진공 청소기

Vacuum
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펌프에서 진공 상태 시연

진공상태는 물질이 없는 공간이다.이 단어는 "vacant" 또는 "void"의 라틴 형용사 vacuus에서 유래되었다.그러한 진공에 대한 근사치는 기체 압력이 대기압보다 훨씬 낮은 지역이다.[1]물리학자들은 종종 완벽한 진공상태에서 일어날 수 있는 이상적인 시험 결과를 논하는데, 그들은 때때로 단순히 "진공"이나 자유공간이라고 부르기도 하며, 부분진공이라는 용어를 사용하여 실험실이나 우주에서 있을 수 있는 실제 불완전한 진공상태를 가리킨다.반면에 공학과 응용물리학에서 진공이란 대기압보다 압력이 상당히 낮은 공간을 말한다.[2]바쿠오에서 라틴어 용어는 진공으로 둘러싸인 물체를 묘사하기 위해 사용된다.

부분진공의 품질은 완벽한 진공에 얼마나 가까이 접근하는가를 가리킨다.다른 것들은 같으며, 가스 압력이 낮다는 것은 더 높은 품질의 진공 상태를 의미한다.예를 들어 일반적인 진공청소기는 공기압을 [3]약 20% 줄일 수 있을 만큼 충분한 흡입을 만든다.하지만 더 높은 품질의 진공 청소는 가능하다.화학, 물리학, 공학에 공통적인 초고진공실은 대기압(100nPa)의 1조(10−12) 이하에서 작동하며 입자/cm3 약 100개에 이를 수 있다.[4]우주 공간은 훨씬 더 높은 품질의 진공으로, 은하간 공간에서 평균적으로 입방 미터당 몇 개의 수소 원자에 해당한다.[5]

진공상태는 고대 그리스 시대부터 철학적 논쟁의 빈번한 주제였지만 17세기까지 경험적으로 연구되지 않았다.에반젤리스타 토리첼리는 1643년에 최초의 실험실 진공 상태를 생산했고, 대기압에 대한 그의 이론의 결과로 다른 실험 기법이 개발되었다.토리첼리칸 진공 청소기는 한쪽 끝에서 닫힌 높은 유리 용기를 수은으로 채운 다음 그것을 그릇 안에 뒤집어 수은을 담는 방식으로 만들어진다(아래 참조).[6]

진공청소기는 20세기 백열전구와 진공관 도입으로 귀중한 산업 도구가 되었고, 그 이후 다양한 진공기술을 이용할 수 있게 되었다.인간 우주 비행의 발달은 진공 상태가 인간의 건강, 그리고 일반적으로 생명체에 미치는 영향에 대한 관심을 높였다.

어원

진공이라는 단어는 라틴어 '빈 공간, 보이드'에서 유래했으며, '빈 공간'이라는 뜻의 바쿠스의 중성자를 명사적으로 사용했으며, 바캉스와 관련된 '빈 공간'이라는 뜻에서 유래되었다.

진공(Vacuum)은 영어에서 2개의 연속된 글자를 포함하고 있는 몇 안 되는 단어들 중 하나이다.[7]

역사적 이해

역사적으로 공백이라는 것이 존재할 수 있느냐를 놓고 많은 논쟁이 있어 왔다.고대 그리스 철학자들은 공허와 원자를 물리학의 근본적인 설명 요소로 내세운 원자주의의 맥락에서 진공, 즉 공허의 존재를 논했다.플라톤에 이어, 특징 없는 공허의 추상적인 개념조차 상당한 회의론에 직면했다: 그것은 감각에 의해 파악될 수 없고, 그 자체로, 그것이 비례하는 물리적인 부피를 넘어서는 추가적인 설명력을 제공할 수 없으며, 정의에 따르면, 그것은 문자 그대로 전혀 아무것도 아닌 것으로서, 이것은 당연히 존재하지 않는다고 말할 수 없다.ist. 아리스토텔레스는 공극이 자연적으로 일어날 수 없다고 믿었다. 왜냐하면 공극이 생길 수 있는 초기의 희귀성을 즉시 채울 것이기 때문이다.

그의 물리학 제4권에서 아리스토텔레스는 공허함을 반대하는 수많은 주장을 내놓았다. 예를 들어, 어떤 장애물을 제공하지 않는 매체를 통한 움직임이 계속 이어질 수 있으며, 어떤 것이 특별히 어디든 쉬게 될 이유는 없다.비록 루크레티우스는 기원전 1세기에는 진공상태의 존재를 주장했고 알렉산드리아의 영웅은 AD 1세기에는 인공적인 진공상태를 만들기 위해 노력했으나 성공하지 못했다.[8]

중세 이슬람권에서는 물리학자 겸 이슬람학자 알 파라비가 10세기 진공상태의 존재를 거부하는 논문을 썼다.[9]그는 공기의 부피가 확장되어 가용 공간을 채울 수 있으며 따라서 완벽한 진공이라는 개념은 일관성이 없다고 결론지었다.[10]네이더 엘비즈리에 따르면 물리학자 이븐 알 하이담과 무타질리 신학자들이 아리스토텔레스와 알 파라비에게 동의하지 않았고, 공허의 존재를 지지했다.Ibn al-Haytham은 기하학을 사용하여 장소(al-Makan)가 포함된 신체의 내부 표면 사이의 상상된 3차원 공허임을 수학적으로 증명했다.[11]Ahmad Dallal에 따르면, Abu Rayhann al-Bīrunn 또한 "진공 가능성을 배제하는 관찰 가능한 증거는 없다"[12]고 말한다.흡인펌프는 아랍의 엔지니어 알자지리가 13세기부터 설명한 것으로, 이후 15세기부터 유럽에 등장했다.[13][14]

