Môi trường chân không là gì? 5 ứng dụng thực tế của chân không

Môi trường chân không là gì? Đây là trạng thái không gian gần như không chứa vật chất, nơi áp suất giảm xuống rất thấp so với khí quyển, khiến các phân tử khí hầu như biến mất. Nhờ đặc tính đặc biệt này, chân không trở thành một phần không thể thiếu cho các ứng dụng thực tế, cùng tìm hiểu chi tiết hơn nhé. 

1. Môi trường chân không là gì?

Khái niệm về môi trường chân không

1.1. Chân không là gì?

• Chân không là môi trường trong đó hầu như không tồn tại vật chất. Về lý tưởng, chân không hoàn hảo sẽ không chứa bất kỳ hạt phân tử nào. 
• Tuy nhiên, trong thực tế, không thể đạt chân không tuyệt đối mà chỉ có thể tạo ra chân không tương đối với mức độ chân không khác nhau. 

1.2. Môi trường chân không là gì?

Môi trường chân không là không gian được loại bỏ phần lớn phân tử khí, khiến áp suất thấp hơn áp suất khí quyển tiêu chuẩn (101,325 Pa ở mực nước biển). 

1.3. Môi trường chân không tiếng Anh là gì?

Trong tiếng Anh, môi trường chân không được gọi là Vacuum Environment.

1.4. Môi trường chân không có ở đâu?

Môi trường chân không được xuất hiện ở: 

• Ngoài không gian vũ trụ (khoảng gần chân không tuyệt đối).
• Các buồng chân không nhân tạo trong các phòng thí nghiệm hoặc nhà máy sản xuất.
• Bên trong bao bì hút chân không bảo quản thực phẩm.
• Các thiết bị công nghiệp và dụng cụ y tế chuyên dụng.

2. Áp suất trong môi trường chân không

Áp suất trong môi trường chân không

Áp suất trong môi trường chân không được đo bằng đơn vị Pascal (Pa) hoặc Torr. Phân loại áp suất thường gặp:

• Chân không thấp (Low Vacuum): P>100 Pa
• Chân không trung bình (Medium Vacuum): 100 Pa>P>0.1Pa
• Chân không cao (High Vacuum): 0.1 Pa>P> 10−5Pa
• Chân không siêu cao (Ultra-High Vacuum): P<10−5Pa

Mức áp suất trong càng thấp, môi trường càng gần với chân không hoàn hảo.

3. Các loại môi trường chân không

Phân loại môi trường chân không

Môi trường chân không có thể phân loại theo mức độ áp suất, mục đích sử dụng và nguồn gốc hình thành môi trường cụ thể như: 

3.1. Phân loại theo mức độ áp suất

• Chân không thấp: P>100 Pa, được dùng trong bao bì hút chân không, bóng đèn.
• Chân không trung bình: mức áp suất nằm giữa 0 Pa và 100 Pa, ứng dụng trong sấy thăng hoa, xử lý nhiệt.
• Chân không cao: 0.1 Pa>P>10−5Pa, dùng trong sản xuất vi mạch, kính hiển vi điện tử.
• Chân không siêu cao: P<10−5Pa, nghiên cứu vật lý, thí nghiệm trong môi trường cực sạch.

3.2. Phân loại chân không theo mục đích sử dụng

• Chân không kỹ thuật: Được tạo ra bằng máy bơm chân không, dùng trong công nghiệp đóng gói, sản xuất vật liệu.
• Chân không khoa học: Yêu cầu độ sạch và ổn định cao, áp dụng trong phòng thí nghiệm, kính hiển vi điện tử, buồng lắng đọng màng mỏng.
• Chân không y tế: Sử dụng trong phòng mổ, hệ thống hút dịch, bảo quản mẫu sinh học.

3.3. Phân loại chân không theo nguồn gốc hình thành

• Chân không nhân tạo: Được tạo bằng thiết bị bơm hút chân không và buồng kín.
• Chân không tự nhiên: Xuất hiện ngoài vũ trụ, trong tầng khí quyển cao hoặc khoảng không giữa các thiên thể.

4. Ứng dụng của môi trường chân không

4.1. Trong đời sống hàng ngày

Ứng dụng chân không trong đời sống hằng ngày

• Bảo quản thực phẩm: Hút chân không giúp loại bỏ oxy và hơi ẩm trong bao bì, ngăn vi sinh vật hiếu khí phát triển, làm chậm quá trình oxy hóa, kéo dài thời hạn sử dụng thực phẩm.
• Cách nhiệt: Bình giữ nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý lớp chân không ngăn truyền nhiệt bằng đối lưu và dẫn nhiệt, giữ nóng hoặc lạnh lâu hơn.
• Thiết bị chiếu sáng: Bóng đèn sợi đốt được chế tạo trong môi trường chân không hoặc khí trơ để sợi tungsten không bị oxy hóa, nâng cao tuổi thọ bóng.

4.2. Trong sản xuất công nghiệp

Ứng dụng chân không trong sản xuất công nghiệp

• Ngành điện tử và bán dẫn: Quy trình lắng đọng màng mỏng đều buồng chân không để kiểm soát độ sạch và tránh nhiễm tạp chất, phục vụ sản xuất vi mạch và chip.
• Gia công vật liệu: Lò chân không dùng để nấu chảy và xử lý nhiệt kim loại nhằm loại bỏ khí hòa tan, tăng độ tinh khiết và tính cơ học.
• Sản xuất quang học: Thấu kính, gương phản xạ, lớp phủ chống phản xạ đều được phủ bằng công nghệ bay hơi trong môi trường chân không.
• Bao bì công nghiệp: Đóng gói sản phẩm điện tử, dược phẩm, hóa chất bằng chân không giúp tránh ẩm, oxy và bụi.

