ریشه لغوی

هر چند که کلمه لاتینی Vacum (خلا) به معنی خالی بودن (تهی ‌بودن) از ماده است. اما موضوع تکنیک خلا چیزی به کلی غیر از مقوله فضای بدون ماده است. در پایین‌تر‌ین وصول امروزه ، هنوز صدها ذره در هر سانتیمتر مکعب از گاز وجود دارد.

نگاه اجمالی
خلا در روی کره زمین در پاره‌ای از اعمال زندگی حیوانی به خلا پایین بر می‌خوریم. اما خلا بالا ، در روی کره زمین بصورت طبیعی ، شناخته (و یا مشاهده) نشده است. پاره‌ای از اعمال طبیعی از لحاظ کاربرد طبیعی خلا صورتی بسیار زنده دارند. نظیر عمل تنفس ، انسان حین دم تا حدود ۷۴۰ تور هوا را به داخل ریه خود می‌کشد و در حین بازدم قادر است فشار داخل ریه را تا ۳۰۰ تور پایین بیاورد. اکتاپوس می‌تواند فشار را در بازدم تا حدود ۱۰۰ تور پایین بیاورد. البته بعضی اعمال طبیعی خلا‌سازی دارای ساز و کاری توأم با پیچیدگی است.

تاریخچه

سرآغاز تکنیک خلا به سال ۱۶۴۳ می‌رسد. سالی که در آن توریچلی موفق به ایجاد خلا در بالای ستون جیوه واقع در لوله شیشه‌ای دراز سر بسته‌ای شد که پس از پر کردن آن با جیوه از دهانه بازش روی تشتکی از جیوه بطور وارونه قرار می‌گرفت. دوره پیش آهنگ تکنیک خلا تا اختراع لامپ الکتریکی ادامه یافت. در این دوره در مورد مبانی قانونهای گاز پیشرفتهای نظری و تجربی مهمی حاصل شد. (قانونهایبویل ـ ماریوت ، شارل ـ گیلوساک ، برنولی ، آووگادرو ، ماکسول ، بولتزمن و غیره ).

اولین پیشرفت در کاربرد عملی خلا استفاده از آثار مکانیکی حاصل از اختلاف فشار بین خلا و اتمسفر بود. تجربه کلاسیکی گریک (در سال ۱۶۵۴) نشان داد که برای سوا کردن دو نیم کره تو خالی بهم چسبیده به شعاع ۱۱۹ سانتیمتر که هوای درون آنها تخلیه شده بود. نیاز به نیروی کشش ۱۶ نیوتن لازم است که دو اسب در دو جهت مخالف هم بر نیمکره‌ها وارد می‌کند. کاربرد این دانش برای افزایش راندمان ترامواها در دوبلین فقط چند سالی دوام یافت.

سیر تحولی و رشد

کار سیستمهای انتقال هوای فشرده یا خلا که در سالهای ۱۸۶۰ ـ ۱۸۵۰ در لندن و پاریس آغاز شده با کمی نو سازی تا کنون ادامه دارد. ساخت لامپ الکتریکی رشته‌ای (ادیسون ۱۸۷۹) نیز یکی از نتایج کار خلا سازی بود که توسط توپلر و اشیرتکل چند سالی پیش اختراع شده بود. خلاسنج ساخت مک لئود (در سال ۱۸۷۴) برای اولین بار امکان اندازه‌گیری فشارهای پایین را فراهم آورد. بدون پایین آوردن چگالی مولکولی (خارج ساختن اجزای فعال اتمسفر از درون محفظه لامپ) کار لامپ الکتریکی امکان پذیر نبود. مبنای کار لوله پرتوی کاتودیک ، افزایش مسیر آزاد میانگین مولکولها در درون لوله بود. اولین کاربرد عایق حرارتی حاصل از خلا ساخت فلاسک دو جداره بود (در سال ۱۸۹۳).