13~14세기 로저 베이컨, 파르마의 블라시우스, 월터 벌리 등 유럽의 학자들은 진공 개념에 관한 문제에 상당한 관심을 집중시켰다.결국 이 사례에서 스토아 물리학(Stoic Physics)을 따라 14세기 학자들은 점점 더 아리스토텔레스적 관점에서 벗어나 우주 자체의 한계를 넘어선 초자연적 공허함을 선호하게 되었고, 이는 17세기에 널리 인정된 결론으로 자연과 신학적 우려를 분리하는 데 도움을 주었다.[15]

플라톤 이후 거의 2천년이 지난 후에 르네 데카르트도 문제가 되는 것은 아무것도 없고 공허와 원자의 이분법이라는 기하학적으로 근거한 원자론의 대안 이론을 제안했다.데카르트는 현대의 입장에 동의했음에도 불구하고, 자연에서 공백이 발생하지 않고, 그의 이름들이 좌표계의 성공 그리고 더 암묵적으로, 그의 형이상학의 공간적-코르폴리스적 요소는 빈 공간에 대한 철학적으로 현대적인 개념을 양의 확장으로서 정의하게 될 것이다.그러나 고대 정의에 따르면 방향 정보와 크기는 개념적으로 구별되었다.

토리첼리의 수은바로미터는 실험실에서 최초의 지속적인 진공 상태를 만들어냈다.

중세의 사상실험은 진공상태로 급속히 분리되었을 때 두 개의 평평한 판 사이에 한 순간의 진공상태만 존재하는지 여부를 고려했다.[16]판이 분리되면서 공기가 충분히 빠르게 이동했는지, 아니면 월터 벌리가 추측한 대로 '천연제'가 진공 발생을 막는 것인지에 대한 많은 논의가 있었다.자연이 진공을 싫어한다는 일반적인 견해는 공포의 허무라고 불렸다.심지어 하나님도 원한다면 공백을 만들 수 없다는 추측이 나왔고 하나님의 권력에 제한이 없도록 한 에티엔 템피에 주교의 1277년 파리 비난은 하나님이 그렇게 바라면 공백을 만들 수 있다는 결론으로 이어졌다.[17]장 부리단은 14세기에 열 마리의 말들로 이루어진 팀이 항구가 봉쇄되었을 때 벌려진 벨로우를 끌 수 없었다고 보고했다.[8]

음극선을 발견하고 연구하는데 사용되는 크룩스 관은 가이슬러 관의 진화였다.

17세기는 부분 진공 측정치를 정량화하려는 최초의 시도를 보았다.[18]에반젤리스타 토리첼리의 수은 기압계 1643과 블레이즈 파스칼의 실험은 둘 다 부분적인 진공 상태를 보여주었다.

1654년 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를[19] 발명하고 그의 유명한 마그데부르크 반구 실험을 실시했는데, 이는 반구 바깥의 대기압 때문에 말 팀들이 공기를 부분적으로 대피시킨 두 반구를 분리할 수 없다는 것을 보여준다.로버트 보일은 게리케의 디자인을 개선했고 로버트 후크의 도움으로 진공 펌프 기술을 더욱 발전시켰다.그 후 부분 진공에 대한 연구는 어거스트 토플러가 토플러 펌프를 발명했던 1850년, 하인리히 게이슬러가 수은 변위 펌프를 발명하면서 약 10 Pa(0.1 Torr)의 부분 진공을 달성했을 때까지 계속되었다.이 진공 수준에서 많은 전기적 특성을 관찰할 수 있게 되어 추가 연구에 대한 관심이 다시 높아졌다.

우주 공간은 자연적으로 발생하는 부분적 진공에 대한 가장 희귀한 예를 제공하지만, 원래 하늘은 에테르라고 불리는 단단한 파괴할 수 없는 물질에 의해 매끄럽게 채워지는 것으로 생각되었다.스토아 물리학의 pneuma에서 다소 빌려온 에테르를 그 이름을 딴 희귀한 공기로 간주하게 되었다(에테르(신학) 참조).초기 빛의 이론은 빛이 전파되는 유비쿼터스 지상 및 천체 매체를 형성했다.또한, 이 개념은 아이작 뉴턴의 굴절과 복사열 양쪽 모두에 대한 설명을 알려주었다.[20] 이 발광성 에테르에 대한 19세기 실험은 지구 궤도의 미세한 항력을 감지하려고 시도했다.사실 지구가 성간 공간의 그것과 비교했을 때 비교적 밀도가 높은 매체를 통해 움직이는 반면, 항력은 매우 미미하여 감지할 수 없다.1912년 천문학자인 헨리 피커링은 "성간 흡수 매체가 단순히 에테르일 수도 있지만, [그것]은 기체의 특징이며, 자유 기체 분자는 분명히 존재한다"[21]고 평했다.

이후 1930년 폴 디락은 디락 바다라고 불리는 음의 에너지를 가진 입자의 무한한 바다로 진공 모델을 제안했다.이 이론은 그가 일찍이 공식화한 디락 방정식의 예측을 다듬는 데 도움을 주었고, 2년 후에 확인된 양전자(positron)의 존재를 성공적으로 예측했다.1927년에 공식화한 베르너 하이젠베르크의 불확실성 원리는 순간적인 위치와 운동량, 즉 에너지와 시간을 측정할 수 있는 근본적인 한계를 예측했다.이것은 입자 사이의 공간의 "빈 공간"에 크게 영향을 미친다.20세기 후반에는 빈 공간에서 자연적으로 발생하는 이른바 가상 입자가 확인되었다[citation needed].

