Vakuum - Mehr als Nichts? Was ist Vakuum? Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
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- Walther Kerner
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1 Zum 400. Geburtstag von Otto von Guericke Vakuum - Mehr als Nichts? Was ist Vakuum? Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
2 Was ist Vakuum? Vakuum: Luftdruck geringer als Normaldruck Druck p < 1,01 bar = 101 kpa = 760 Torr FSU Jena, W. Richter 2
3 Was ist Druck? Druck wirkt allseitig Blaise Pascal FSU Jena, W. Richter 3
4 Vakuum - Druckbereiche Gasdichte (Moleküle/m 3 ) Mittlere freie Weglänge (m) Ultrahochvakuum Grobvakuum Feinvakuum Hochvakuum Normaldruck Druck (Pa) Weltraum FSU Jena, W. Richter 4
5 Ist Vakuum mehr als Nichts? Ja, denn im Vakuum sind immer (Rest)-Gasmoleküle vorhanden FSU Jena, W. Richter 5
6 Vakuum - Mehr als Nichts? Vakuum Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
7 Wie entsteht Luftdruck? Durch Gravitation (Erdanziehung) Gas Erde = Gravitation T > 0 K FSU Jena, W. Richter 7
8 Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Normaldruck p 0 = 1,01 bar = 101 kpa Luftdruck p (bar) P 0 /2 P 0 /4 Mount Everest 8848 m Barometrische Höhenformel p = p 0 e - ρ 0 gh p 0 p 0 = 1, Pa ρ 0 = 1,293 kg m -3 5,5 km 11 km g = 9,81 ms -2 Höhe h über dem Erdboden (km) FSU Jena, W. Richter 8
9 Zusammensetzung der Atmosphäre Trockene Luft John Dalton Daltonsches Gesetz Der Gesamtdruck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Partialdrücke Gas Vol.-Anteil Stickstoff (N 2 ) 78,1 % Sauerstoff (O 2 ) 20,9 % Argon (Ar) 0,9 % Kohlendioxid (CO 2 ) 0,03 % Wasserstoff (H 2 ) 0,01 % Neon (Ne) 0,001 % Helium (He) 0,0004 % FSU Jena, W. Richter 9
10 Experiment zum Daltonschen Gesetz Reagenzglas Luft + Luft Äther Luft Äther FSU Jena, W. Richter 10
11 Versuch von Torricelli Vakuumerzeugung mit einem Quecksilber-Barometer Vakuum Hg h Evangelista Torricelli h = 760 mm p = 760 Torr FSU Jena, W. Richter 11
12 Vakuumerzeugung mit Kolben Kraft am Kolben: F = p A Vakuum F p A p = 100 kpa A = 5,7 cm 2 F = 57 N M = F/g = 5.8 kg FSU Jena, W. Richter 12
13 Versuch von Otto von Guericke Wasserpumpe zur Vakuumerzeugung Otto von Guericke Magdeburger Halbkugeln 55 cm FSU Jena, W. Richter 13
14 Magdeburger Halbkugelversuch 2 Gespanne mit jeweils 8 Pferden FSU Jena, W. Richter 14
15 Halbkugel-Experiment F F 50 kg Druckkraft der Luft: F = p A = 1403 N p = 101 kpa; A = 139 cm 2 ( 13,3 cm) Gewichtskraft: G = m g 490 N m = 50 kg; g = 9,81 m/s 2 G FSU Jena, W. Richter 15
16 Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks Dampfdruck von von Wasser 1013 mbar = 101,3 kpa Dampfdruck (mbar) 23,3 mbar H 2 O 6,1mbar Temperatur ( C) FSU Jena, W. Richter 16
17 Wann siedet eine Flüssigkeit? Wenn der Dampfdruck gleich dem äußeren (Luft)-Druck ist. Der Dampfdruck p(t) steigt mit der Temperatur T p Luft p(t) p Luft p Luft = = F N A m 2 Luftmasse von kg/m 2 bzw. 1 kg/cm FSU Jena, W. Richter 17
18 Gewicht der Luft Luft Vakuum V = 0,9 Liter Dichte ρ = 1,29 g/liter Luftvolumen V = 0,9 Liter ( =12cm) Luftmasse m = ρ V = 1,17 g Luftgewicht G = m g = 11,5 mn FSU Jena, W. Richter 18
19 Gibt es Auftrieb im Vakuum? Vakuum Waage in Luft Schaumstoff Schaumstoff Nein, denn Auftrieb ist gleich dem Gewicht des verdrängten Gases FSU Jena, W. Richter 19
20 Breitet sich Schall im Vakuum aus? Klingel im in Vakuum Luft Vakuum Luft Nein, denn Schallwellen sind Dichtewellen der Luft Pumpe FSU Jena, W. Richter 20
21 Vakuum - Mehr als Nichts? Was ist Vakuum? Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
22 Membranpumpe Prinzip: Periodische Volumenvergrößerung ( Ansaugen) und Verminderung ( Ausstoßen) eines Gasraumes mit einer Membrane Erreichbarer Enddruck: 6 mbar (zweistufig) Ausstoßen Ansaugen Membrane FSU Jena, W. Richter 22
23 Drehschieberpumpe Prinzip: Periodische Volumenvergrößerung ( Ansaugen) und Verminderung ( Ausstoßen) durch exzentrisch laufenden Schieber Erreichbarer Enddruck: 10-4 mbar (zweistufig) FSU Jena, W. Richter 23
24 Turbomolekularpumpe Prinzip: Schnell rotierende Schaufeln (ca U/min) transportieren Gasmoleküle von der Hochvakuumseite zur Grobvakuumseite Thermische Geschwindigkeit der Gasmoleküle v 1 km/s Erreichbarer Enddruck: 10-8 mbar FSU Jena, W. Richter 24
25 Vakuum - Mehr als Nichts? Was ist Vakuum? Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
26 Membranmanometer Prinzip: Durchbiegung einer Membran durch den äußeren Luftdruck p Messbereich: 0, bar F = p A FSU Jena, W. Richter 26
27 U-Rohr-Manometer Messbereich: mbar P 0 0 mbar h(p) Schweredruck p der Flüssigkeit p = ρ g h ρ = 13,6 g/cm 3 Dichte von Hg g = 9,81 m/s 2 Fallbeschleunigung h Steighöhe p 1.Beispiel: h = 1 mm Hg p = 1 Torr = 1,33 mbar 2.Beispiel: h = 750 mm Hg p = 750 Torr = 1bar FSU Jena, W. Richter 27
28 Wärmeleitungs-Manometer Prinzip: Temperatur eines elektrisch geheizten Drahtes wird gemessen. Kühlung des Drahtes vermindert sich mit abnehmendem Druck. Messbereich: mbar El. Strom Vakuum T(p) > T Umgebung Platin-Draht FSU Jena, W. Richter 28
29 Vakuum - Mehr als Nichts? Was ist Vakuum? Luftdruck Vakuumpumpen Druckmessung Anwendungen
30 Anwendungen des Vakuums Gefriertrocknung Kaffee, Tee, Gemüse, Blutplasma Thermische Isolierung Thermosgefäße für Speisen, Organe Vakuumbeschichtung (Dampfen, Sputtern) Brillengläser, Fensterglas, Halbleiter Vakuumröhren Bildröhre, Röntgenröhre, Lampen FSU Jena, W. Richter 30
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