اختراع دیودها (۱۹۰۲) و تریودها (در سال ۱۹۰۷) که در خلا کار می‌کنند و استفاده از رشته تنگستن (در سال ۱۹۰۹) سرآغاز توسعه لامپهای الکترونیکی و تکمیل لامپ الکتریکی بود. همه این پیشرفتها که یکی به مبنای دیگری صورت می‌گرفت نیاز به تخلیه بیشتر و خلاسنجی بهتر و دقیقتر را روز افزون می‌ساخت. پمپ‌های دیفوزیون (Langmuir.Gaede) در سالهای ۱۹۱۵ و ۱۹۱۶ ساخته شدند. قبل از آن تاریخ ، در سال ۱۹۰۶ پیرانی خلاسنج (gauge) خود را ساخت و سپس در سال ۱۹۱۶ با ساخته شدن خلاسنج یونشی با کاتد گرم به اندازه گیری خلاهای بالا فراهم شد.

توسعه تکنولوژی خلا تا جنگ جهانی دوم ادامه یافت، در سالهای ۳۶ ـ ۱۹۳۵ به سه بند تازه دسترسی یافت. پمپهای گازی بالاست (gas Ballast) ، پمپ دیفوزیون روغنی و خلاسنج یونشی با کاتد سرد پتینگ (Prnning) این سه قلم همراه با خلاسنج پیرانی ، از آن زمان تا کنون جزو اجزای جدایی ناپذیر اعلای سیستمهای خلا گشته است. از سال ۱۹۴۰ به بعد تکنولوژی خلا پیشرفت بسیار بزرگی در زمینه دستگاههای پژوهشی فیزیک هسته‌ای (سیکلوترون و جداسازی ایزوتوپ و غیره) ، فلز کاری خلا ، اندودن و خشک کردن تحت سرمای خلا داشته است.

تا سال ۱۹۵۰ گستره معرفی خلا به۱۰-۷ ـ ۱۰-۶ تور می‌رسید. شاید هم در آن سالها رسیدن به فشارهای پایین تر امکان پذیر بوده است، ولی با اندازه گیری آن فشار امکاناتی در دسترس نبود. خلاسنج بایارد ـ آلبرت (Bayard – Alpert gauge) در ۱۹۵۰ راه اندازه‌گیری فشارهای پایین‌تر را گشود، فشارهایی که بعدها نام خلا فرا بالا به خود گرفتند. ساخت پمپهای یونی در سالهای بعد ۱۹۵۳ ، رسیدن به فشارهای بسیار پایین را امکان پذیر ساخت. در دهه اخیر پژوهشهای فضایی و کوشش در راه حل مسائل خاص این زمینه ، جهش کمی بزرگی را برای تکنولوژی خلا فراهم آورده است.

مفهوم خلا

کلمه خلا به هر فضایی که فشار آن کمتر از فشار اتمسفر است، اطلاق می‌شود. خلا کامل یا مطلق (فضای تهی از ماده) که در آن ، فضا به کلی عاری از ماده باشد، حالتی است دست نیافتنی. فشار اتمسفر ۷۶۰mmHg و چگالی عددی آن برابر n = 2.5x1019mol/Cm3 است.

واحدی از فشار که عمدتا مورد استفاده ما خواهد بود، عبارت تور (Torr) است که به نام توریچلی ساخته شده و با تقریب خوبی ، برابر ۱torr = 1mmHg است.

واحد رایج دیگری به نام میکروبار است که برابر است با: ۱Din/Cm3

واحد فشار در دستگاه SI عبارت است از N/m2 یا Pa پاسکال.

واحدهای بسیار دیگری برای فشار وجود دارد که پاره‌ای از آنها در تکنیک خلا بکار می‌روند.

img/daneshnameh_up/f/fd/vacume.jpg

انواع خلا

خلا طبیعی: خلأی است بدون دخالت انسان در طبیعت و از جمله کره زمین و طبقات جو آن موجود است.

خلا مصنوعی: خلأی است که بدست انسان فراهم می‌آید و اصل موضوع تکنیک خلا همین مورد است.

