Vacío
Definición
El vacío es espacio desprovisto de materia. La palabra proviene del adjetivo latino vacuus para "vacante" o "vacío". Una aproximación a tal vacío es una región con una presión gaseosa mucho menor que la presión atmosférica. Los físicos a menudo discuten resultados ideales de prueba que ocurrirían en un vacío perfecto , que a veces simplemente llaman "vacío" o espacio libre , y usan el término vacío parcial para referirse a un vacío real imperfecto como uno podría tener en un laboratorio o en el espacio. En ingeniería y física aplicada, por otro lado, el vacío se refiere a cualquier espacio en el que la presión sea inferior a la presión atmosférica. El término latino in vacuo se usa para describir un objeto que está rodeado por un vacío.
La calidad de un vacío parcial se refiere a qué tan cerca se aproxima a un vacío perfecto. En igualdad de condiciones, una menor presión de gas significa un vacío de mayor calidad. Por ejemplo, un aspirador típico produce suficiente succión para reducir la presión de aire en aproximadamente un 20%. Se pueden aspirar mucho mejor calidad. Las cámaras de vacío ultra alta, comunes en química, física e ingeniería, operan por debajo de una billonésima (10) de presión atmosférica (100 nPa), y pueden alcanzar alrededor de 100 partículas / cm. El espacio exterior es un vacío de mayor calidad, con el equivalente a unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico en promedio en el espacio intergaláctico. De acuerdo con la comprensión moderna, incluso si toda la materia pudiera eliminarse de un volumen, aún no estaría "vacía" debido a fluctuaciones de vacío, energía oscura, rayos gamma en tránsito, rayos cósmicos, neutrinos, y otros fenómenos en la física cuántica. En el estudio del electromagnetismo en el siglo XIX, se creía que el vacío estaba lleno de un medio llamado éter. En la física de partículas moderna, el estado de vacío se considera el estado fundamental de un campo.
El vacío ha sido un tema frecuente de debate filosófico desde la antigüedad griega, pero no fue estudiado empíricamente hasta el siglo XVII. Evangelista Torricelli produjo el primer vacío de laboratorio en 1643, y otras técnicas experimentales se desarrollaron como resultado de sus teorías sobre la presión atmosférica. Se crea un vacío torricellian al llenar un recipiente de vidrio alto cerrado en un extremo con mercurio, y luego invertirlo en un recipiente para contener el mercurio (ver a continuación).
El vacío se convirtió en una valiosa herramienta industrial en el siglo XX con la introducción de bombillas incandescentes y tubos de vacío, y una amplia gama de tecnología de vacío ha estado disponible desde entonces. El reciente desarrollo del vuelo espacial humano ha despertado el interés en el impacto del vacío en la salud humana y en las formas de vida en general.
Etimología
La palabra vacío proviene del latín, que significa "un espacio vacío, vacío", uso sustantivo de neutro de vacuo , que significa "vacío", relacionado con vacare , que significa "estar vacío".
El vacío es una de las pocas palabras en inglés que contiene dos letras consecutivas ' u' .
Interpretación histórica
Históricamente, ha habido mucha disputa sobre si existe tal cosa como el vacío. Los filósofos griegos antiguos debatieron la existencia de un vacío, o vacío, en el contexto del atomismo, que postulaba el vacío y el átomo como los elementos explicativos fundamentales de la física. Siguiendo a Platón, incluso el concepto abstracto de un vacío sin rasgos enfrentaba un considerable escepticismo: no podía ser aprehendido por los sentidos, no podía, en sí mismo, proporcionar un poder explicativo adicional más allá del volumen físico con el que era acorde y, por definición, era literalmente nada en absoluto, que no puede decirse que existe. Aristóteles creía que no podía haber ningún vacío de forma natural, porque el continuo de material circundante más denso llenaría inmediatamente cualquier rareza incipiente que pudiera dar lugar a un vacío.
