XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление самодельного вакуумного насоса, эксперименты в домашнем хозяйстве.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наше время вакуум широко применяется не только в промышленности, но и в быту, в жизни человека. Почти все используют обычный насос для подкачки колес автомобиля или другого транспорта, но вакуумный насос пока не так часто эксплуатируется, многие считают его особенным и применимым только в промышленных масштабах. Так как для использования в быту устройство является дорогостоящим, то многие хотят сделать самодельный вакуумный насос. Я предположила, что смогу изготовить экспериментальный вакуумный насос для использования его в домашних условиях.
Вакуум, используемый в промышленности, является идеальной средой, в которой можно осуществить электрохимические и электрофизические процессы для изготовления изделий, используемых в различных отраслях.
Вакуум применяют в медицине: при диагностике заболеваний и их лечении используют аппараты с вакуумным оборудованием.
В быту широко используют различные вакуумные упаковки, в которые убирают продукты питания и одежду, детские игрушки. Но, в основном, вакуум используют для хранения пищевых продуктов.
Вакуумная техника постоянно развивается, и от дальнейшего ее развития во многом зависят успех изучения новых явлений, разработка новых приборов, создание материалов с новыми свойствами.
Обзор статей по данной тематике не дал ответы на все мои вопросы, поэтому цель работы: экспериментальное исследование вакуума в домашних условиях методом создания вакуумного насоса.
Предмет исследования: применение вакуума в нашей жизни
Задачи, решаемые в работе:
- создание экспериментального вакуумного насоса и вакуумной камеры;
- использование вакуума в домашних условиях.
Основная часть
Глава 1. Как люди исследовали вакуум?
Идея вакуума было предметом споров еще во времена древнегреческих и древнеримских философов. Демокрит, Эпикур и их последователи предполагали, что атомы не могли бы двигаться, если бы между ними не было пустого пространства. Позднее многие философы предполагали, что пустота может быть "простой" и "рассеянной".
Ва́куум (от лат. vacuus — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного. Считается, что первые вакуумные приборы были созданы греческими учеными из Александрии Ктесибием и Героном (1 век до н. э.). Достаточно продолжительное количество времени их приборы оставались просто игрушками. И лишь в конце девятнадцатого - начале двадцатого века начался ряд открытий, связанных с вакуумом.[1]
Изобретение насоса относится к глубокой древности. Первый насос для тушения пожаров, который изобрёл древнегреческий механик Ктесибий, был описан в 1 в. до н. э. древнегреческим учёным Героном из Александрии в сочинении «Pneumatica», а затем М. Витрувием в труде «De Architectura». Простые деревянные насосы с проходным поршнем с целью роста уровня воды из колодцев, возможно, использовались еще ранее. Вплоть до начала 18 века поршневые насосы по сравнению с водоподъемными машинами применялись крайне редко. В последующем в связи с увеличением потребностей в воде и необходимостью увеличения высоты ее подачи, в особенности уже после возникновения паровой машины. Требования к насосам и условия использования становились наиболее различными, поэтому наряду с поршневыми стали создавать вращательные, а также различные устройства для напорной подачи жидкостей. Исторически сложились три тенденции их последующего формирования: создание поршневых, вращательных и гидравлических приборов без движущихся рабочих органов. [2]
В акуумная техника впервые появилась в XVII веке, когда итальянскому математику и физику Эванджелиста Торричелли удалось измерить давление, создаваемое атмосферой Земли. Опыт был проведен в 1644 году и заключался в следующем: Торричелли заполнял стеклянную трубку длиной около 1 м ртутью. Открытый конец был запечатан с помощью пальца. Потом трубку поднимали в вертикальную позицию, а конец, обращенный книзу, герметизировали пальцем. Этот конец погружался в ртутный сосуд, так, чтобы ртуть внутри трубки была в беспрепятственном контакте с резервуаром. Столбец ртути в трубке опустился вплоть до высоты 76 см, измеренной от поверхности жидкости резервуара. На рисунке представлен план торричеллианского агрегата. [3]
Эксперимент показал, что пространство, остающееся над ртутью после переворачивания трубки вверх дном, было фактически вакуумом: уровень ртути не зависел от объема снизу.