خلا در فضا

می‌دانیم که فشار هوا در سطح دریا برابر ۷۶۰ تور است و با صعود از سطح دریا به ارتفاعات بالا ، به تدریج کاهش می‌یابد. تا در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری (تروپوسفر و استراتوسفر) این کاهش کاملا منظم بوده و آهنگ افت آن برابر یک مرتبه مقداری از هر ۱۵ کیلومتر است. با این افت منظم فشار مقدار آن در ارتفاع حدود ۹۰ کیلومتری بوجود می‌آید. در یونسفر (۴۰۰ ـ ۱۰۰ کیلومتر) تعداد زیادی اتم یونیده موجود است و فشار در آن ناحیه به ازای هر ۲۰۰ ـ ۱۰۰ کیلومتر از ارتفاع به مقدار ۱۰ بار کاهش می‌یابد و بالاخره در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری به ۱۰-۱۰ تور می‌رسد. در بالاتر از ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری شرایط خلا فرا بالا موجود است. در بالاتر از این ارتفاع ، آهنگ کاهش فشار باز هم کندتر می‌شود و نهایتا ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتری به حدود ۱۰۱۳ تور می‌رسد.

کاربردهای خلا در علوم و فنون

کاربردهای بسیار گوناگون خلا را می‌توان حالت فیزیکی کاربرد و یا بر حسب زمینه آن طبقه بندی کرد. روشن است که هر یک از موارد کاربردی از یک یا چند وضعیت و حالت فیزیکی بهره می‌گیرند.

وضعیتهایی که ناشی از رقیق کردن گازها ، در ظرف تخلیه مورد کاربرد ، پی در پی بوجود می‌آیند. در پاره‌ای از موارد کاربردی ، فرآورده‌ها یا قابلیتهایی حاصل می‌شوند که بطور دائم در کل عمر آن ماندگارند. (مانند لامپها ، لوله‌های الکترونیکی و لوله‌های تخلیه الکتریکی ماشینهای شتاب دهنده و …) ، حال آنکه در پاره‌ای دیگر از کاربردهای تکنیکی ، حالت خلا فقط برای مدلی معین به عنوان واسطه‌ای در فرآیند تولید و به کار می‌رود. و محصول نهایی در شرایط اتمسفر مورد استفاده قرار می‌گیرد. (نظیر افزودن از خلا Vacum Caoting ـ خشکاندن در خلا و بارو کردن در خلا).

در معرض خلا قرار گرفتن با بدن انسان چه می کند؟

معمولا در داستان های علمی تخیلی فضانورد بدبختی وجود دارد که بدون لوازم مورد نیاز در معرض خلا سرد و بی هوا قرار می گیرد. اگر طرفدار ژانر علمی تخیلی باشید، حتما همچین داستان هایی را دیده و شنیده اید اما مانند بسیاری از موضوعات دیگر، داستان ها و فیلم های سینمایی با حقیقت مطابقت ندارند! از زمانی که انسان از فضای امن و امان کره ی زمین پا فراتر گذاشته است، موجودات زنده ای – گاهی اتفاقی و گاهی از روی قصد – در معرض خلا قرار گرفته اند. با توجه به این اتفاقات و دانسته های فضایی گذشته، دانشمندان تقریبا به خوبی می دانند وقتی انسان در معرض خلا قرار می گیرد، چه اتفاقی برایش می افتد.

در دهه ی ۶۰ میلادی، پیشرفت تکنولوژی به رویای سفر فضایی انسان زندگی بخشید. از همان ابتدا، مهندسان به زمان زنده ماندن انسان در خلا اهمیت زیادی می دادند. آن ها باید می دانستند که در صورت خرابی سفینه یا لباس فضانوردی، فضانورد چه قدر وقت برای نجات دادن خود دارد. به همین دلیل ناسا مخزن هیپوباریک بزرگی ساخت تا شرایط سخت و خشن فضا را بازسازی کند. عوامل زیادی از جمله دما، فشار و امواج رادیو اکتیو در ساخت این مخزن در نظر گرفته شدند. آزمایش های زیادی روی انسان ها و حیوان ها انجام شدند که به پیشرفت علم در این زمینه کمک های بسیاری کردند.

