Vacuüm

Een vacuümpomp (museumstuk).

Het maximale vacuüm of maximale onderdruk of (het) luchtledig(e) is een 'ruimte' waarin geen lucht of ander gas aanwezig is,
alsook het natuurkundige verschijnsel.
In die ruimte bedraagt de druk derhalve (nagenoeg) 0 pascal.

Het woord vacuüm wordt in twee betekenissen gebruikt:

• in de (theoretische) natuurkunde : een materievrije ruimte.
• in de techniek en de toegepaste wetenschappen : een ruimte met lagere druk dan de druk van de buitenlucht. Een ander woord ervoor is onderdruk.
  Deze verloopt dan van 0 tot 1 bar ofwel tussen 0 en 100.000 Pa.

Indeling

Naar gelang van de grootte van het vacuüm, wordt het vacuüm in vier klassen ingedeeld:

• laag- of grof vacuüm: 10⁵ (atmosferische druk) tot 10² Pa
• midden- of fijn vacuüm: 10² tot 10^-1 Pa
• hoogvacuüm: 10^-1 tot 10^-5 Pa
• ultrahoogvacuüm: minder dan 10^-5 Pa

Om de grootte van een vacuüm uit te drukken wordt vaak de (verouderde) eenheid torr (= mm Hg) gebruikt.

Atmosfeer tegenover vacuüm

De aarde wordt omringd door de atmosfeer. Dat is een laag lucht die op ongeveer zeeniveau op de aarde en alles wat zich daarop bevindt een druk uitoefent van één atmosfeer of één bar of 100.000 Pa (100 kPa). Deze luchtdruk oefent een kracht uit in alle richtingen: de luchtdruk tegen de onderkant van een tafel is niet kleiner dan die tegen de bovenkant van de tafel.

Op een hoge berg is de luchtkolom minder hoog en de luchtdruk dus lager.

Door lucht uit een afgesloten vat te pompen, vermindert de druk in het vat. Hoe meer lucht uit het vat gepompt wordt, hoe lager de druk. De druk in een afgesloten ruimte die lager is dan buiten die ruimte heet een onderdruk. Nadert de druk tot nul dan is er sprake van een maximaal vacuüm of vrijwel luchtledig. De pompsnelheid (de capaciteit van de pomp) speelt daarbij een grote rol; de minimaal te behalen einddruk wordt bepaald door het evenwicht tussen wandontgassing en pompcapaciteit.

Bij atmosferische druk staan de moleculen van een gas dichter bij elkaar dan bij een luchtdruk die het maximale vacuüm benadert. De gasmoleculen bewegen met hoge snelheid en botsen tegen elkaar. Bij verminderde luchtdruk wordt de vrije weglengte, de afstand die een molecuul gemiddeld af kan leggen alvorens een volgende botsing te ondergaan, groter en zullen de moleculen dus minder vaak botsen.

Het door middel van een vacuüm vergroten van de vrije weglengte van de moleculen heeft veel toepassingen: computer- en televisiescherm, oscilloscoop, massaspectrometer, elektronenmicroscoop, deeltjesversneller, het opdampen (bijvoorbeeld van een cd), fabricage van geïntegreerde schakelingen, testen van kunstmanen.

De grootte van een vacuüm

Een perfect vacuüm is onmogelijk.

Vacuüm kan gerealiseerd worden door vacuümpompen, die een gedeeltelijk vacuüm creëren door het verplaatsen van lucht. Op aarde is voor het vacuüm een vat nodig. Water- en andere moleculen die aan de wand hechten en gassen die in de wand gediffundeerd zijn zullen vrijkomen en door die continue gasstroom de kwaliteit van het vacuüm negatief beïnvloeden.

Buiten de dampkring is het vacuüm veel beter dan ieder vacuüm dat op aarde gerealiseerd kan worden. Wetenschappelijke proeven waarvoor een hoog vacuüm nodig is, worden dan ook aan boord van satellieten uitgevoerd. In de interstellaire ruimte is het vacuüm nog beter. Zelfs dat haalt het niet bij wat er heerst in de intergalactische ruimte, tussen de sterrenstelsels.

Uit de kwantumveldentheorie volgt dat een absoluut vacuüm in de zin van een ruimte zonder deeltjes ook theoretisch niet kan bestaan: het vacuüm, dat wordt gedefinieerd als de toestand met de laagste energie, bevat een veelheid aan virtuele deeltjes, die onder meer verantwoordelijk zijn voor het Casimir-effect.