4.3. Trong lĩnh vực y tế

Ứng dụng chân không trong lĩnh vực y tế

• Thiết bị hút chân không: Dùng trong phẫu thuật để loại bỏ dịch, máu hoặc khí trong khoang cơ thể.
• Bảo quản y sinh: Mẫu máu, mô sinh học, vaccine và thuốc sinh học thường được lưu giữ trong môi trường chân không hoặc chân không kết hợp đông lạnh.
• Sấy thăng hoa: Công nghệ sấy khô thuốc, vaccine và thực phẩm dinh dưỡng 
• Phòng mổ và hệ thống khí y tế: Một số bệnh viện trang bị hệ thống hút chân không trung tâm để phục vụ gây mê và phẫu thuật.

4.4. Trong nghiên cứu và khoa học vũ trụ

Ứng dụng chân không trong nghiên cứu khoa học

• Gia tốc hạt: Các ống gia tốc yêu cầu chân không siêu cao để chùm hạt không va chạm với phân tử khí, đảm bảo tốc độ gần bằng ánh sáng.
• Kính hiển vi điện tử: Hoạt động trong môi trường chân không để chùm electron không bị tán xạ, cho phép quan sát mẫu ở độ phóng đại rất lớn.
• Mô phỏng không gian: Buồng chân không lớn được dùng để thử nghiệm tàu vũ trụ, vệ tinh, linh kiện hàng không vũ trụ trước khi phóng lên quỹ đạo.

4.5. Ứng dụng chân không trong lĩnh vực năng lượng và môi trường

• Năng lượng hạt nhân và nhiệt hạch: Quá trình tạo và duy trì plasma yêu cầu môi trường chân không để tránh va chạm với không khí.
• Sản xuất pin mặt trời: Các lớp bán dẫn trong tế bào quang điện được chế tạo bằng công nghệ phủ màng mỏng trong buồng chân không.

5. Cách tạo ra môi trường chân không

Hướng dẫn cách tạo môi trường chân không

Môi trường chân không không tự nhiên hình thành trong điều kiện bình thường trên Trái Đất, mà cần được tạo ra bằng thiết bị chuyên dụng. Quá trình này gồm hai yếu tố chính: buồng kín và máy bơm hút chân không.

5.1. Buồng kín

• Được chế tạo bằng vật liệu chịu được áp suất, thường là thép không gỉ hoặc thủy tinh cường lực.
• Các mối nối, gioăng cao su, van đều phải đảm bảo độ kín tuyệt đối để tránh rò rỉ.
• Buồng chân không càng đạt độ kín cao thì mức chân không tạo ra càng sâu.

5.2. Bơm hút chân không

Bơm chân không là thiết bị loại bỏ không khí và hơi ẩm ra khỏi buồng kín. Có nhiều loại, tùy theo mức độ chân không, môi trường và ứng dụng để lựa chọn loại bơm hút chân không phù hợp. 

• Bơm chân không vòng dầu
• Bơm chân không vòng nước
• Bơm chân không khô
• Bơm chân không tăng áp 

5.3. Quy trình tạo chân không

• Buồng kín: Đảm bảo buồng chân không và các mối nối kín tuyệt đối, không rò rỉ khí.
• Bơm sơ cấp: Sử dụng bơm để loại bỏ phần lớn không khí, đưa áp suất xuống mức chân không thấp hoặc trung bình. Với một số ứng dụng không yêu cầu mức độ chân không cao, hoàn thành bơm sơ cấp thì dừng lại
• Bơm thứ cấp: Khi áp suất đạt tới ngưỡng nhất định, muốn độ chân không sâu hơn, chuyển sang bơm tăng áp để hạ áp suất xuống mức chân không cao hoặc siêu cao để đảm bảo yêu cầu.

6. Câu hỏi thường gặp về môi trường chân không

6.1. Máy hút chân không tạo ra môi trường chân không như thế nào?

Máy hút chân không sử dụng máy bơm hút chân không để loại bỏ không khí và hơi ẩm ra khỏi túi hoặc buồng kín, từ đó tạo ra môi trường áp suất thấp hoặc gần chân không.

6.2. Tại sao cần có môi trường chân không trong thực phẩm?

Chân không ngăn chặn oxy tiếp xúc với thực phẩm, hạn chế quá trình oxy hóa, ức chế vi khuẩn hiếu khí, giúp thực phẩm tươi lâu hơn.

6.3. Môi trường chân không có an toàn không?

Chân không nhân tạo được kiểm soát trong thiết bị hoặc bao bì nên hoàn toàn an toàn với con người. Tuy nhiên, môi trường chân không tự nhiên ngoài vũ trụ rất nguy hiểm nếu không có thiết bị bảo hộ.

6.4. Các vấn đề thường gặp trong môi trường chân không

Một số vấn đề thường gặp trong môi trường chân không là rò rỉ khí trong buồng bơm, nhiễm hơi ẩm hoặc tạp chất gây hao mòn thiết bị bơm…

6.5. Nước trong môi trường chân không

Trong chân không, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với 100°C. Đây là nguyên lý quan trọng trong sấy thăng hoa để bảo quản thực phẩm và dược phẩm.

Trên đây là những thông tin chi tiết về môi trường chân không là gì? Với nhiều đặc tính nổi bật, chân không được ứng dụng rộng rãi trong thực tế chúng ta. Hiểu rõ môi trường chân không bạn có thể khai thác tối đa giá trị mà nó mang lại.