真空的发现和理论基础

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)实用真空技术 作者:郭方准

  17世纪初,意大利的挖井工人有一个经验性常识———用泵抽水的高度有限。伽利略通过计算,证明泵抽水的高度极限约10m。1643年,伽利略的学生托里拆利认为,如果水的高度极限为10m,则相对密度为13.6的水银上升高度应该在760mm。他将一根一端封闭盛满水银的细长玻璃管倒立在水银槽内,实验验证玻璃管中的水银高度逐渐下降至水银槽液面以上大约760mm(图1.1)。托里拆利随即指出,玻璃管上端的空隙内就是真空,而大气的压强就是约760mmHg。之后,帕斯卡等发现水银柱在地面的高度大于在山顶的高度,证明大气压强与海拔高度有关。

托里拆利实验图

图1.1 托里拆利实验图

  1654年德国人葛利克将两个直径40cm的铜质半球合起来,用真空泵将球内的空气抽出。在巨大的大气压强作用下,最终每个半球用8匹马,沿相反的方向也未能将两个半球拉开。葛利克当时是马德堡市的市长,这个实验被称为马德堡半球实验。

  1622年英国人玻意耳发现玻意耳定律,即在定量定温下,理想气体的体积与气体的压强成反比。1738年瑞士人伯努利提出完整的气体分子运动理论。他们奠定了真空技术最初的理论基础。

  气体的压强来自气体分子和容器壁的碰撞,其根本的起源是分子自身的动能。即

分子自身的动能

分子自身的动能

  真空容器内的压强和压强差的关系为

真空容器内的压强和压强差的关系

  kgf/cm2是千克力每平方厘米的压强表示单位。容器内的压强从大气压降到104Pa时,容器内外的压强差基本上是线性增加(图1.2)。继续减压,则压强差逐渐饱和。

真空容器的压强和压强差之间的关系

图1.2 真空容器的压强和压强差之间的关系

  一个大气压下,每平方厘米就承受1.033kg的大气压力。如果我们人体的面部表面积是200cm2的话,则面部承受着200多千克的压力。由于人们日常生活中身体内外压力平衡,所以才没有感到巨大的压力。乘坐飞机时,起飞和降落时耳膜会有不适,就是身体内外产生压强差的表现。乘坐高层电梯迅速升降时的耳膜不适,也是同样原因。海平面上,大气压强为1.013×105Pa,珠穆朗玛峰顶的压强为3.2×104Pa,约为海平面气压的1/3。

  我国自古以来就善于利用真空技术。古人冶炼时使用的风箱,其原理和现在的旋片泵相似;而医疗用的拔火罐更是一个获得真空和应用真空的完整过程。我国在几千年的历史中,善于发明创造,但是缺少将发明系统化和在生产中进行技术革新的意识,以至于多次和人类的重大产业革命失之交臂。

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