En su Física , libro IV, Aristóteles ofreció numerosos argumentos contra el vacío: por ejemplo, ese movimiento a través de un medio que no ofrecía ningún impedimento podría continuar hasta el infinito., no habiendo ninguna razón para que algo se detenga en algún lugar en particular. Aunque Lucrecio abogó por la existencia del vacío en el primer siglo aC y el Héroe de Alejandría intentó sin éxito crear un vacío artificial en el siglo I d. C., fueron eruditos europeos como Roger Bacon, Blasius de Parma y Walter Burley en los siglos XIII y XIV. siglo que centró considerable atención en estos temas. Finalmente, siguiendo a la física estoica en este caso, los eruditos del siglo 14 en adelante se apartaron cada vez más de la perspectiva aristotélica a favor de un vacío sobrenatural más allá de los confines del cosmos mismo, una conclusión ampliamente reconocida en el siglo XVII, que ayudó a segregar lo preocupaciones
Casi dos mil años después de Platón, René Descartes también propuso una teoría alternativa del atomismo basada en la geometría, sin la dicotomía problemática de vacío y átomo. Aunque Descartes estuvo de acuerdo con la posición contemporánea de que el vacío no ocurre en la naturaleza, el éxito de su sistema de coordenadas homónimo y más implícitamente, el componente espacial-corporal de su metafísica llegaría a definir la noción filosófica moderna de espacio vacío como un sistema cuantificado extensión del volumen. Sin embargo, según la antigua definición, la información y la magnitud direccional eran conceptualmente distintas.
En el mundo medieval de Medio Oriente, el físico y erudito islámico, Al-Farabi (Alpharabius, 872-950), realizó un pequeño experimento sobre la existencia del vacío, en el que investigó los émbolos portátiles en el agua. Concluyó que el volumen del aire puede expandirse para llenar el espacio disponible, y sugirió que el concepto de vacío perfecto era incoherente. Sin embargo, según Nader El-Bizri, el físico Ibn al-Haytham (Alhazen, 965-1039) y los teólogos mu'tazili no estaban de acuerdo con Aristóteles y Al-Farabi, y apoyaban la existencia de un vacío. Usando la geometría, Ibn al-Haytham matemáticamente demostró ese lugar ( al-makan)) es el vacío tridimensional imaginado entre las superficies internas de un cuerpo que lo contiene. Según Ahmad Dallal, Abū Rayhān al-Bīrūnī también afirma que "no hay evidencia observable que excluya la posibilidad del vacío". La bomba de succión apareció más tarde en Europa desde el siglo XV.
Los experimentos de pensamiento medievales sobre la idea del vacío consideraban si estaba presente un vacío, aunque solo fuera por un instante, entre dos placas planas cuando se separaban rápidamente. Hubo mucha discusión sobre si el aire se movió lo suficientemente rápido como las placas se separaron, o, como postuló Walter Burley, si un "agente celeste" impidió que surgiera el vacío. La opinión generalizada de que la naturaleza aborrecía el vacío se llama horror vacui. La especulación de que incluso Dios no podría crear un vacío si así lo deseaba fue clausurada por las condenas 1277 París del obispo Etienne Tempier, que requería que no hubiera restricciones en los poderes de Dios, lo que llevó a la conclusión de que Dios podía crear un vacío si así lo deseaba. Jean Buridan informó en el siglo XIV que equipos de diez caballos no podían abrir fuelles cuando el puerto estaba sellado.
El siglo 17 vio los primeros intentos de cuantificar las mediciones de vacío parcial. El mercurybarometer de Evangelista Torricelli de 1643 y los experimentos de Blaise Pascal demostraron un vacío parcial.
En 1654, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío y realizó su famoso experimento de hemisferios de Magdeburgo, mostrando que los equipos de caballos no podían separar dos hemisferios de los que el aire había sido parcialmente evacuado. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y con la ayuda de Robert Hooke desarrolló aún más la tecnología de la bomba de vacío. A partir de entonces, la investigación sobre el vacío parcial transcurrió hasta 1850, cuando August Toepler inventó la Bomba Toepler y Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio en 1855, logrando un vacío parcial de aproximadamente 10 Pa (0.1 Torr). Varias propiedades eléctricas se vuelven observables a este nivel de vacío, lo que renovó el interés en futuras investigaciones.