Этот эксперимент был первой успешной попыткой создать вакуум и впоследствии убедил в его существовании научное сообщество. Более ранняя попытка Берти, при которой использовалась вода, была менее успешной.
Через семь лет другой известный физик Отто фон Герике изобрёл первый в мире насос поршневого типа с водяным уплотнителем.
Однако массовое производство вакуумных насосов началось во второй половине XIX века, когда зарождающаяся электроламповая промышленность начала остро нуждаться в подобном оборудовании. Начиная с 1870 годов были изобретены десятки конструкций насосного оборудования, в том числе использующие такие принципы, как ионизационный, компрессорный, молекулярный и т. д.
Глава 2. Общая характеристика вакуума.
2.1. Как измеряется величина вакуума?
Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d <<1), средний (λ/d ~ 1) и высокий (λ/d>> 1) вакуум.
Из-за малого количество молекул, их внутренняя энергия или импульсы стремятся к нулю. Поэтому считается, что в вакууме практически отсутствуют различные процессы, такие как электрический ток, трение и прочее.
В физике ва́куум – это пространство с газом, давление которого ниже атмосферного давления. Другими словами, это разряжение упругой среды.
Качество вакуума или его глубина измеряется остаточным давлением. А точнее, отношением длины свободного пробега частицы к линейным размерам емкости, в которой он создан. С увеличением степени разряжения уменьшается число столкновений молекул в пространстве. Протяженность свободного пробега частиц возрастает и зависит только лишь от объемов резервуара, со стенами которого они сталкиваются. Таким образом, вакуумом возможно охарактеризовать состояние, если частички газа, пребывая в конкретном объеме, никак не соприкасаются друг с другом.
Основная единица измерения вакуумного давления – Па. Но паскаль достаточно большая величина для измерения разряжения, поэтому в физике часто используются другие величины, такие как бар, мм.рт.ст., торр, физическая атмосфера.
Таблица соотношения единиц измерения вакуума в физике
|
Единицы измерения |
Па (Н/м2) |
мм.рт.ст. (торр) |
бар |
атм. (физ.) |
кгс/см2 |
|
Па (Н/м2) |
1 |
0,0075 |
10-5 |
9,869х10-6 |
1,02х10-5 |
|
мм.рт.ст. (торр) |
133,322 |
1 |
0,0013 |
0,0013 |
1,36 х10-3 |
|
бар |
100000 |
750,064 |
1 |
0,9869 |
1,0197 |
|
атм. (физ.) |
101325 |
760 |
1,01325 |
1 |
1,0332 |
|
кгс/см2 |
98066,5 |
735,5613 |
0,9807 |
0,9678 |
1 |
Для измерения вакуума в технике созданы специальные приборы – вакуумметры. В отличие от манометров, вакуумные приборы дают возможность измерять давление ниже 1 атмосферы. Это условное обозначение, за нулевую отметку принято атмосферное давление, а ниже — разряжение, то есть вакуум. На самом деле давление вакуума находится в пределах 0-1 атмосфера. [4]
Н а нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера). Оно меняется в зависимости от погоды, высоты над уровнем моря.
2.2. Методы создания вакуума.
Создается вакуум специальным оборудованием – вакуумными насосами.
Существует два метода создания пространства, свободного от вещества:
1.Методом откачивания газовой среды.
2. Методом связывания газа
Методом откачки разряжение создается механическими вакуумными насосами. Они бывают объемными и молекулярными. Молекулярные насосы откачивают голубое топливо постоянно, также функционируют согласно принципу увеличения числа молекул непрерывным потоком воды, струи пара или газа. Объемные типы вакуумных насосов откачивают среду отдельными порциями и непрерывно. Для удаления порции газа необходимо изолировать в рабочей камере насоса определенный объем газа, переместить его от входного патрубка насоса к выходному, сжать в процессе перемещения до давления, большего, чем давление в выходном сечении насоса, и вытолкнуть газ за пределы насоса. Объемными вакуумными насосами считаются только лишь механические насосы, т.е. такие насосы, откачивающая деятельность которых базируется в передвижении газа по причине механического перемещения рабочих элементов насоса. [5]
В торой метод используют сорбционные вакуумные насосы. Газ связывается, сорбируется либо конденсирует в особом веществе и вводится совместно с ним из конкретной емкости. [6]
2.3 Типы вакуума.
