「真空」聽起來彷彿深不可測，然而在人類的日常生活、各式工業領域乃至科學研究中，它卻是再常見不過的一門技術。無論是吸塵器與真空袋在家用環境中的應用，或是高科技產業在半導體製程與表面鍍膜時的關鍵技術，真空早已滲透在周遭，成為我們得以享受現代生活的重要推手。
從歷史實驗的「馬德堡半球」到真空幫浦、真空乾燥、真空鍍膜等多種工業應用，科學家為真空技術奠定了理論與實踐基礎，如何理解「真空」及其特性，將有助於我們更好地掌握各領域的運作。本篇文章將完整剖析真空的定義、分類、產生方法及應用場景，並針對常見問題加以解答。
一、真空的定義
理想真空與真空態
傳統上，真空（Vacuum）被想像成「完全沒有任何物質存在的空間」。不過在現實世界中，真正的「絕對真空」（Absolute Vacuum）幾乎不可能實際達成。此種空間概念在物理學家看來，更傾向以「在某一空間內，壓力遠低於一般大氣壓的真空狀態」作為真空的可操作定義。也就是說，當系統壓力低於大氣壓力，就可稱之為「局部真空」或「真空狀態」，多在封閉空間內產生。
例如，標準大氣壓力約為 101,325 Pa（約 760 Torr）。若將系統壓力抽到大約 10⁻³ Torr 以下，這時候就可以說是「高真空」範疇。至於化工或物理研究中常見的超高真空，通常壓力可低到 10⁻⁹ Torr（甚至更低）。
絕對壓力與相對壓力
在探討真空時，必須理解「絕對壓力」（Absolute Pressure）與「相對壓力」（Gauge Pressure）的差異。
- 絕對壓力：以理想的「完全真空」為 0 之基準點量測。例如海平面大氣壓約為 101,325 Pa 的絕對壓力。大氣壓力會因海拔高度不同而改變，在海拔越高的地方，氣壓也越低。
- 相對壓力（錶壓）：相對於當地大氣壓的差值。假設當地大氣壓為 1 atm（約 101,325 Pa 絕對壓力），若某容器內壓力低於該大氣壓 20 kPa，錶壓即為 -20 kPa。
在工業真空量測中，常使用真空表或「相對壓力錶」顯示負值（例如 -80 kPa），表示比大氣壓力再少 80 kPa。若要知道絕對壓力，則必須把該負值加回當地氣壓。同時，許多測量參數（如壓力、溫度、流量）都會影響系統設計，並且需要高精度的感測器才能獲得準確的測量結果。
真空度
「真空度」常用來衡量在局部真空狀態下，系統的壓力有多低，可用 Torr、Pa、mbar 等單位表示。當「真空度」越高，代表壓力越接近理想真空。
在實務中，有時會見到「真空度 = 大氣壓力 – 絕對壓力」的說法，這是相對壓力的概念；然而更普遍的作法則是直接使用絕對壓力（例如 10⁻³ Torr、1×10⁻⁹ Torr 等）來明確標示。
二、真空的歷史與發展
遠古概念與哲學爭議
自古希臘開始，哲學家們就對「虛無的空間」有許多爭論，主要圍繞在「自然界是否容許不存在任何物質的空域」。此種爭論甚至延續到文藝復興與早期現代科學時期，包括伽利略與牛頓在內的多位學者皆曾參與討論。
中國西漢的《淮南萬畢術》中也有關於壓力與局部真空的現象描述，如「銅甕雷鳴」，即藉由沸水遇冷後產生局部真空，引發大氣將銅甕壓破的爆裂聲。
十七世紀的經典實驗
托里拆利（Evangelista Torricelli，1643 年）：用長玻璃管裝滿水銀液柱，再倒置在盛水銀的容器中，觀察到玻璃管頂部形成人工真空，並以汞柱長度作為測量依據，測得汞柱高度作為大氣壓力的指標，並首次提出「大氣壓力」理論，是為著名的「托里拆利實驗」。
馬德堡半球實驗（1654 年）：德國馬德堡市長奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）把兩個半球抽到真空後，發現要用兩隊馬也拉不開球體，驚艷當時社會，並顯示出大氣壓力的巨大力量，且會從各個方向均勻施力。
工業化與近代應用
進入二十世紀，電燈泡及真空管廣泛投入生產，真空技術成為工業中的關鍵工具。隨後，真空鍍膜、真空封裝、半導體製程等也迅速發展，從實驗室走向大規模應用。
三、真空的分類及常見壓力範圍