Mientras que el espacio exterior proporciona el ejemplo más enrarecido de un vacío parcial natural, originalmente se pensó que los cielos estaban llenos a la perfección por un material rígido e indestructible llamado éter. Tomando prestado algo del pneuma de la física estoica, el éter llegó a ser considerado como el aire enrarecido del que tomó su nombre (véase Éter (mitología)). Las primeras teorías de la luz depositaban un medio terrestre y celestial omnipresente a través del cual se propagaba la luz. Además, el concepto informó las explicaciones de Isaac Newton tanto de la refracción como del calor radiante. Los experimentos del siglo XIX en este éter luminífero intentaron detectar un minuto de arrastre en la órbita de la Tierra. Mientras que la Tierra, de hecho, se mueve a través de un medio relativamente denso en comparación con el espacio interestelar, el arrastre es tan minúsculo que no se pudo detectar. En 1912, el astrónomo Henry Pickering comentó: "Mientras que el medio absorbente interestelar puede ser simplemente el éter, [es] característico de un gas, y las moléculas gaseosas libres están ciertamente allí".
Más tarde, en 1930, Paul Dirac propuso un modelo del vacío como un mar infinito de partículas que poseen energía negativa, llamado mar de Dirac. Esta teoría ayudó a refinar las predicciones de su ecuación de Dirac formulada anteriormente, y predijo con éxito la existencia del positrón, confirmado dos años después. El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg formulado en 1927, predice un límite fundamental dentro del cual se puede medir la posición instantánea y el momento, o la energía y el tiempo. Esto tiene consecuencias de gran alcance en el "vacío" del espacio entre partículas. A finales del siglo XX, se confirmaron las llamadas partículas virtuales que surgen espontáneamente del espacio vacío.
Teorías clásicas de campo
El criterio más estricto para definir un vacío es una región de espacio y tiempo donde todos los componentes del tensor de energía de tensión son cero. Esto significa que esta región está desprovista de energía e impulso y, en consecuencia, debe estar vacía de partículas y otros campos físicos (como el electromagnetismo) que contienen energía y momento.
Gravedad
En la relatividad general, un tensor de energía de tensión que desaparece implica, a través de las ecuaciones de campo de Einstein, la desaparición de todos los componentes del tensor de Ricci. El vacío no significa que la curvatura del espacio-tiempo sea necesariamente plana: el campo gravitatorio aún puede producir curvatura en el vacío en forma de fuerzas de marea y ondas gravitacionales (técnicamente, estos fenómenos son los componentes del tensor de Weyl). El agujero negro (con carga eléctrica cero) es un elegante ejemplo de una región completamente "llena" de vacío, pero que aún muestra una fuerte curvatura.
Electromagnetismo
En el electromagnetismo clásico, el vacío del espacio libre , o algunas veces solo espacio libre o vacío perfecto , es un medio de referencia estándar para efectos electromagnéticos. Algunos autores se refieren a este medio de referencia como vacío clásico , una terminología destinada a separar este concepto del vacío QED o vacío QCD, donde las fluctuaciones de vacío pueden producir densidades transitorias de partículas virtuales y una permitividad relativa y permeabilidad relativa que no son idénticamente unitarias.
En la teoría del electromagnetismo clásico, el espacio libre tiene las siguientes propiedades:
- La radiación electromagnética viaja, cuando no está obstruida, a la velocidad de la luz, el valor definido 299,792,458 m / s en unidades SI.
- El principio de superposición es siempre exactamente cierto. Por ejemplo, el potencial eléctrico generado por dos cargas es la simple suma de los potenciales generados por cada carga en forma aislada. El valor del campo eléctrico en cualquier punto alrededor de estas dos cargas se encuentra al calcular la suma del vector de los dos campos eléctricos de cada una de las cargas que actúan solas.
- La permitividad y la permeabilidad son exactamente la constante eléctrica ε
0 y la constante magnética μ
0 , respectivamente (en unidades SI), o exactamente 1 (en unidades gaussianas). - La impedancia característica ( η ) es igual a la impedancia del espacio libre Z 0 ≈ 376.73 Ω.
El vacío del electromagnetismo clásico se puede ver como un medio electromagnético idealizado con las relaciones constitutivas en las unidades SI:
que relaciona la densidad de flujo eléctrico D al campo eléctrico E y el campo magnético o H -field H a la inducción o magnético B -field B . Aquí r es una ubicación espacial yt es el tiempo.
Mecánica cuántica
En la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos, el vacío se define como el estado (es decir, la solución a las ecuaciones de la teoría) con la energía más baja posible (el estado fundamental del espacio de Hilbert). En la electrodinámica cuántica, este vacío se denomina "vacío QED" para distinguirlo del vacío de la cromodinámica cuántica, denominado vacío QCD. El vacío QED es un estado sin partículas de materia (de ahí el nombre), y tampoco fotones. Como se describió anteriormente, este estado es imposible de lograr experimentalmente. (Incluso si cada partícula de materia se pudiera eliminar de algún modo de un volumen, sería imposible eliminar todos los fotones del cuerpo negro.) Sin embargo, proporciona un buen modelo para el vacío realizable, y está de acuerdo con varias observaciones experimentales como se describe a continuación.