Существует классификация разряжения в зависимости от определения понятия «ва́куум» и от степени разряжения.
По определению различается три основных вида вакуума:
Технический вакуум – это газовое пространство с низким давлением. Иными словами, воздушная среда, которая обладает давлением ниже атмосферного, считается техническим вакуумом.
Физический вакуум – понятие квантовой физики, это пространство с энергией, которая близится к нулевому значению. Но такое случается не только в пустом объеме, но и в твердых телах, и в ядре атома.
Космический вакуум является вариантом физического вакуума. Это пространство, заполненное частицами и полями с очень низкой плотностью и давлением. Значение космического вакуума около 10-15 Па и ниже.
Постепениразряжениясуществуют такие типы вакуума: низкий, средний, высокий, сверхвысокий. Для каждого из них существуют пределы давления в разных единицах.
|
Глубина вакуума |
Па |
мбар |
мм.рт.ст |
|
Низкий |
105 – 100 |
1013,25х105 — 1 |
760 – 25 |
|
Средний |
100-0,1 |
1 – 10-3 |
25 – 10-3 |
|
Высокий |
0,1-10-6 |
10-3 – 10-7 |
10-3 – 10-9 |
|
Сверхвысокий |
10-6 и ниже |
10-7 и ниже |
10-9 |
Схема «Уровни вакуума, их характеристика» приведена в Приложении 1.
По устройству вакуумные насосы делятся на поршневые, пластинчато-роторные (пластинчатые), вращательные (ротационные), насосы Рутса, жидкостно-кольцевые (водокольцевые), мембранные, винтовые, спиральные, диафрагменные, золотниковые, струйные, сорбционные, магнитноразрядные, криогенные. [7]
2.4. Принципы работы вакуумного насоса
Принцип действия вакуумных насосов основывается на периодическом изменении объёма рабочей камеры, за счёт чего понижается давление воздуха, воды, масла или других сред. Пребывающие в газообразном или жидком состоянии молекулы направляются в области пониженного давления, за счёт чего производится откачка рабочего вещества. [8]
Принципиальная система работы вакуумного насоса представлена на схеме:
В наши дни преимущественно используются водокольцевые, пластинчато-роторные, винтовые и мембранно-поршневые насосы. В первых образование области низкого давления происходит за счёт погружения в жидкую среду, в качестве которой чаще всего используется вода вращающегося ротора. Пластинчато-роторные системы работают по принципу попеременного замещения внутреннего объёма рабочих камер. Из-за относительно низкой производительности этот тип вакуумных насосов эксплуатируется в небольших замкнутых системах.
В оборудовании с винтовой конструкцией [9] создаются области пониженного давления за счёт вращения специального вала, который по принципу шнека транспортирует вещество к выходному отверстию. В мембранно-поршневых агрегатах производится сдавливание газообразной среды при помощи специальной мембраны. После того как газ под давлением отводится через специальный клапан, в отсеке образуется вакуум.
Вакуумные насосы применяются в наиболее различных сферах работы людей, из числа которых: радиоэлектронная и полупроводниковая промышленность, сельское хозяйство, медицина и фармацевтика, производство и упаковка продуктов питания, нефтегазовая промышленность, металлургия, производство напитков, автомобильная промышленность.
О дним из ярких примеров применения вакуумных насосов является упаковка продуктов питания. Они используются для откачки воздуха и создания специальной газоразрядной среды внутри герметичных пакетов, которая препятствует распространению микрофлоры, приводящей к быстрой порче продуктов.
В сельском хозяйстве часто применяются системы вакуумной транспортировки зерна, действующие по принципу пневмопочты. В пищевой и перерабатывающей промышленности подобным образом транспортируются отходы производства. [10]
Глава 3. Экспериментальная часть.
3.1. Выбор деталей для вакуумного насоса.
Д ля того чтобы исследовать возможные области применения вакуума в быту, я решила сделать своими руками вакуумный насос и вакуумную камеру. Такие устройства называются вакууматором. Чтобы сделать вакуумный насос своими руками в домашних условиях мне понадобились следующие детали: медицинский шприц “Жане” на 150мл, который я приобрела в ветеринарной аптеке, два воздушных обратных клапана, их можно купить в любом зоомагазине, в отделе для аквариумов, трубка из-под капельницы. Основные детали – на фото.
