Vakuum

Rozbalit box

Obsah boxu

Vakuum (z latinského vacuus, prázdný), česky také vzduchoprázdno, je označení pro prostor s velmi nízkou hustotou částic, ve kterém je tlak plynu podstatně nižší než okolní atmosférický tlak. V ideálním teoretickém případě, označovaném jako dokonalé vakuum, by se jednalo o prostor zcela bez jakýchkoli částic hmoty i pole. Takový stav je však prakticky nedosažitelný.

Vakuum hraje klíčovou roli v mnoha oblastech vědy i techniky. Jeho vlastnosti se využívají v elektronice, potravinářství, metalurgii, vědeckém výzkumu a mnoha dalších odvětvích. Pochopení vakua se vyvíjelo od antických filozofických představ o "strachu z prázdnoty" (horror vacui) až po moderní kvantovou fyziku, která popisuje vakuum jako dynamický prostor plný virtuálních částic.

🧪 Pro laiky: Co je to vakuum?

Představte si, že máte krabici plnou vzduchu. Vzduch se skládá z obrovského množství neviditelných, neustále se pohybujících částeček (molekul). Když tyto částečky narážejí do stěn krabice, vytvářejí tlak. Vakuum vznikne, když z této krabice většinu částeček odstraníme pomocí speciálního "vysavače" – vývěvy. Čím více částeček odčerpáme, tím méně jich zbude, tím menší bude tlak a tím "lepší" neboli "hlubší" vakuum vytvoříme.

• Ticho ve vesmíru: Ve vesmíru je téměř dokonalé vakuum. Zvuk ke svému šíření potřebuje částečky, které by rozkmitával (jako vlny na vodě). Protože ve vesmíru téměř žádné nejsou, zvuk se jím nemůže šířit. Proto ve sci-fi filmech výbuchy ve vesmíru ve skutečnosti nejsou slyšet.
• Termoska: Termoska udržuje nápoje teplé (nebo studené) díky vakuu. Má dvojitou stěnu a z prostoru mezi stěnami je odčerpán vzduch. Teplo se jen velmi špatně šíří prázdným prostorem, takže vakuum funguje jako skvělý tepelný izolant.
• Vakuové balení: Potraviny balené ve vakuu déle vydrží, protože je z obalu odstraněn vzduch obsahující kyslík. Bez kyslíku se výrazně zpomalí růst bakterií a plísní, které jídlo kazí.

⏳ Historie zkoumání

Pojem prázdného prostoru fascinoval myslitele po staletí.

• Antická filozofie: Starověcí řečtí filozofové jako Leukippos a Démokritos v 5. století př. n. l. přišli s myšlenkou, že svět se skládá z atomů pohybujících se v prázdném prostoru. Tuto myšlenku však zastínilo učení Aristotela, který tvrdil, že příroda nesnáší prázdnotu – koncept známý jako horror vacui (strach z prázdna). Podle něj se příroda vždy snaží jakýkoli prázdný prostor okamžitě zaplnit.
• Renesanční experimenty: Aristotelovo dogma bylo vyvráceno až v 17. století. Italský fyzik Evangelista Torricelli v roce 1643 při řešení problému, proč sací čerpadla nedokážou vytáhnout vodu výše než do asi 10 metrů, provedl slavný pokus se rtutí. Zjistil, že sloupec rtuti v zatavené trubici klesne jen na výšku asi 76 cm a nad ním vznikne prázdný prostor, dnes známý jako Torricelliho vakuum. Tím dokázal, že existenci vakua umožňuje atmosférický tlak.
• Magdeburské polokoule: Německý vynálezce a starosta Magdeburgu, Otto von Guericke, vynalezl kolem roku 1650 první vývěvu. V roce 1654 provedl dramatickou veřejnou demonstraci síly atmosférického tlaku. Spojil dvě měděné polokoule, vyčerpal z nich vzduch a ukázal, že ani dvě spřežení koní je nedokázala od sebe odtrhnout.

⚛️ Fyzikální vlastnosti

Vakuum má unikátní vlastnosti, které ho odlišují od prostředí vyplněného hmotou.

• Tlak: Základní charakteristikou vakua je nízký tlak. Dokonalé vakuum by mělo tlak roven nule, což je hodnota, které se v praxi lze jen přiblížit. Nejlepší vakuum dosažené v laboratoři se blíží hodnotě 10⁻¹¹ Pa, zatímco v mezihvězdném prostoru dosahuje tlak hodnot pod 10⁻¹⁵ Pa.
• Šíření vln:
  • Elektromagnetické vlnění (včetně světla) se vakuem šíří bez problémů. Rychlost světla ve vakuu je nejvyšší možná rychlost ve vesmíru (cca 299 792 458 m/s).
  • Zvuk, který je mechanickým vlněním, se vakuem šířit nemůže, protože k přenosu energie potřebuje částice prostředí.
• Tepelná vodivost: Vakuum je vynikající tepelný izolant. Zabraňuje přenosu tepla vedením a prouděním, protože chybí molekuly, které by energii přenášely. Přenos tepla je možný pouze zářením.
• Elektrické vlastnosti: Vakuum je téměř dokonalý elektrický izolant s vysokou dielektrickou pevností, což znamená, že dokáže odolat velmi vysokému napětí bez vzniku elektrického výboje.
• Kvantové vakuum: Podle kvantové teorie pole není vakuum zcela prázdné. Je to stav s nejnižší možnou energií, ale i v tomto stavu neustále vznikají a zanikají páry virtuálních částic a antičástic. Tento jev, známý jako kvantové fluktuace, má měřitelné důsledky, jako je například Casimirův jev – nepatrná přitažlivá síla mezi dvěma velmi blízkými, nenabitými vodivými deskami.