為了更好地理解真空技術通常所指的壓力區間，人們慣於將壓力範圍分成以下幾類。下表匯總了各種真空等級及其數值範圍（參考帕斯卡、Torr、mbar 等），供實務應用時快速查閱。
真空程度對照表
| 真空程度 | Torr | 帕斯卡 (Pa) | 毫巴 (mbar) | 約當大氣壓 (atm) |
|---|---|---|---|---|
| 大氣壓力 | 760 | 1.013 × 10⁵ | 1013.25 | 1 |
| 粗略真空 | 760 ~ 25 | 1 × 10⁵ ~ 3 × 10³ | 1013.25 ~ 33.33 | 1 ~ 0.03 |
| 中度真空 | 25 ~ 1×10⁻³ | 3×10³ ~ 1×10⁻¹ | 33.33 ~ 1.33×10⁻³ | – |
| 高真空 | 1×10⁻³ ~ 1×10⁻⁹ | 1×10⁻¹ ~ 1×10⁻⁷ | 1.33×10⁻³ ~ 1.33×10⁻⁹ | – |
| 超高真空 | 1×10⁻⁹ ~ 1×10⁻¹² | 1×10⁻⁷ ~ 1×10⁻¹⁰ | 1.33×10⁻⁹ ~ 1.33×10⁻¹² | – |
| 外太空近似真空 | ~10⁻⁶ ~ <10⁻¹⁷ | ~10⁻⁴ ~ <10⁻¹⁵ | – | – |
| 絕對真空 | 0 | 0 | 0 | 0 |
備註：表格中不同來源對「外太空」或「超高真空」等級可能有微調，整體數字可作參考，但在特定研究中需依標準實驗室定義做最終判定。
四、真空的特性與重要性
- 氣體密度大幅下降
在真空狀態下，空間內的氣體分子密度顯著降低；如此一來，氣體媒介帶來的化學反應、導熱或撞擊等效應也明顯削弱。這種性質對抑制氧化、實現高溫下的精煉與除氣等流程尤其重要。 - 隔絕氧化與化學反應
當真空達到一定程度後，氧分壓會相應降低，使許多容易氧化或潮解的物質得以「隔絕氧氣」，延長穩定度；食品、藥品或生物製劑可利用真空保存新鮮度，抑制腐敗，同時也防止其他物質的交叉污染。 - 降低沸點、利於乾燥或蒸餾
壓力下降時，液體沸點會明顯降低。在真空環境下，可於較低溫度就讓液體蒸發，實現低溫真空乾燥或真空蒸餾。這對熱敏感或易揮發成分特別有用，例如即溶咖啡、藥物製劑等。 - 聲音無法傳遞
聲音需要介質才能傳遞。在接近無空氣的真空中，聲波因缺乏足夠的分子碰撞而無法傳播。這個特性常被用於真空隔音設備或科學實驗中（但在真空隔音應用上還要考慮固體傳音路徑）。 - 降低熱傳導
由於真空中分子密度很低，熱傳導會受到抑制。因此高真空能成為優良的隔熱環境。例如保溫瓶的真空夾層，便是利用此原理減少熱能流失。
五、真空的產生方式
真空幫浦（Vacuum Pump）（亦稱真空泵）
- 機械式旋片幫浦（油封式）：最常見的真空幫浦之一，透過旋轉葉片改變工作室容積，將氣體排出以達到低壓；真空度可達約 10⁻³ Torr 級，抽氣能力相對穩定。
- 隔膜式或無油式幫浦：利用彈性隔膜往復運動抽氣，優點是不需潤滑油，不會產生油氣汙染，常用於實驗室。
- 爪式、螺桿式真空幫浦：常見於化工領域，可達較好的真空度；耐受性、乾式操作是其亮點。
- 渦輪分子幫浦：可達 10⁻⁸ Torr 甚至更低，用於半導體製程、高能物理研究、電子顯微鏡等領域。
- 擴散泵、攪拌幫浦：在超高真空（UHV）應用中發揮關鍵作用。
複合式泵組
- 為了達成更高或更穩定的真空狀態，往往需將不同類型的幫浦組合（如「前級泵 + 增壓鼓風機 + 分子幫浦」）形成多級抽氣系統。如此能兼顧抽速與最終壓力。
六、真空技術的常見應用
食品與藥品包裝
- 真空封裝：透過真空狀態來抑制氧化及微生物生長，如真空保存食材或藥品，有效延長保鮮或保存期限。
- 冷凍真空乾燥：能在低溫下去除水分，不破壞產品活性成分和風味，例如即溶咖啡、果乾、疫苗注射劑等。
電子與半導體產業
- 真空鍍膜（PVD、CVD）：利用蒸發或濺鍍技術在真空腔中使材料沉積於基板表面，製作出光學薄膜、導電膜等。
- 晶圓製程：矽晶圓蝕刻、離子佈植、真空烘箱等都需要在一定真空條件下完成，確保純淨環境並減少污染。在先進的半導體工廠中，更需要高真空度以維持製程品質。
汽車與機械領域
- 真空鑄造：減少氣孔產生，提高金屬件品質，使物體更具機械強度。