Для изготовления вакуумной камеры мне понадобились: стеклянная банка с металлической крышкой, которую нашла дома и тройник, который также приобрела в зоомагазине. [11]
3.2. Сборка вакуумного насоса и камеры.
П ервым делом закрепляем клапана на шприце таким образом, чтобы один клапан впускал воздух, а другой выпускал. Для этого проделываем отверстие сбоку в носике шприца. Затем подготавливаем холодную сварку, с помощью которой будем крепить клапаны к шприцу. Для подключения насоса мы будем использовать трубку от капельницы. Подключаем один ее конец к клапану, который будет выкачивать воздух, а другой позже прикрепим к тройнику на крышке вакуумной камеры.
Этапы изготовления самодельного вакуумного насоса представлены на фото;
Перед тем как переходить к тестированию насоса, изготовим экспериментальную вакуумную камеру. Для этого в металлической крышке стеклянной банки проделываем отверстие. После устанавливаем в это отверстие тройник и закрепляем его холодной сваркой. [12]
3.3. Ход экспериментов.
К ак мы уже знаем, все тела состоят из молекул, в том числе и воздух. Допустим, у нас есть сосуд, частицы всегда находятся в движении, сталкиваясь между собой и стенками сосуда. Хотя сила удара отдельной молекулы достаточно мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа. При увеличении числа частиц давление возрастает, так как ударов частиц становится все больше и больше. Это происходит, например, когда вы накачиваете колесо велосипеда. Если же наоборот уменьшать число частиц, откачивая воздух насосом, то интенсивность ударения частиц о стенки и друг о друга будет уменьшаться, по сравнению с тем, что происходит снаружи сосуда, получается где частиц больше с той стороны и идет давление. [13]
3.3.1. Эксперимент 1 «Объем и шарик».
Для эксперимента положим в вакуумную камеру почти сдутый шарик. Принимаем, что давление внутри шарика и давление воздуха в банке равны. С помощью насоса создаем в банке вакуум, частично откачивая воздух. По большей части объем надутого шарика зависит от разности внутреннего и наружного давлений. Другими словами, если изнутри на шарик оказывается большее давление, его стенки начинают растягиваться, и он увеличивается в размерах. Если давление внутри шарика меньше наружного - шарик сжимается. Это происходит до тех пор, пока давления внутри и снаружи шарика не станут равны.
Наблюдаю изменение размеров воздушного шарика, его объем в условиях эксперимента увеличивается. Результаты эксперимента представлены на фото ниже.
3.3.2. Эксперимент 2 «Растущий зефир».
Д ля второго эксперимента я использовала пищевой продукт - зефир. Изначально считаем, что в банке атмосферное давление. При выкачивании воздуха в емкости создается пониженное давление и тот воздух, который находился внутри самого зефира, распирает его изнутри. Во время эксперимента наблюдаю увеличение размера зефира. Результаты эксперимента 2 представлены на фото:
3.3.3. Эксперимент 3 «Дышащая» пена.
Для этого эксперимента я использовала пену для бритья. С помощью своего вакуумного насоса, порционно откачивая воздух, создаем вакуум. Знаю, что любая пена практически полностью состоит из пузырьков, заключенных в оболочку какого-то вещества. Газ внутри пузырьков изменяет свой объем в зависимости от разности внешнего и внутреннего давлений, из-за чего пена для бритья увеличивается в объеме почти в два раза. Результаты эксперимента 3 представлены на фотографиях:
3.3.4. Эксперимент 4 «Вечно свежий огурец».
Д ля четвертого эксперимента я использовала пищевой продукт – нарезанный огурец. Я решила проверить, на сколько дольше по времени сохранит свою свежесть огурец, «запечатанный» в вакууме. Для этого нарезку огурца разместила в зип-пакете, и с помощью вакууматора откачала воздух. Образцы овощей в вакуумной упаковке и на тарелке я убрала в холодильник на сутки. По прошествии этого времени я визуально и органолептический сравнила качество образцов.
О гурец без вакуумной упаковки заветрелся, побледнел и практически потерял вкус, а огурец в вакуумной упаковке не поменял цвета, сохранил вкус, остался таким же свежим как в начале эксперимента.