⚙️ Dělení a měření

V technické praxi se vakuum dělí do několika stupňů podle dosaženého tlaku. Hranice mezi kategoriemi nejsou pevně dané, ale běžně se používá následující klasifikace:

Stupně vakua a jejich typické tlakové rozsahy

Stupeň vakua	Tlak (Pa)	Tlak (mbar)	Typické aplikace
Nízké (hrubé) vakuum	100 000 – 100	1000 – 1	Vysavač, vakuové přísavky, filtrace
Střední vakuum	100 – 0,1	1 – 10⁻³	Lyofilizace (sušení mrazem), vakuové tavení
Vysoké vakuum (HV)	0,1 – 10⁻⁵	10⁻³ – 10⁻⁷	Elektronky, urychlovače částic, elektronové mikroskopy
Ultra vysoké vakuum (UHV)	10⁻⁵ – 10⁻¹⁰	10⁻⁷ – 10⁻¹²	Výzkum povrchů, tokamaky, simulace vesmírného prostředí
Extrémně vysoké vakuum (XHV)	< 10⁻¹⁰	< 10⁻¹²	Základní fyzikální výzkum

Pro měření vakua se používají specializované přístroje zvané vakuometry. Volba měřidla závisí na rozsahu měřeného tlaku. Jednotkou tlaku v soustavě SI je Pascal (Pa), ale v praxi se stále používají i starší jednotky jako milibar (mbar), Torr nebo atmosféra (atm).

🌍 Výskyt v přírodě

Nejdokonalejší přirozeně se vyskytující vakuum se nachází v kosmickém prostoru.

• Meziplanetární prostor: Obsahuje zhruba 10 částic na cm³.
• Mezihvězdný prostor: Hustota klesá na přibližně 1 částici (převážně atom vodíku) na cm³.
• Mezigalaktický prostor: Je ještě prázdnější, s odhadovanou hustotou jen 10⁻⁶ částic na cm³.

Na Zemi se vakuum v přírodě nevyskytuje, ale tlak v atmosféře klesá s nadmořskou výškou, takže ve vysokých vrstvách atmosféry panuje stav podobný nízkému vakuu.

🔬 Technologické aplikace

Vakuová technika je nezbytnou součástí mnoha moderních průmyslových a vědeckých procesů.

• Průmysl a výroba:
  • Vakuové balení: Prodlužuje trvanlivost potravin odstraněním vzduchu.
  • Výroba žárovek: Vakuum (nebo inertní plyn) chrání wolframové vlákno před oxidací.
  • Výroba polovodičů a integrovaných obvodů: Mnoho kroků, jako je nanášení tenkých vrstev, vyžaduje extrémně čisté prostředí vysokého vakua.
  • Svařování elektronovým paprskem: Umožňuje vytvářet velmi přesné a hluboké sváry.
  • Vakuové lití a tavení: Zlepšuje kvalitu odlitků tím, že zabraňuje vzniku bublin a nečistot.
• Věda a výzkum:
  • Urychlovače částic (např. v CERN): Vysoké vakuum je nutné, aby se částice na své dráze nesrážely s molekulami vzduchu.
  • Elektronový mikroskop: Paprsek elektronů musí procházet vakuem, aby se nerozptyloval.
  • Jaderná fúze: Zařízení jako tokamaky využívají ultravysoké vakuum k udržení horkého plazmatu.
  • Simulace kosmického prostředí: Vakuové komory se používají k testování satelitů a dalších vesmírných zařízení před jejich startem.
• Každodenní život:
  • Termoska: Vakuová izolace udržuje teplotu obsahu.
  • Vysavač: Vytváří podtlak (nízké vakuum) pro sání nečistot.
  • Vakuové obrazovky (CRT): Historicky používané v televizorech a monitorech.

Zdroje

Wikipedia - Vakuum Vakuotechnika.cz - Co je vakuum Hrvatska enciklopedija - vakuum Wikipedia (srbochorvatština) - Vakuum Eduportál Techmania - Vakuum ACTIVAIR - Informace o vakuu ACTIVAIR - Jednotky a měření Prumyslove-vakuum.cz - Klasifikace tlaků Prumyslove-vakuum.cz - Využití v průmyslu Aldebaran - Casimirův jev Wikipedia - Měření tlaku Wikipedia - Casimirův jev