고전적 분야 이론

진공을 정의하는 가장 엄격한 기준은 응력 에너지 텐서의 모든 성분이 0인 공간과 시간의 영역이다.이것은 이 지역에 에너지와 운동량이 없다는 것을 의미하며, 그 결과 에너지와 운동량을 포함하는 입자와 다른 물리적 장(전자석 등)이 비어 있어야 한다.

중력

일반 상대성 이론에서 사라지는 스트레스-에너지 텐서는 아인슈타인 자기장 방정식을 통해 리치 텐서의 모든 성분이 사라지는 것을 의미한다.진공상태는 공간시간의 곡면성이 반드시 평평하다는 것을 의미하지는 않는다: 중력장은 여전히 조력과 중력파의 형태로 진공상태에서 곡면성을 생성할 수 있다(기술적으로 이러한 현상은 Weil tensor의 성분이다).블랙홀(전하 제로)은 진공상태로 완전히 '충전'된 지역이지만 여전히 강한 곡률을 보이는 우아한 예다.

전자기학

고전적인 전자석학에서 자유 공간의 진공, 또는 때로는 단지 자유 공간이나 완벽한 진공 상태가 전자파 효과의 표준 기준 매체인 경우도 있다.[22][23]일부 저자들은 이 참조 매체를 QED 진공 또는 QCD 진공에서 이 개념을 분리하기 위한 용어인 [22]고전적 진공이라고 부르는데, 이 용어는 진공 변동에 의해 일시적인 가상 입자 밀도와 동일하지 않은 상대적 허용률 및 상대적 투과성이 발생할 수 있다.[24][25][26]

고전적 전자석 이론에서 자유 공간은 다음과 같은 성질을 가진다.

고전적 전자석의 진공상태는 SI 단위로 구성관계를 갖는 이상화된 전자기 매체로 볼 수 있다.[32]

전기장 E에 대한 전기 변위장 D와 자기장 또는 자기장 H와 자기장 유도 또는 B-장 B에 대한 H-장.여기 r은 공간적인 위치고 t는 시간이다.

양자역학

추가 정보: QED Vacuum, QCD Vacuum 및 Vacuum 상태
자발적 파라메트릭 다운-변환에 의해 증폭된 진공 변동(빨간색 링)을 보여주는 실험 영상.

양자역학과 양자장 이론에서 진공은 가능한 가장 낮은 에너지(힐버트 공간의 지상 상태)를 가진 상태(즉, 이론의 방정식에 대한 해법)로 정의된다.양자 전자역학에서는 이 진공을 QCD 진공으로 알려진 양자 색역학의 진공과 구별하기 위해 'QED 진공'이라고 한다.QED 진공상태는 입자(이름을 강조함)가 없고 광자가 없는 상태를 말한다.위에서 설명한 바와 같이, 이 상태는 실험적으로 달성할 수 없다. (모든 물질 입자가 어떻게든 부피에서 제거될 수 있다고 해도, 모든 흑체 광자를 제거하는 것은 불가능할 것이다.)그럼에도 불구하고, 그것은 실현 가능한 진공 상태를 위한 좋은 모델을 제공하며, 다음에 설명된 많은 실험 관찰에 동의한다.

QED vacuum은 흥미롭고 복잡한 특성을 가지고 있다.QED 진공에서 전기장과 자기장의 평균값은 0이지만, 그 분산은 0이 아니다.[33]그 결과 QED 진공상태는 진공변동(존재하지 않는 가상 입자)과 진공에너지라는 유한한 에너지를 포함하고 있다.진공 변동은 양자장 이론의 필수적이고 어디서나 볼 수 있는 부분이다.진공 변동의 일부 실험적으로 검증된 효과에는 자발적 방출과 램 시프트가 포함된다.[17]쿨롱의 법칙과 전하 주변의 진공상태에서의 전위성은 수정된다.[34]

이론적으로 QCD에서는 다중 진공 상태가 공존할 수 있다.[35]우주 인플레이션의 시작과 끝은 서로 다른 진공 상태 사이의 전환에서 발생한 것으로 생각된다.고전적 이론을 정량화하여 얻은 이론의 경우, 구성 공간 내 에너지의 정지점 각각은 하나의 진공 상태를 발생시킨다.끈 이론은 엄청난 수의 바쿠아 즉 이른바 끈 이론의 풍경을 가지고 있는 것으로 생각된다.

우주공간

주요 기사:우주공간
자기권의 구조는 완벽한 진공이 아니라, 수소, 헬륨, 산소 같은 자유 원소, 전자기장으로 가득찬 가느다란 플라즈마다.

우주 공간은 밀도와 압력이 매우 낮으며, 완벽한 진공에 가장 가까운 물리적 근사치를 가지고 있다.그러나 입방미터당 아직 수소 원자가 몇 개 남아 있는 성간 공간에서도 진공이 진정으로 완벽하지는 않다.[5]

별, 행성, 달은 중력의 매력에 의해 대기를 유지하며, 따라서 대기는 명확히 구분된 경계선을 가지고 있지 않다: 대기 가스의 밀도는 물체와의 거리에 따라 감소한다.지구 대기압은 고도 100km(62mi)[36]에서 약 32밀리파스칼(4.6×10psi−6)까지 떨어지는데, 이는 우주와의 경계를 공통적으로 정의한 것이다.이 선을 넘어서면 태양의 방사선 압력과 태양풍의 동적 압력에 비해 등방성 가스 압력은 급격히 미미해져 압력의 정의는 해석하기 어렵게 된다.이 범위의 열권은 압력, 온도, 구성의 구배가 크고 우주 기후에 따라 크게 변화한다.천체물리학자들은 입방 센티미터 당 입자 단위로 이러한 환경을 설명하기 위해 숫자 밀도를 사용하는 것을 선호한다.