- 汽車引擎的真空輔助：製動系統（煞車系統真空助力）等處處可見真空幫浦的影子。
化工與製藥工程
- 真空濃縮與真空蒸餾：可在相對較低溫完成分離過程，適合熱敏感原料。
- 回收氣體：透過真空將混合廢氣或冷媒抽出分離回收，符合環保需求。
研究與實驗室應用
- 粒子加速器、核能研究：必須維持超高真空以減少粒子與空氣碰撞，提升精度。
- 各式實驗設備：如量測極低壓變化的量熱儀器或電漿實驗時，皆需要高品質真空。
家用與日常生活
- 真空吸盤與運送：雞蛋、玻璃、薄片材料等易碎物品，均可靠真空吸附做穩定搬運。
- 保溫設備：保溫瓶、真空杯等透過真空隔絕熱傳，提升保溫與保冷效能。
七、真空技術的產業價值與趨勢
伴隨精密製造技術的發展，各產業對真空度與潔淨度的要求不斷攀升。例如，半導體業的先進製程從 10 nm 以下乃至 3 nm、2 nm，甚至探討更微細的等級，皆依賴真空環境抑制雜質影響。同時，新能源（氫能、電池）與光電產業也需要在真空下處理核心材料，以確保品質。
此外，在食品、醫療、生技等領域，真空凍乾、真空包裝、真空蒸餾等應用因符合健康與高附加價值的需求，正持續擴張。隨著設備成本與技術門檻下降，預計真空技術將更廣泛地走進生活與商業領域。
常見問題（Q&A）
以下整理真空技術中常見的一些問題，供讀者快速參考：
真空度常用單位有哪些？如何轉換？
- 真空度可用 Torr(托爾)、Pa（帕）、mbar、kPa、psi、atm、kgf/cm² 等不同壓力單位。基本換算示例：
- 1 atm = 760 Torr = 101,325 Pa ≈ 1,013 mbar ≈ 1 mmHg（1 毫米水銀柱）
- 1 Torr ≈ 133.322 Pa
- 1 mbar = 100 Pa
- 常見的作法是先統一至 Pa 或 Torr，再做互換；也可以直接使用標準表格或線上工具轉換。
為什麼真空幫浦上有時不裝絕對壓力表，而只裝相對壓力錶？
- 多數工業流程關注「相對於大氣壓的壓力差」，於是直接用相對壓力（負壓）錶即可判讀。例如顯示 -80 kPa 就可知道比大氣壓低 80 kPa。
- 若需精密控制或要追蹤絕對壓力，才會使用絕對壓力錶。
如何知道真空幫浦是否達到規格所稱的極限真空？
- 一般會用符合測量範圍的真空計（例如皮拉尼錶、熱電偶錶、麥克勞流體壓力計或電離規）測得實際壓力，再與規範比對。
- 還會考量系統漏氣、溫度、泵浦抽速等影響因素。
真空乾燥與冷凍真空乾燥有何差異？
- 真空乾燥：在真空狀態下，利用氣壓降低加速水分蒸發，通常在常溫或稍高溫度。
- 冷凍真空乾燥：先將物料冷凍後，在低溫真空中升華去水，能保留更多物質結構與成分，應用在生物製劑、咖啡、藥品等。
真空是否真的「無聲」？
在理想高真空中，因缺乏足夠氣體分子傳遞聲波，所以空間內的聲音可以忽略。然而若裝置本身結構能振動，透過固體傳音，仍可能從外部聽到一些機械噪音。所以「無聲」多指空間本身的空氣稀薄度使聲波難以傳播。
真空能完全阻斷熱傳嗎？
真空可大幅減弱「熱傳導」與「對流」，但輻射傳熱仍然存在。因此若要進一步阻絕熱輻射，需要在真空層內加鍍膜等方式，降低輻射影響。
真空能否長時間保持？是否會漏氣？
所有容器都有微漏（材料滲透、接縫）與內部脫附等現象，故長時間必須搭配抽氣裝置持續維持。除非容器極度密封、且對漏氣要求不高。
總結
真空技術在理論與應用間具備廣泛而深刻的影響力。從歷史上的托里拆利管與馬德堡半球實驗，讓我們見識到大氣壓力之強大；到現今無數產業都依賴真空幫浦、真空乾燥、真空鍍膜或冷凍真空等技術完成生產流程，真空依然扮演不可或缺的角色。
真空之所以重要，在於其能顯著改變氣氛條件，抑制氧化或化學反應、降低溫度需求、提升潔淨度與濃縮效率；加上現代人對食品鮮度、科技精度以及環保節能要求的日益提高，真空技術更顯前景。
無論是在日常生活的保溫杯、吸塵器，或先進研究的粒子加速器、半導體光罩蝕刻，對真空有充分理解，皆能帶來更有效率的應用成果。同時，我們也必須持續研發新的真空產生方式、檢測手段與密封技術，滿足未來對更高真空度、更潔淨環境的需求。