هنگامی که بدن انسان به طور ناگهانی در معرض خلا قرار می گیرد، چندین اتفاق مختلف همزمان به وقوع می پیوندند که گرچه در ابتدا خطرناک نیستند، اما به سرعت مرگبار می شوند. اولین اتفاقی که می افتد انبساط گاز های موجود در بدن از جمله هوای درون ریه ها به دلیل نبود فشار هوای خارجی است. اگر قربانی هوای درون ریه هایش را تخلیه کند، امیدی برای زنده ماندنش وجود دارد وگرنه در همان ابتدا با متلاشی شدن ریه ها می میرد. ممکن هست همچین بازدم زندگی بخشی صدای بسیار بلندی داشته باشد ولی از آنجا که ماده ای وجود ندارد، صدایی منتقل نمی شود.

در خلا به دلیل نبود فشار هوا، آب به سرعت به بخار تبدیل می شود. به همین علت رطوبت موجود در چشم ها و دهان قربانی به سرعت تبخیر می شود. به دلیل تبخیر آب موجود در ماهیچه های قربانی، بدن فرد شروع به ورم کردن می کند و در عرض چند ثانیه دوبرابر اندازه ی اولیه اش می شود. این ورم کردن ها ممکن است باعث کبودی در بدن فرد بشوند ولی لطمه ای به پوست وارد نمی کنند. به دلیل کاهش فشار، نیتروژن حل شده در خون انسان به شکل حباب درمی آید و سبب ایجاد بیماری تراکم زدایی “Decompression Sicknes” می شود. همچنین قرار گرفتن در معرض امواج فرابنفش خورشید باعث آفتاب سوختگی شدید در بدن فرد می شود. با این که فضا بسیار سرد است، به دلیل نبود ماده ای برای انتقال گرما، فرد تا سر حد مرگ منجمد نمی شود.

در مدت ۱۰ ثانیه پس قرار گرفتن در معرض خلا قربانی کاملا هوشیار است و حتی ممکن است بتواند جان خود را نجات بدهد، اما زمانی که علائم هیپوکسی یا کمبود اکسیژن بروز می کند دیگر از هوشیاری خبری نیست. بعد از ۱۰ ثانیه فرد بینایی خود را از دست می دهد و نمی تواند درست تصمیم بگیرد، دمای دهان و بینی اش به زیر صفر درجه می رسد و درنهایت رنگ پوستش به آبی تغییر می کند و بیهوش می شود.

در چنین زمانی با این که شخص آبی، ورم کرده، کبود شده و بیهوش است، مغزش هنوز سالم است و قلبش هنوز می تپد و اگر به او اکسیژن برسانند، به احتمال زیاد به طور کامل بهبود میابد. اما اگر چنین اتفاقی نیفتد، در طول ۹۰ ثانیه ی بعد، فشار خون به مقدار زیادی کاهش میابد، خون شروع به تبخیر شدن می کند و دست آخر قلب می ایستد. با این که انسان بدون محافظ زیاد در خلا دوام نمی آورد، توانایی ۲ دقیقه زنده ماندن در چنین شرایط سخت و خشنی واقعا تحسین برانگیز است.

فیزیک وکیوم

خلاء یا وکیوم با اینکه تکنولوژی پیچیده ای دارد با این حال دارای فیزیک بسیار ساده ای است. خلأ به فضایی گفته می‌شود که خالی از ماده باشد به گونه‌ای که فشار آن بسیار بسیار کمتر از فشار اتمسفر باشد. یک خلاء ایده آل فضایی است که خالی از هر گونه ذره از ماده باشد که در عمل دسترسی به آن غیر ممکن است . کیفیت یک خلاء را نزدیکی به وضعیت خلاء ایده آل تعیین می کند که فشار آن می تواند معیار خوبی برای کیفیت خلاء باشد. فشار گاز عبارت است از نیرو بر واحد سطحی که ازطرف گاز در یک ظرف، بر سطح داخلی ظرف وارد می شود.

در حقیقت مولکول های گاز به خاطر داشتن انرژی جنبشی، به سطح درونی ظرف ضربه میزنند و به آن نیرو وارد می کنند . واحد اندازه گیری فشار در دستگاه استاندارد پاسکال است که برابر است با وارد کردن نیروی یک نیوتن بر سطحی به اندازه ی یک متر مربع.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: