خلأ نسبی: فشار کم در دنیای پر از هوا
هوا و فشار: بازیگری نامرئی در اطراف ما
برای درک خلأ نسبی، ابتدا باید با مفهوم فشار هوا یا فشار اتمسفر۳ آشنا شویم. هوای اطراف ما، اگرچه نامرئی است، اما جرم دارد و به دلیل نیروی جاذبه زمین، به همه چیز و همه جا فشار وارد میکند. این فشار در سطح دریا بیشترین مقدار خود را دارد. یک روش ساده برای تصور فشار هوا، فکر کردن به یک ستون عظیم از هوا است که از بالای سرتان تا انتهای اتمسفر زمین ادامه دارد. وزن این ستون هوای بالای سطح زمین، همان چیزی است که ما آن را فشار اتمسفر مینامیم.
هوا همیشه تمایل دارد از منطقهای با فشار بالاتر به منطقهای با فشار پایینتر حرکت کند تا تعادل برقرار شود. این اصل پایهای، کلید فهم خلأ نسبی است. وقتی ما از «خلأ» صحبت میکنیم، معمولاً به معنای نبود کامل هوا (خلأ مطلق۵) نیستیم؛ بلکه بیشتر منظورمان شرایطی است که مقدار هوا کمتر و در نتیجه فشار آن پایینتر از فشار محیط است.
| نوع | تعریف | مثال کاربردی | سطح فشار نسبی |
|---|---|---|---|
| خلأ نسبی | فشار هوای داخل یک فضا کمتر از فشار هوای بیرون (محیط) باشد. | جاروبرقی، نوشیدن با نی، پمپ تلمبهای دوچرخه | کمتر از 101.3 کیلوپاسکال |
| تعادل فشار | فشار هوای داخل و خارج یک فضا با هم برابر باشند. | یک اتاق با در و پنجره باز، شیشهای که در معرض هواست | حدود 101.3 کیلوپاسکال |
| فشار مثبت | فشار هوای داخل یک فضا بیشتر از فشار هوای بیرون باشد. | باد کردن بادکنک، لاستیک خودرو، سیستمهای تهویه مطبوع در برخی موارد | بیشتر از 101.3 کیلوپاسکال |
چگونه خلأ نسبی ایجاد میشود: سه روش اصلی
برای ایجاد یک خلأ نسبی، باید به نوعی حجم هوا در یک محفظه بسته را کم کنیم یا حجم محفظه را افزایش دهیم. این کار را میتوان به چند روش انجام داد:
۱. کاهش تعداد مولکولهای هوا (با مکش یا پمپاژ): رایجترین روش است. مانند کاری که یک پمپ تلمبه دوچرخه هنگام برگشت پیستون انجام میدهد. با بازگشت پیستون، حجم داخل پمپ زیاد میشود، اما دریچه ورودی بسته است. در نتیجه مولکولهای هوا در حجم بزرگتری پخش میشوند و فشار افت میکند (خلأ نسبی ایجاد میشود). سپس هوای بیرون با فشار بیشتر، از طریق دریچه لاستیک به داخل رانده میشود تا تعادل برقرار شود.
۲. تغییر دما: وقتی هوای داخل یک محفظه سرد میشود، مولکولهای آن انرژی کمتری دارند و به هم فشردهتر میشوند یا حتی ممکن است مقداری از هوای داخل متراکم شود (مانند تشکیل قطرات آب). این امر منجر به کاهش فشار داخل محفظه نسبت به بیرون میگردد.
۳. واکنش شیمیایی یا انحلال: برخی واکنشها یا فرآیندها میتوانند گاز داخل یک فضا را جذب کنند. مثال کلاسیک آن، آزمایش شیمیایی با شیشه پر از آب و کاغذ است که در آن سوختن شمع، اکسیژن هوا را مصرف میکند و در نتیجه فشار داخل کم میشود.
از نی نوشیدنی تا فضاپیما: کاربردهای شگفتانگیز خلأ نسبی
خلأ نسبی یک پدیدهٔ انتزاعی علمی نیست؛ بلکه بخشی جداییناپذیر از فناوریها و وسایل اطراف ما است.
جاروبرقی: موتور جاروبرقی یک پمپ قدرتمند است که به سرعت مولکولهای هوا را از داخل محفظه کیسه یا سیکلون خارج میکند و یک خلأ نسبی قوی ایجاد مینماید. هوای بیرون (همراه با گرد و غبار) برای پر کردن این خلأ و رسیدن به تعادل فشار، با سرعت به داخل محفظه مکیده میشود.