그러나 우주 공간의 정의를 충족시키기는 하지만, 카르만 선 위의 처음 수백 킬로미터 내 대기 밀도는 여전히 위성에 상당한 항력을 발생시키기에 충분하다.대부분의 인공위성은 지구 저궤도라고 불리는 이 지역에서 작동하고 있으며, 일년에 2주 또는 몇 번씩 (태양 활동에 따라) 엔진을 발사해야 한다.[37]여기서의 항력은 이론적으로 행성간 여행을 위한 제안된 추진 시스템인 태양 돛의 방사선 압력에 의해 극복될 수 있을 정도로 충분히 낮다.[38]행성들의 대기는 태양 바람에 의해 침식되지만, 행성들의 궤도는 이러한 힘에 의해 현저하게 영향을 받기에는 너무 거대하다.[citation needed]

관측할 수 있는 모든 우주에는 광자, 이른바 우주 배경 복사라고 불리는 광자, 그리고 그에 상응하는 수의 중성미자가 상당히 많이 들어차 있다.이 방사선의 전류 온도는 약 3K(-270.15°C; -454.27°F)이다.

측정

주요기사 : 압력측정

진공상태의 품질은 시스템에 남아 있는 물질의 양에 의해 표시되므로, 고품질 진공상태는 그 속에 남아 있는 물질이 거의 없는 것이다.진공상태는 기본적으로 절대 압력에 의해 측정되지만 완전한 특성화는 온도나 화학적 구성과 같은 추가적인 매개변수를 필요로 한다.가장 중요한 매개 변수 중 하나는 잔류 가스의 평균 자유 경로(MFP)로, 분자가 서로 충돌할 때 이동하는 평균 거리를 나타낸다.가스 밀도가 감소함에 따라 MFP는 증가하며, MFP가 챔버, 펌프, 우주선 또는 존재하는 다른 물체보다 길면 유체 역학의 연속 가정은 적용되지 않는다.이 진공 상태를 고진공이라고 하며, 이 체제에서의 유체 흐름에 대한 연구를 입자 가스 역학이라고 한다.대기압에서 공기의 MFP는 70nm로 매우 짧지만 100mPa(~1×10−3 Torr)에서 상온공기의 MFP는 대략 100mm로 진공관 등 일상 물체의 순서에 따른다.크로크스 방사선계는 MFP가 베인 크기보다 클 때 회전한다.

진공 품질은 그것을 달성하거나 측정하는데 필요한 기술에 따라 범위로 세분된다.이러한 범위는 다음 표와 같이 ISO 3529-1:2019에 정의되었다(100 Pa는 0.75 Torr에 해당하며 Torr은 비 SI 단위임).

압력 범위 정의 범위의 정의에 대한 추론은 다음과 같다(일반적인 상황).
기압(31kPa ~ 110kPa) ~ 100Pa 낮은 진공 상태 압력은 단순한 재료(예: 일반 강철)와 양의 변위 진공 펌프에 의해 달성될 수 있으며, 가스에 대한 비스코스 흐름 체계에 의해 달성될 수 있다.
<100Pa~0.1Pa 중간(미세) 진공 압력은 정교한 재료(예: 스테인리스강)와 양의 변위 진공 펌프에 의해 달성될 수 있으며, 가스에 대한 과도기적 흐름 체계
<0,1 Pa ~ 1 × 10-6 Pa 고진공(HV) 압력은 정교한 재료(예: 스테인리스강), 탄성체 밀봉 및 고진공 펌프, 가스에 대한 분자 흐름 체계에 의해 달성될 수 있다.
<1x10-6 Pa ~ 1 × 10-9 Pa 초고진공(UHV) 압력은 정교한 재료(예: 저탄소 스테인리스강), 금속 씰링, 특수 표면 준비 및 청소, 베이크아웃 및 고진공 펌프, 가스에 대한 분자 흐름 체계에 의해 달성될 수 있다.
1 × 10-9 Pa 이하 초고진공(XHV) 압력은 정교한 재료(예: 진공 연소식 저탄소 스테인리스강, 알루미늄, 구리-베릴륨, 티타늄), 금속 씰링, 특수 표면 준비 및 청소, 베이크아웃 및 추가 게터 펌프, 가스에 대한 분자 흐름 체계에 의해 달성될 수 있다.
  • 대기압은 가변적이지만 101.325 kPa(760 Torr)로 표준화된다.
  • 깊은 공간은 일반적으로 어떤 인공 진공보다 훨씬 더 비어 있다.우주와 천문체의 어떤 영역을 고려하느냐에 따라 상기의 고진공의 정의를 충족시키거나 충족시키지 못할 수도 있다.예를 들어 행성간 공간의 MFP는 태양계 크기보다는 작지만 작은 행성과 달보다는 크다.그 결과 태양풍은 태양계 규모에서 연속적인 흐름을 나타내지만 지구와 달에 관한 입자의 폭격을 고려해야 한다.
  • 완벽한 진공상태는 입자가 전혀 없는 이상적인 상태야.그것은 실험실에서 달성될 수 없다. 비록 짧은 순간, 그 안에 물질의 입자가 없는 작은 볼륨이 있을 수 있다.물질의 모든 입자를 제거하더라도 광자와 중력뿐만 아니라 암흑 에너지, 가상 입자, 그리고 양자 진공의 다른 측면들도 여전히 존재할 것이다.