Hieronder een lijstje met waarden:

• atmosferische druk = 101,325 kPa of 760 torr
• stofzuiger = ongeveer 80 kPa of 600 torr
• mechanische vacuümpomp = ongeveer 1,35 Pa of 10 millitorr
• ruimte dicht bij de aarde = ongeveer 135 µPa of 1×10^-6 torr
• beste vacuüm in een massaspectrometer = 13 µPa of 1×10^-7 torr
• druk op de maan= ongeveer 1,3 µPa of 1×10^-8 torr
• beste vacuüm met een turbopomp = ongeveer 130 nPa of 1×10^-9 torr
• interstellaire ruimte = ongeveer 13 nPa of 1×10^-10 torr
• Laagst haalbaar vacuüm met een titaan-sublimatiepomp = ongeveer 1 nPa of iets minder dan 1×10^-12 torr

Opm: De laatste 3 waarden zijn met een redelijke nauwkeurigheid, maar zeker niet absoluut. De laatste waarde is een berekende benadering door andere verschijnselen dan een vacuümmeter verkregen.

Eigenschappen van het vacuüm

Geluidstrillingen hebben materie nodig om zich te verplaatsen: geluid verplaatst zich dus niet door het vacuüm. Een klassiek experiment bestaat uit een hard tikkende wekker onder een vacuümklok. Als de klok wordt leeggepompt hoort men de wekker niet meer tikken, laat men de klok weer vollopen met lucht, dan hoort men het tikken weer wel. Elektromagnetische golven (zoals licht, radiogolven, Röntgenstraling) verplaatsen zich wel door vacuüm.

Door de afwezigheid van materie is vacuüm een slechte warmtegeleider, waardoor het toepassing heeft als warmte-isolator, bijvoorbeeld in de dubbele wand van een thermosfles.

Het vacuüm is geen leefruimte, want levende wezens hebben materie nodig voor hun stofwisseling, en lucht om te kunnen ademhalen, maar veel levende wezens (zoals bacteriën, planten, stofmijten) kunnen een bepaalde tijd in vacuüm overleven. Dieren exploderen of koken niet als zij kort aan vacuüm blootgesteld worden, maar ze gaan dood door verstikking.

Geschiedenis van de vacuümtechniek

Aristoteles heeft beweerd dat een luchtledig niet kon bestaan omdat het bestaan ervan een logische tegenstrijdigheid zou inhouden (horror vacui). Het was Torricelli die met zijn experimenten met buizen gevuld met kwik aantoonde dat dat niet waar was. Daarmee begaf Torricelli zich op glad ijs, omdat de kerk in zijn dagen iedere afwijking van de norm der Ouden met argusogen bekeek.

Uit het onderzoek van Torricelli bleek inderdaad dat in de ruimte boven een kwikkolom zich geen lucht bevond. Dit heet het vacuüm van Torricelli. Dit is echter geen perfect vacuüm doordat het kwik zelf ook een dampspanning heeft doordat de kwikatomen verdampen. De druk is dus niet volledig nul.

Toepassingen

• Bij de klassieke proef met een Maagdenburger bol wordt de ruimte tussen twee halve bollen vacuüm gezogen, om de enorme kracht van de luchtdruk te demonstreren.
• Gloeilamp: Dankzij het vacuüm kon Edison in 1879 een gloeilamp maken. Met een vacuümpomp verwijderde hij de lucht (dus ook de zuurstof) uit de glazen ballon. Door het ontbreken van zuurstof verbrandde de gloeidraad niet en bleef de lamp lang branden. Moderne gloeilampen worden met argon (een inert gas) gevuld.
• Elektronenbuizen: Door het vacuüm kunnen elektronen zich in de buis vrij bewegen.
• Opdampen van spiegels en lagen silicium bij de halfgeleider ('chips') fabricage.
• Versnellen van elektronen: in een vacuüm kunnen elektronen versneld worden tot een bekende snelheid door het aanleggen van een elektrische spanning en met behulp van magnetische velden kunnen zij ook gefocusseerd worden. Zie ook: elektronenmicroscoop en massaspectrometer
• Faseleer
  • Het verlagen van kookpunt (voor destillaties van fracties met hoog kookpunt)
  • Vriesdrogen
• Vacuümverpakking:
  • door vacuüm verpakking wordt bederfbaar voedsel langer bewaard, bijvoorbeeld koffie in vacuüm verpakking
  • door vacuüm verpakking nemen samendrukbare stoffen minder plaats in, bijvoorbeeld (dons)dekens)
• Vacuüm garen
  • door vacuüm garen als kooktechniek wordt het mogelijk te koken op lagere temperaturen, met behoud van waardevolle voedings- en smaakstoffen en om de organisatie van de keuken te vereenvoudigen (sous-vide koken).
• Vacuümtafel
  • toestel gebruikt onder meer bij de restauratie van schilderijen.
• Vacuümdestillatie voor het winnen van organische verbindingen uit planten.

Trivia

Men gebruikt de term luchtledig(e) ook inzake bepaalde uitdrukkingen, zoals : "in het luchtledig(e) hangen" oftewel : door niets worden gesteund, geen grond onder de voeten hebben,
of : "in het luchtledige praten" oftewel : woorden zonder waarde hebben.

Externe links

• www.nevac.nl - de Nederlandse Vacuümvereniging NEVAC
• www.vacuum-guide.com - Vacuümpompen in Nederland

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Vacuum op Wikimedia Commons.