نوشیدن با نی: وقتی شما با نی۶ مایعی را میمکید، در واقع هوای داخل نی را خارج میکنید. با کاهش تعداد مولکولهای هوا در داخل نی، فشار داخل آن از فشار هوای بیرون (که بر سطح مایع در لیوان وارد میشود) کمتر میگردد. در نتیجه، فشار هوای بالای مایع در لیوان، مایع را به سمت بالا و داخل نی میراند. اینجا خود شما نقش یک پمپ مکش را ایفا میکنید!
نگهداری دارو در ویالهای آمپول: بسیاری از داروهای تزریقی در شیشههای کوچکی به نام ویال نگهداری میشوند که هوای داخل آنها تخلیه شده است (خلأ نسبی ایجاد شده). هنگام تزریق، وقتی سوزن سرنگ را وارد ویال میکنیم و پیستون را میکشیم، هوای کمی وارد سرنگ میشود. سپس با فشار دادن پیستون، این هوا به داخل ویال تزریق میشود. اکنون فشار داخل ویال کمی افزایش یافته و با فشار بیرون (فشار اتمسفر) برابر میشود. حالا اگر دوباره پیستون را بکشیم، چون فشار داخل ویال و بیرون برابر است، فشار اتمسفر به راحتی دارو را به داخل سرنگ میراند.
بستهبندی خلأ (وکیوم) مواد غذایی: در این روش، هوای داخل بستهبندی پلاستیکی مواد غذایی تخلیه میشود. خلأ نسبی ایجاد شده، جلوی رشد باکتریها و قارچهای نیازمند اکسیژن را میگیرد و همچنین از اکسیداسیون۷ (مانند قهوهای شدن سیب) جلوگیری کرده و ماندگاری غذا را افزایش میدهد.
مکندههای صنعتی و جراحی: در بیمارستانها، از دستگاههای مکش (ساکشن) برای خارج کردن مایعات اضافی از بدن بیمار در حین عمل جراحی استفاده میشود. در صنعت نیز از مکندههای قوی برای جابهجایی مواد پودری یا جمعآوری ضایعات استفاده میگردد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، به طور دقیق علمی، خلأ نسبی چیزی را «نمیمکَشد». آنچه اتفاق میافتد، فرستاده شدن یا راندده شدن هوا و ذرات به داخل منطقه کمفشار توسط فشار هوای بالاتر محیط است. جاروبرقی با ایجاد منطقه کمفشار (خلأ نسبی) در داخل خود، باعث میشود فشار هوای محیط (که تقریباً 101.3 کیلوپاسکال است) آشغال را به داخل دستگاه براند. بنابراین نیروی اصلی از بیرون وارد میشود، نه از داخل دستگاه.
پاسخ: این یک مثال عالی از تعادل فشار است. هنگام بستهبندی داغ مربا، هوای بالای آن گرم و منبسط میشود و مقداری بیرون میرود. پس از بستن درب و سرد شدن، هوا داخل شیشه منقبض شده و فشار آن کاهش مییابد (خلأ نسبی خفیف ایجاد میشود). درب به دلیل فشار کمتر داخل و فشار بیشتر خارج، محکم بسته میماند. وقتی درب را میپیچانیم و میشکنیم، هوای بیرون با فشار بیشتر با سرعت وارد میشود تا این خلأ نسبی را پر کند و صدای مشخصی تولید میکند.
پاسخ: بله، با یک آزمایش ساده: یک لیوان را پر از آب کنید. یک مقوای نازک (مثل کارت ویزیت) را روی دهانه آن کاملاً بگذارید. با یک دست مقوا را نگه دارید و با دست دیگر لیوان را به آرامی وارونه کنید. حالا میتوانید دستی که مقوا را نگه میداشت بردارید. خواهید دید که آب در لیوان میماند و نمیریزد. دلیل این است که فشار هوای بیرون (فشار اتمسفر) که به مقوا وارد میشود، از وزن آب بیشتر است و آن را در جای خود نگه میدارد. در بالای آب (بین آب و کف لیوان) یک فضای بسیار کوچک با فشار کم وجود دارد که تقریباً نزدیک به خلأ نسبی است.
پاورقی
۱ خلأ نسبی (Relative Vacuum)
۲ ویال (Vial): ظرف شیشهای کوچک دربدار مخصوص نگهداری دارو.
۳ فشار اتمسفر (Atmospheric Pressure)
۴ پاسکال (Pascal): واحد استاندارد اندازهگیری فشار در سیستم SI.
۵ خلأ مطلق (Absolute Vacuum)
۶ نی (Straw)
۷ اکسیداسیون (Oxidation): واکنش یک ماده با اکسیژن.