상대적 대 절대적 측정

진공상태는 압력 단위로 측정되며, 일반적으로 지구의 대기압에 상대적인 뺄셈으로서 측정된다.그러나 상대적으로 측정할 수 있는 진공 청소기의 양은 지역 조건에 따라 다르다.지상 수준의 대기압이 지구보다 훨씬 높은 금성의 표면에서는 상대적인 진공 판독이 훨씬 더 높을 것이다.대기가 거의 없는 달 표면에서는 지역 환경에 비해 측정 가능한 진공 상태를 만드는 것이 매우 어려울 것이다.

이와 유사하게, 지구의 깊은 바다에서는 일반적인 상대적 진공 판독치보다 훨씬 더 높은 수치가 가능하다.일반적으로 잠수함 내부의 1 ATM은 10기압의 깊이(98m; 9.8m²의 바닷물의 중량은 1atm에 해당함)까지 수중에 잠겨 있는 내부 압력을 유지하는 잠수함은, 일반적으로 잠수함 내부의 1atm은 진공으로 간주되지 않지만, 찌그러지는 외부 수압을 방지하는 진공실이다.

따라서 다음의 진공 측정 논의를 제대로 이해하기 위해서는 판독기가 주변 대기압의 정확히 1대기압에서 해수면에서 상대측정이 수행되고 있다고 가정하는 것이 중요하다.

1 atm에 상대적인 측정

유리 맥레오드 게이지, 수은 배출

압력의 SI 단위는 파스칼(기호 Pa)이지만, 진공상태는 종종 토리첼리(1608–1647)의 이름을 따서 토르스크로 측정된다.torr은 절대 영압 위 133.323684 파스칼에 해당하는 1 torr의 압력에서 밀리미터의 수은(mmHg)의 변위와 같다.진공상태는 기압계로 측정하거나 바나 대기압의 비율로 측정되기도 한다.낮은 진공상태는 종종 표준 대기압보다 낮은 밀리미터의 수은(mmHg) 또는 파스칼(Pa)으로 측정된다."대기 아래"는 절대 압력이 현재의 대기압과 같다는 것을 의미한다.

즉, 예를 들어 50.79 Torr을 판독하는 대부분의 저진공 게이지.값싼 많은 저진공 진공 게이지는 오차 한계를 가지고 있으며 0 Torr의 진공을 보고할 수 있지만, 실제로는 2단 회전 베인 또는 다른 중간 유형의 진공 펌프가 1 Torr을 훨씬 초과(낮음)해야 한다.

계측기

어떤 범위의 진공이 필요한지에 따라 진공에서 압력을 측정하기 위해 많은 장치를 사용한다.[39]

정수 게이지(수성기둥 압력계 등)는 끝이 서로 다른 압력에 노출되는 튜브의 액체 수직 컬럼으로 구성된다.기둥이 튜브의 양쪽 끝 사이의 압력 차이에 평형을 이룰 때까지 기둥이 상승하거나 하강한다.가장 단순한 디자인은 닫힌 끝 U자형 튜브로, 한쪽이 관심 영역과 연결되어 있다.어떤 액체든 사용할 수 있지만 높은 밀도와 낮은 증기압력 때문에 수은이 선호된다.간단한 정수 측정기는 1 torr (100 Pa)에서 대기 위까지의 압력을 측정할 수 있다.중요한 변화는 알려진 진공 부피를 분리하고 그것을 압축하여 액체 기둥의 높이 변동을 곱하는 McLeod 게이지다.맥레오드 게이지는 최대−6 10 torr(0.1 mPa)까지 진공을 측정할 수 있어 기존 기술로 가능한 최저의 직접 압력 측정이다.다른 진공 게이지는 더 낮은 압력을 측정할 수 있지만, 다른 압력 제어 특성 측정에 의해서만 간접적으로 측정할 수 있다.이러한 간접 측정은 직접 측정(가장 일반적으로 McLeod 게이지)을 통해 보정해야 한다.[40]

kenotometer는 특정한 유형의 정수 게이지로, 일반적으로 증기 터빈을 사용하는 발전소에서 사용된다.kenotometer는 콘덴서의 증기 공간, 즉 터빈 마지막 단계의 배기를 측정한다.[41]

기계적 또는 탄성 게이지는 보통 금속으로 만들어진 부르동 튜브, 다이어프램 또는 캡슐에 의존하는데, 이는 해당 지역의 압력에 반응하여 모양이 변하게 된다.이 생각의 변형은 칸막이 부분이 콘덴서의 일부를 구성하는 캐패시턴스 압력계다.압력의 변화는 다이어프램의 굴곡으로 이어져 캐패시턴스의 변화를 초래한다.이 게이지들은 103 torr부터 10−4 torr까지 유효하다.

열전도도 측정기는 기체가 열을 전도하는 능력이 압력에 따라 감소한다는 사실에 의존한다.이러한 유형의 게이지에서 와이어 필라멘트는 이를 통과하는 전류를 통해 가열된다.그런 다음 열전대 또는 저항 온도 검출기(RTD)를 사용하여 필라멘트의 온도를 측정할 수 있다.이 온도는 필라멘트가 주변 가스로 열을 손실하는 속도에 따라 달라지며, 따라서 열전도도에 따라 달라진다.일반적인 변종은 피라니 게이지로 단일 백금 필라멘트를 가열된 소자와 RTD로 사용한다.이 게이지들은 10 torr에서 10−3 torr까지 정확하지만 측정되는 기체의 화학적 성분에 민감하다.