El vacío QED tiene propiedades interesantes y complejas. En el vacío QED, los campos eléctricos y magnéticos tienen valores promedio cero, pero sus variaciones no son cero. Como resultado, el vacío QED contiene fluctuaciones de vacío (partículas virtuales que entran y salen de la existencia) y una energía finita llamada energía de vacío. Las fluctuaciones de vacío son una parte esencial y omnipresente de la teoría cuántica de campos. Algunos efectos verificados experimentalmente de las fluctuaciones de vacío incluyen la emisión espontánea y el cambio de cordero. La ley de Culombio y el potencial eléctrico en el vacío cerca de una carga eléctrica se modifican.
Teóricamente, en QCD múltiples estados de vacío pueden coexistir. Se cree que el inicio y el final de la inflación cosmológica surgieron de transiciones entre diferentes estados de vacío. Para las teorías obtenidas por la cuantificación de una teoría clásica, cada punto estacionario de la energía en el espacio de configuración da lugar a un solo vacío. La teoría de cuerdas se cree que tiene una gran cantidad de vacío, el llamado paisaje de la teoría de cuerdas.
Espacio exterior
El espacio exterior tiene muy baja densidad y presión, y es la aproximación física más cercana a un vacío perfecto. Pero ningún vacío es realmente perfecto, ni siquiera en el espacio interestelar, donde todavía hay algunos átomos de hidrógeno por metro cúbico.
Las estrellas, los planetas y las lunas mantienen sus atmósferas por atracción gravitacional y, como tales, las atmósferas no tienen un límite claramente delineado: la densidad del gas atmosférico simplemente disminuye con la distancia del objeto. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 3.2 × 10 Pa a 100 kilómetros (62 millas) de altitud, la línea Kármán, que es una definición común del límite con el espacio exterior. Más allá de esta línea, la presión del gas isótropo se vuelve rápidamente insignificante en comparación con la presión de radiación del Sol y la presión dinámica de los vientos solares, por lo que la definición de presión se vuelve difícil de interpretar. La termosfera en este rango tiene grandes gradientes de presión, temperatura y composición, y varía mucho debido al clima espacial. Los astrofísicos prefieren usar la densidad numérica para describir estos entornos, en unidades de partículas por centímetro cúbico.
Pero a pesar de que cumple con la definición de espacio ultraterrestre, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea Kármán sigue siendo suficiente para producir un arrastre significativo en los satélites. La mayoría de los satélites artificiales operan en esta región llamada órbita terrestre baja y deben encender sus motores cada pocos días para mantener la órbita. La resistencia aquí es lo suficientemente baja como para que pueda ser vencida teóricamente por la presión de radiación en las velas solares, un sistema de propulsión propuesto para viajes interplanetarios. Los planetas son demasiado masivos para que sus trayectorias se vean significativamente afectadas por estas fuerzas, aunque sus atmósferas se ven erosionadas por los vientos solares.
Todo el universo observable está lleno de grandes cantidades de fotones, la llamada radiación de fondo cósmica, y muy probablemente una gran cantidad correspondiente de neutrinos. La temperatura actual de esta radiación es de aproximadamente 3 K, o -270 grados Celsius o -454 grados Fahrenheit.
Medición
La calidad del vacío se indica por la cantidad de materia restante en el sistema, de modo que un vacío de alta calidad es uno con muy poca materia en él. El vacío se mide principalmente por su presión absoluta, pero una caracterización completa requiere otros parámetros, como la temperatura y la composición química. Uno de los parámetros más importantes es la ruta libre media (MFP) de los gases residuales, que indica la distancia promedio que las moléculas recorrerán entre colisiones entre sí. A medida que la densidad del gas disminuye, la MFP aumenta, y cuando la MFP es más larga que la cámara, la bomba, la nave espacial u otros objetos presentes, las suposiciones continuas de la mecánica de fluidos no se aplican. Este estado de vacío se denomina alto vacío, y el estudio de los flujos de fluidos en este régimen se llama dinámica de gas de partículas. El MFP de aire a presión atmosférica es muy corto, 70 nm, pero a 100 mPa (~ 1 × 10 Torr) el MFP de aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 100 mm, que está en el orden de objetos cotidianos como tubos de vacío. El radiómetro Crookes gira cuando el MFP es más grande que el tamaño de las paletas.