На фото ниже представлены снимки ломтиков огурца через сутки в вакуумной упаковке и без нее:
3.3.5. Эксперимент 5 «Компактный мишка».
Для пятого эксперимента в зип-пакет я положила мягкую игрушку – медведя. При помощи своего вакуумного насоса выкачала из пакета воздух, тем самым медведь сжался и стал занимать меньшее пространство. Результаты эксперимента представлены на фото ниже:
Выводы. Заключение.
Успешно и без значительных материальных затрат, прошел эксперимент по созданию вакуумного насоса в домашних условиях. Результаты экспериментов с самодельным вакууматором подтвердили эффективность использования вакуумного насоса в домашних условиях для решения различных хозяйственно-бытовых задач.
Опираясь на выполненные в домашних условиях эксперименты, которые я провела в проектно-исследовательской работе, можно сделать следующие выводы:
Возможно создание вакуумного насоса в домашних условиях человеком, не имеющим предварительной подготовки;
При необходимости возможно хранение продуктов в вакуумной упаковке, при этом пищевые продукты не теряют своих вкусовых свойств, увеличивается срок годности в несколько раз.
Вакуумные упаковки помогают уменьшать объем вещей, тем самым экономят пространство.
Раньше вакуумные насосы и установки использовались только в научных лабораториях. Но с каждым годом технологии все больше и больше развиваются, поэтому вакуум стали применять как в деревообработке, металлургии, нефтедобывающей сфере, так и в домашнем хозяйстве, хотя и не являются в быту инструментом первой необходимости, помогают осуществить массу дел, значит, являются хорошим подспорьем в домашнем хозяйстве.
Используя вакуум в домашних условиях, можно решать различные задачи. Так, откачивая воздух из полиэтиленовых пакетов с одеждой, постельным бельем, подушками и другими вещами, можно значительно уменьшить размеры такой упаковки, сэкономив место в шкафу или в гардеробной комнате. Кроме того, находясь в вакуумной упаковке, вещи и белье, изготовленные из различных материалов, надежно защищены от моли и плесени.
Используются бытовые вакуумные насосы для откачки воздуха и при организации хранения продуктов питания. Помещаемые в полиэтиленовые пакеты, из которых откачивается воздух, продукты питания долго не портятся и некоторое время могут храниться даже без заморозки, при комнатной температуре.
Я хочу продолжить изучение вакуума и вакуумных насосов, в дальнейшем усовершенствовать вакуумный насос, который был изготовлен в домашних условиях.
Список используемой литературы:
Схема вакуумного насоса Герона https://zen.yandex.ru/media/gerontologist/kak-vygliadel-pervyi-v-istorii-shpric-5f8c6bb15284e336e5846642
Статья ”История изобретения насоса”, чертеж первого насоса https://www.manproject.ru/2293.htm
Опыт Торричелли http://900igr.net/prezentacija/fizika/atmosfernoe-davlenie-78512/opyt-torrichelli-10.html
Вакуумметры https://www.ampika.ru/Chto_takoe_vacuum.html
Статья «Типы вакуума, методы создания вакуум» https://mvdrb.ru/vakuum-osnovnye-ponyatiya-opredeleniya/
Фото вакуумного насоса http://test.gcrrsar.ru/product
Статья «Получение вакуума» https://vactron.ru/index.php/library/lection/131-poluchenie-vakuuma
Статья «Вакуумные винтовые насосы» https://present5.com/vintovye-nasosy-vypolnili-malyshkina-e-s-razmanova-o/
Схема работы вакуумного насоса https://foodbay.com/wiki/it_is_interesting/2017/09/05/i-eto-ne-predel-12-let-nepreryvnoy-raboty-nasosov-cobra-bc-ot-busch/
Фото вакуумного упаковщика https://krsk.au.ru/13187131-vakuumnyj-upakovschik-sv-2000-dostavka-besplatnaja/
Принцип работы и сборки вакуумного насоса https://youtu.be/BplV2lJ89fg
Схема движения частиц в сосуде https://infourok.ru/prezentaciya-zakon-paskalya-klass-2523330.html
Приложение 1
Схема «Уровни вакуума, их характеристика»