이온화 게이지는 초고진공에서 사용된다.그것들은 뜨거운 음극과 차가운 음극의 두 종류로 나온다.뜨거운 음극 버전에서 전기로 가열된 필라멘트는 전자 빔을 생성한다.전자는 게이지를 통해 이동하며 주변의 가스 분자를 이온화한다.결과 이온은 음극 전극으로 수집된다.전류는 게이지의 압력에 따라 달라지는 이온의 수에 따라 달라진다.뜨거운 음극 게이지는 10−3 torr에서 10−10 torr까지 정확하다.전자가 고전압 전기 방전에 의해 생성된 방전에서 생성된다는 점을 제외하면 콜드 음극판 이면의 원리는 동일하다.콜드 음극 게이지는 10−2 torr에서 10−9 torr까지 정확하다.이온화 게이지 교정은 시공 기하학, 측정 중인 기체의 화학적 구성, 부식 및 표면 퇴적물에 매우 민감하다.그들의 보정은 대기압이나 낮은 진공에서 활성화되어 무효화될 수 있다.고진공에서의 기체의 구성은 대개 예측할 수 없기 때문에 정확한 측정을 위해서는 질량 분광계를 이온화 게이지와 함께 사용해야 한다.[42]

사용하다

전구에는 부분적으로 진공된 부분이 있으며, 보통 아르곤으로 채워져 텅스텐 필라멘트를 보호한다.

진공청소기는 다양한 프로세스와 장치에서 유용하다.그것의 첫 번째 광범위한 사용은 백열등을 화학적 분해로부터 보호하기 위한 백열등 전구에 있었다.진공에서 생성되는 화학적 불활성성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 후라이에도 유용하다.매우 좋은 진공만이 원자 규모의 깨끗한 표면을 상당히 오랫동안 보존하기 때문에(분에서 일까지의 순서에 따라) 원자적으로 깨끗한 기판 연구에 초고진공이 사용된다.고진공에서 초고진공은 공기의 방해를 제거하여 입자 빔이 오염 없이 물질을 퇴적 또는 제거할 수 있다.반도체와 광학 코팅의 제작과 표면과학에 필수적인 화학증기 증착, 물리적 증기 증착, 드라이 에칭의 원리다.대류의 감소는 보온병의 단열을 제공한다.딥진공은 액체의 비등점을 낮추고 저온의 과급성을 촉진시켜 동결건조, 접착제 조제, 증류, 야금, 공정제거 등에 쓰인다.진공의 전기적 특성은 음극선관을 포함한 전자현미경과 진공관을 가능하게 한다.진공 인터럽터는 전기 개폐기에 사용된다.진공 아크 공정은 특정 등급의 강철 또는 고순도 소재의 생산을 위해 산업적으로 중요하다.공기 마찰의 제거는 플라이휠 에너지 저장과 초경량화에 유용하다.

이 얕은 수심펌프는 펌프실 내부의 대기압을 감소시킨다.대기압은 우물까지 내려가고, 감소된 압력의 균형을 맞추기 위해 파이프를 펌프로 끌어올린다.지상 펌프실은 대기압의 균형을 잡는 물기둥 무게 때문에 약 9m 깊이까지만 유효하다.

진공 구동 기계

진공청소기는 일반적으로 흡착제를 생산하는데 사용되는데, 이것은 훨씬 더 다양한 용도를 가지고 있다.뉴코멘 증기 엔진은 피스톤을 구동하기 위해 압력 대신 진공을 사용했다.19세기에, 진공청소기는 Isambard Kingdom Brunel의 실험 대기 철도에 트랙션을 위해 사용되었다.진공 브레이크는 한때 영국에서 기차에서 널리 사용되었지만, 전통 철도를 제외하고, 그것들은 공기 브레이크로 대체되었다.

다지관 진공 청소기는 자동차 부속품을 구동하는 데 사용될 수 있다.가장 잘 알려진 용도는 브레이크의 동력 보조를 위해 사용되는 진공 서보이다.구식 애플리케이션으로는 진공 구동 윈드스크린 와이퍼와 오토백 연료 펌프가 있다.일부 항공기 계기(Attitudity Indicator(AI)와 Heading Indicator(HI)는 일반적으로 진공으로 구동되며, 초기 항공기에는 전기 시스템이 없는 경우가 많았으며, 이동 항공기에 쉽게 사용할 수 있는 두 가지 진공 소스가 있으므로 엔진과 말살 장치가 있다.날 벤투리진공 유도 용융은 진공 내에서 전자기 유도를 사용한다.

응축기의 진공 상태를 유지하는 것은 증기 터빈의 효율적인 작동의 중요한 측면이다.증기 제트 이젝터 또는 액체 링 진공 펌프는 이러한 목적으로 사용된다.터빈 배기의 콘덴서 증기 공간에서 유지되는 일반적인 진공(콘덴서 역압이라고도 함)은 콘덴서의 종류와 주변 조건에 따라 5 - 15 kPa(절대) 범위에 있다.

아웃가싱

주요 기사:아웃가싱

증발과 진공으로의 승화를 아웃가싱이라고 한다.고체든 액체든 모든 물질은 작은 증기 압력을 가지고 있으며 진공 압력이 이 증기 압력 아래로 떨어질 때 그 배출이 중요해진다.과다복용은 누출과 동일한 효과를 가지며 달성 가능한 진공을 제한할 것이다.과대평가 제품은 가까운 차가운 표면에서 응축될 수 있으며, 광학 기기를 모호하게 하거나 다른 재료와 반응할 경우 문제가 될 수 있다.이것은 가려진 망원경이나 태양 전지가 값비싼 임무를 망칠 수 있는 우주 임무에 큰 관심사다.

