真空的發(fā)現(xiàn)和理論基礎(chǔ)

　　17世紀(jì)初，意大利的挖井工人有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性常識(shí)———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(duì)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。

　　1622年英國(guó)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(dòng)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(dòng)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�活中身體內(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(huì)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(guó)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(guó)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(shí)，以至于多次和人類的重大產(chǎn)業(yè)革命失之交臂。