【康沃真空網(wǎng)】17世紀(jì)初,意大利的挖井工人有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性常識———用泵抽水的高度有限。伽利略通過計(jì)算,證明泵抽水的高度極限約10m。1643年,伽利略的學(xué)生托里拆利認(rèn)為,如果水的高度極限為10m,則相對密度為13.6的水銀上升高度應(yīng)該在760mm。他將一根一端封閉盛滿水銀的細(xì)長玻璃管倒立在水銀槽內(nèi),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證玻璃管中的水銀高度逐漸下降至水銀槽液面以上大約760mm(圖1.1)。托里拆利隨即指出,玻璃管上端的空隙內(nèi)就是真空,而大氣的壓強(qiáng)就是約760mmHg。之后,帕斯卡等發(fā)現(xiàn)水銀柱在地面的高度大于在山頂?shù)母叨?,證明大氣壓強(qiáng)與海拔高度有關(guān)。
圖1.1 托里拆利實(shí)驗(yàn)圖
1654年德國人葛利克將兩個(gè)直徑40cm的銅質(zhì)半球合起來,用真空泵將球內(nèi)的空氣抽出。在巨大的大氣壓強(qiáng)作用下,最終每個(gè)半球用8匹馬,沿相反的方向也未能將兩個(gè)半球拉開。葛利克當(dāng)時(shí)是馬德堡市的市長,這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。
1622年英國人玻意耳發(fā)現(xiàn)玻意耳定律,即在定量定溫下,理想氣體的體積與氣體的壓強(qiáng)成反比。1738年瑞士人伯努利提出完整的氣體分子運(yùn)動理論。他們奠定了真空技術(shù)最初的理論基礎(chǔ)。
氣體的壓強(qiáng)來自氣體分子和容器壁的碰撞,其根本的起源是分子自身的動能。即
真空容器內(nèi)的壓強(qiáng)和壓強(qiáng)差的關(guān)系為:
kgf/cm2是千克力每平方厘米的壓強(qiáng)表示單位。容器內(nèi)的壓強(qiáng)從大氣壓降到104Pa時(shí),容器內(nèi)外的壓強(qiáng)差基本上是線性增加(圖1.2)。繼續(xù)減壓,則壓強(qiáng)差逐漸飽和。
圖1.2 真空容器的壓強(qiáng)和壓強(qiáng)差之間的關(guān)系
一個(gè)大氣壓下,每平方厘米就承受1.033kg的大氣壓力。如果我們?nèi)梭w的面部表面積是200cm2的話,則面部承受著200多千克的壓力。由于人們?nèi)粘I钪猩眢w內(nèi)外壓力平衡,所以才沒有感到巨大的壓力。乘坐飛機(jī)時(shí),起飛和降落時(shí)耳膜會有不適,就是身體內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差的表現(xiàn)。乘坐高層電梯迅速升降時(shí)的耳膜不適,也是同樣原因。海平面上,大氣壓強(qiáng)為1.013×105Pa,珠穆朗瑪峰頂?shù)膲簭?qiáng)為3.2×104Pa,約為海平面氣壓的1/3。
我國自古以來就善于利用真空技術(shù)。古人冶煉時(shí)使用的風(fēng)箱,其原理和現(xiàn)在的旋片泵相似;而醫(yī)療用的拔火罐更是一個(gè)獲得真空和應(yīng)用真空的完整過程。我國在幾千年的歷史中,善于發(fā)明創(chuàng)造,但是缺少將發(fā)明系統(tǒng)化和在生產(chǎn)中進(jìn)行技術(shù)革新的意識,以至于多次和人類的重大產(chǎn)業(yè)革命失之交臂。