진공 시스템에서 가장 보편적인 아웃가싱 제품은 실내 재료에 의해 흡수되는 물이다.챔버를 건조 또는 굽고 흡착성 물질을 제거하면 줄일 수 있다.초과된 물은 로터리 베인 펌프의 오일에 응축될 수 있으며 가스 발라스팅을 사용하지 않을 경우 순 속도를 급격히 감소시킬 수 있다.고진공 시스템은 오염을 최소화하기 위해 깨끗하고 유기 물질이 없어야 한다.

초고진공 시스템은 보통 모든 배출 물질의 증기 압력을 일시적으로 상승시켜 끄기 위해, 가급적 진공 상태에서 구워진다.다량의 초과 가스를 끓인 후 배출하면 시스템을 냉각하여 실제 작동 중에 증기 압력을 낮추고 잔류 가스를 최소화할 수 있다.일부 시스템은 액체 질소에 의해 실온보다 훨씬 낮은 온도에서 냉각되어 잔류 배출 가스를 차단하고 동시에 시스템을 크라이오펌프한다.

펌핑 및 외기압

깊은 우물은 펌프실을 수면에 가까운 우물 안이나 물 속에 둔다."서커 로드"는 손잡이로부터 파이프 중앙을 깊은 우물 안까지 뻗어 플런저를 작동시킨다.펌프 핸들은 흡입기 로드 중량 및 상부 플런저에 서 있는 물기둥의 중량에 대해 지면 높이까지 무거운 균형추 역할을 한다.
주요 기사:진공펌프

유체는 일반적으로 당길 수 없으므로 흡인으로는 진공을 만들 수 없다.흡입은 고압이 진공으로 액체를 밀어 넣어 확산시키고 희석시킬 수 있지만, 흡수가 일어나기 전에 먼저 진공 상태를 만들어야 한다.인공진공을 만드는 가장 쉬운 방법은 용기의 부피를 넓히는 것이다.예를 들어 횡격막 근육은 흉강을 확장시켜 폐의 부피가 커지게 한다.이 팽창은 압력을 감소시키고 부분적인 진공을 발생시키며, 곧 대기압에 의해 밀려들어오는 공기에 의해 채워진다.

무한 성장을 요구하지 않고 무한정 챔버를 계속 대피시키기 위해 진공 구획을 반복적으로 폐쇄, 소진, 다시 확장시킬 수 있다.이것은 예를 들어 수동 급수 펌프와 같은 포지티브 변위 펌프 뒤의 원칙이다.펌프 안에서는 메카니즘이 작은 밀폐된 구멍을 확장하여 진공을 만든다.압력 차이 때문에, 챔버(또는 우리의 예에서 우물)에서 나온 일부 오일이 펌프의 작은 캐비티로 밀린다.그리고 나서 펌프의 공동은 챔버에서 밀봉되어 대기로 열린 다음 1분 크기로 다시 짜낸다.

고진공을 달성하는 데 사용되는 모멘텀 이송 펌프인 터보 분자 펌프의 절토 뷰

위의 설명은 진공 펌핑에 대한 간단한 소개일 뿐 사용 중인 펌프의 전체 범위를 대표하는 것은 아니다.포지티브 변위 펌프의 많은 변형이 개발되었고, 다른 많은 펌프 설계는 근본적으로 다른 원리에 의존한다.높은 압력에서 사용되는 동적 펌프와 유사한 모멘텀 이송 펌프는 양의 변위 펌프보다 훨씬 높은 품질의 진공 상태를 달성할 수 있다.끼임 펌프는 고체 또는 흡수된 상태로 가스를 포획할 수 있으며, 종종 움직이는 부품, 밀봉 및 진동이 없다.이 펌프들 중 어느 것도 보편적이지 않다. 각 유형에는 중요한 성능 제한이 있다.그들은 모두 낮은 분자량 가스, 특히 수소, 헬륨, 네온을 펌핑하는데 어려움을 공유한다.

시스템에서 얻을 수 있는 최저 압력은 또한 펌프의 특성 이외의 많은 것에 의존한다.다중 펌프는 높은 진공 상태를 달성하기 위해 단계라고 불리는 직렬로 연결될 수 있다.씰, 챔버 기하학, 재료 및 펌프 다운 절차의 선택은 모두 영향을 미칠 것이다.이를 총칭하여 진공 기법이라고 한다.그리고 때로는, 최종적인 압박만이 유일한 관련 특성은 아니다.펌핑 시스템은 오일 오염, 진동, 특정 가스의 우선 펌프, 펌프 다운 속도, 간헐적 듀티 사이클, 신뢰성 또는 높은 누출 속도에 대한 내성이 다르다.

초고진공 시스템에서는 일부 매우 "이상한" 누출 경로와 초과 공급원을 고려해야 한다.알루미늄과 팔라듐의 수분 흡수는 허용할 수 없는 초과 가스의 원천이 되고, 스테인리스강이나 티타늄과 같은 경질 금속의 흡착성까지도 고려해야 한다.어떤 기름과 기름은 극도의 진공상태에서 증발할 것이다.금속실 벽의 투과성을 고려해야 할 수 있으며 금속 플랜지의 입자 방향은 플랜지 면과 평행해야 한다.

현재 실험실에서 달성할 수 있는 최저 압력은 약 1×10−13 torrs (13 pPa)이다.[43]그러나 5×10−17 torrs(6.7 fPa)의 낮은 압력은 4K(-269.15°C; -452.47°F) 극저온 진공 시스템에서 간접적으로 측정되었다.[4]이는 입자/cm3 100개에 해당한다.

인간과 동물에 미치는 영향

참고 항목: 공간 노출 및 제어되지 않는 압축 해제
이 그림은 1768년 더비의 조셉 라이트(Joseph Wright)가 1660년 로버트 보일(Robert Boyle)에 의해 행해진 실험을 그렸다.

