا برای دکور، مقاوم سازی، و صرفه جویی در انرژی
- لایه گذاری های سخت برای موتور
- تجهیزات آنالیز گاز، مایع، جامد، سطح، و مواد حیاتی
- میکروسکوپ الکترونی و اسپکترومترهای جرمی
محفظه خلا معمولا با موادی از جمله استیل زنگ نزن یا شیشه پیرکس ساخته می شود. از مهمترین عللی که از استیل زنگ نزن یا شیشه پیرکس برای ساختن بدنه محفظه خلا استفاده می شود می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- عدم زنگ زدن
- تمیز شدن راحت
- خاصیت غیر مغناطیسی
- گاز زدایی خوب
در این میان استیل زنگ نزن به علت داشتن استحکام بسیار حتی در دما و خلا بسیار زیاد، قابلیت جوشکاری و تراشکاری راحت، برای سیستم های بزرگ استفاده می شود. برای خروج گازها و بخارات درون محفظه و در نتیجه ایجاد خلا از وسیله ای به اسم پمپ خلا استفاده می شود.
نحوه کار این پمپ ها معمولا به دو روش صورت می گیرد: پمپ های تراکمی که اساس کار آن ها جداسازی ذرات از درون محفظه، متراکم کردن و هدایت آن ها به محیط بیرون می باشد. پمپ های روتاری یا چرخشی از جمله این پمپ ها می باشند. پمپ های تله ای که با ساخت تله به شکل های مختلف نظیر تله سرما، سبب کاهش چگالی ذرات روی بدنه فلزی می گردند.
پمپ های سرمایشی در این دسته قرار می گیرند. در شناسایی پمپ های خلا فاکتورهای مختلفی وجود دارد که در میان آن ها دو فاکتور زیر مهمتر می باشد.
- آهنگ پمپاژ خلا نهایی قابل دسترس توسط پمپ: این ویژگی ها به طور معمول در یک نمودار به اسم نمودار عملکرد نشان داده می شود.
- فشار سنج: مانند هر کمیت دیگری از قبیل دما، سرعت و مسافت کمیت فشار هم باید قابل کنترل یا به بیان دیگر قابل اندازه گیری باشد.
مرور اثرات خلا
ایجاد خلا در فرایندها و دستگاه های مختلف موثر است. نخستین استفاده معمول از این پدیده در لامپ های رشته ای بود که برای محافظت از رشته تنگستن از تخریب شیمیایی استفاده شد. از خواص خنثی بودن شیمیایی این شرایط در جوشکاری پرتوهای الکترومغناطیسی، رسوب بخار های شمیایی، تولید پوشش های نوری، جوشکاری سرد و بسته بندی بر مبنای خلا استفاده می شود.
کاهش همرفت حرارتی مقدار عایق بودن بطری های حرارتی و پنجره های دوجداره را بهبود می دهد. خلا بالا روند به شکل گاز درآمدن موارد را بهبود می دهد که در خشک کردن سرمایشی، تهیه چسب، متالورژی و … استفاده می شود. خواص الکتریکی خلا ساخت میکروسکوپ الکترونی، لوله های خلا و لوله های پرتوکاتدی را امکان پذیر می سازد.
حذف اصطکاک هوا جهت ذخیره انرژی چرخ طیار و استفاده از دستگاه های دوار با سرعت خیلی زیاد موثر است. لامپ های حبابی خلا جزئی دارند که معمولا با آرگون پر شده و از رشته های تنگستن محافطت می نماید. از نیروی مکش در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود.
در موتور بخار به جای فشار به پیستون از خلا استفاده می شود. در قرن نوزده خلا برای ایجاد نیروی کشش روی خط آهن آزمایش سلطنتی برونل ایسمبراد به کار رفت. قابل ذکر است خلا بر روی انسان و حیوانات نیز تاثیر می گذارد. خلا عموما یک خفه کننده می باشد. انسان ها در معرض خلا بعد از چند ثانیه آگاهی شان را از دست می دهند.
و در مدت چند دقیقه خواهند مرد. ولی علائم آن به صورتی نیست که به شکل تصویری در فرهنگ عامه نشان داده شود. رابرت بویل اولین فردی بود که نشان داد خلا روی حیوانات کوچک کشنده می باشد. در این شرایط خون و سایر مایعات بدن به جوش می آیند. انتظار می رود در اثر فشار بخار، بدن به دو برابر اندازه طبیعی اش باد کند و گردش خون کند شود.
ولی بافت ها برای ممانعت از پارگی به اندازه کافی الاستیک و متخلخل می باشند. فشار ناشی از انسداد عروق خونی موجب کندی شده از این رو کمی خون به صورت مایع باقی می ماند.
در پایان پیشنهاد می شود در صورت تمایل برای آشنایی با پدیده ال نینو و پدیده برف صورتی با کلیک روی لینک ها از این مقالات نیز بازدید نمایید.
منبع : آرگا