진공 상태에 노출된 인간과 동물은 몇 초 후 의식을 잃고 몇 분 안에 저산소증으로 사망하지만, 그 증상은 미디어와 대중문화에서 흔히 묘사되는 것만큼 생생하지 않다.압력 감소는 혈액을 비롯한 체액이 끓는 온도를 낮추지만 혈관의 탄성압은 이 끓는점이 내부 체온인 37℃ 이상으로 유지되도록 한다.[44]비록 피가 끓지는 않겠지만, 감소된 압력에서 체액에 있는 기포가 형성되는 것은 여전히 걱정스러운 일이다, 이불주의라고 알려져 있다.이 가스는 신체를 정상 크기의 두 배까지 부풀리고 순환이 느려질 수 있지만, 조직은 탄력성이 있고 파열을 예방할 수 있을 만큼 다공성이 있다.[45]부종과 과불증은 비행복을 입고 격납함으로써 억제될 수 있다.우주왕복선 우주비행사들은 2kPa(15 Torr)의 낮은 압력에서 이불리즘을 방지하는 승무원 고도 보호복(CAPS)이라는 몸에 맞는 탄성 옷을 입었다.[46]빠르게 끓으면 피부가 식고 특히 입안에서 서리가 내리지만, 이것은 큰 위험은 아니다.

동물실험에 따르면 90초 미만의 피폭에 대해서는 빠르고 완전한 회복이 정상인 반면 전신 피폭의 장기화는 치명적이고 소생술은 성공한 적이 없다.[47]NASA가 8마리의 침팬지를 대상으로 한 연구는 그들 모두가 2분 30초 동안 진공상태에서 살아남았다는 것을 발견했다.[48]인명사고로 이용할 수 있는 자료는 한정돼 있을 뿐 동물 데이터와 일치한다.만약 호흡이 손상되지 않았다면 사지는 훨씬 더 오랫동안 노출될 수 있다.[49]로버트 보일은 1660년에 진공 청소기가 작은 동물들에게 치명적이라는 것을 처음 보여주었다.

실험 결과 식물이 약 30분간 저압 환경(1.5kPa)에서 생존할 수 있는 것으로 나타났다.[50][51]

산소의 밀도가 표준 해수면 대기와 유사하다면, 춥거나 산소가 풍부한 대기는 대기보다 훨씬 낮은 압력에서 생명을 유지할 수 있다.최대 3km의 고도에서 발견되는 더 낮은 공기 온도는 일반적으로 그곳의 낮은 압력을 보상한다.[49]이 고도 위에서는 사전 적응을 거치지 않은 인간의 고산병 예방을 위해 산소농축이 필요하며, 19㎞ 이상에서 ebullism을 예방하기 위해서는 우주복이 필요하다.[49]대부분의 우주복은 20 kPa(150 Torr)의 순산소만을 사용한다.이 압력은 ebullism을 예방할 수 있을 정도로 높지만, 감압률을 관리하지 않으면 여전히 감압병과 가스 색전증이 발생할 수 있다.

급속 감압은 진공 노출 자체보다 훨씬 더 위험할 수 있다.피해자가 숨을 참지 않더라도 풍관을 통해 분출하는 속도가 너무 느려 폐의 섬세한 폐포장의 치명적인 파열을 막을 수 없을 것이다.[49]고막과 부상은 급속한 감압에 의해 파열될 수 있고, 부드러운 조직이 멍들고 피가 스며들 수 있으며, 충격의 스트레스로 산소 소모가 가속화되어 저산소증으로 이어질 수 있다.[52]급속한 감압에 의한 부상은 바로트라우마라고 불린다.점진적으로 진행되면 아무런 증상이 나타나지 않는 13kPa(100 Torr)의 압력강하가 갑자기 발생하면 치명적일 수 있다.[49]

지각과 같은 일부 극소성 미생물은 진공 상태에서 며칠 또는 몇 주 동안 생존할 수 있다.[53]

예

참고 항목:진공펌프
압력(Pa 또는 kPa) 압력(Torr, atm) 평균 자유 경로 cm당3 분자 수
표준 대기, 비교용 101.325kPa 760 torrs (1.00 atm) 66nm 2.5×1019[54]
강도 높은 허리케인 약 87 ~ 95 kPa 650년 ~ 710년
진공청소기 약 80 kPa 600 70nm 1019
증기 터빈 배기(콘덴서 역압) 9kPa
액상 반지 진공 펌프 약 3.2 kPa 24 torr (0.032 atm) 1.75 μm 1018
화성 대기 1.155kPa ~ 0.03kPa(평균 0.6kPa) 8.66~0.23 torr(0.01139~0.00030 atm)
동결건조. 100 대 10 1 대 0.1 100 μm ~ 1 mm 1016 대 1015
백열전구 10 대 1 0.1~0.01 torrs(0.000132~1.3×10−5 atm) 1 mm에서 1 cm 1015 대 1014
보온병 1 ~ 0.01 1×10−2 ~ 1×10−4 torr(1.316×10−5 ~ 1.3×10−7 atm) 1cm에서 1m까지 1014 대 1012
지구 열권 1Pa ~ 1×10−7 10−2 대 10−9 1cm~100km 1014 대 107
진공관 1×10−5 ~ 1×10−8 10−7 대 10−10 1~1000km 109 대 106
크라이오펌프된 MBE 챔버 1×10−7 ~ 1×10−9 10−9 대 10−11 100~1만 km 107 대 105
달의 압력 대략 1×10−9 10−11 1만 km 4×105[55]
행성간 공간 11[1]
성간 공간 1[56]
은하간 공간 10−6[1]

참고 항목

참조

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외부 링크