La calidad del vacío se subdivide en rangos de acuerdo con la tecnología requerida para lograrlo o medirlo. Estos rangos no tienen definiciones aceptadas universalmente, pero se muestra una distribución típica en la siguiente tabla. A medida que viajamos en órbita, espacio exterior y, finalmente, espacio intergaláctico, la presión varía en varios órdenes de magnitud.
| Calidad del vacío | Torr | Pensilvania | Atmósfera |
|---|---|---|---|
| Presión atmosférica | 760 | 1.013 × 10 | 1 |
| Bajo vacío | 760 a 25 | 1 × 10 a 3 × 10 | 9.87 × 10 a 3 × 10 |
| Vacío medio | 25 a 1 × 10 | 3 × 10 a 1 × 10 | 3 × 10 a 9.87 × 10 |
| Alto vacío | 1 × 10 a 1 × 10 | 1 × 10 a 1 × 10 | 9.87 × 10 a 9.87 × 10 |
| Ultra alto vacío | 1 × 10 a 1 × 10 | 1 × 10 a 1 × 10 | 9.87 × 10 a 9.87 × 10 |
| Extremadamente alto vacío | < 1 × 10 | < 1 × 10 | < 9.87 × 10 |
| Espacio exterior | 1 × 10 a < 1 × 10 | 1 × 10 a < 3 × 10 | 9.87 × 10 a < 2.96 × 10 |
| Vacío perfecto | 0 | 0 | 0 |
- La presión atmosférica es variable pero estandarizada a 101.325 kPa (760 Torr).
- El vacío bajo , también llamado vacío aproximado o vacío grueso , es vacío que se puede lograr o medir con un equipo rudimentario, como una aspiradora y un manómetro de columna de líquido.
- El vacío medio es el vacío que se puede lograr con una sola bomba, pero la presión es demasiado baja para medir con un manómetro líquido o mecánico. Se puede medir con un medidor McLeod, un medidor térmico o un medidor capacitivo.
- El alto vacío es vacío donde el MFP de los gases residuales es más largo que el tamaño de la cámara o del objeto bajo prueba. El alto vacío generalmente requiere bombeo de etapas múltiples y medición de medición de iones. Algunos textos diferencian entre alto vacío y muy alto vacío.
- El ultra alto vacío requiere hornear la cámara para eliminar gases traza y otros procedimientos especiales. Las normas británicas y alemanas definen el vacío ultra alto como presiones por debajo de 10 Pa (10 Torr).
- El espacio profundo es generalmente mucho más vacío que cualquier vacío artificial. Puede o no cumplir con la definición de alto vacío anterior, según la región del espacio y los cuerpos astronómicos que se estén considerando. Por ejemplo, el MFP del espacio interplanetario es más pequeño que el tamaño del Sistema Solar, pero más grande que los planetas y las lunas pequeñas. Como resultado, los vientos solares muestran un flujo continuo en la escala del Sistema Solar, pero debe considerarse un bombardeo de partículas con respecto a la Tierra y la Luna.
- El vacío perfecto es un estado ideal de ausencia de partículas. No se puede lograr en un laboratorio, aunque puede haber pequeños volúmenes que, por un breve momento, no tengan partículas de materia en ellos. Incluso si se eliminaran todas las partículas de materia, aún habría fotones y gravitones, así como energía oscura, partículas virtuales y otros aspectos del vacío cuántico.
- El vacío duro y el vacío suave son términos que se definen con una línea divisoria definida de manera diferente por diferentes fuentes, como 1 Torr o 0.1 Torr, siendo el denominador común que un vacío duro es un vacío más alto que uno blando.
Medida relativa versus absoluta
El vacío se mide en unidades de presión, generalmente como una resta relativa a la presión atmosférica ambiental en la Tierra. Pero la cantidad de vacío mensurable relativo varía con las condiciones locales. En la superficie de Júpiter, donde la presión atmosférica a nivel del suelo es mucho más alta que en la Tierra, serían posibles lecturas de vacío relativas mucho más altas. En la superficie de la luna casi sin atmósfera, sería extremadamente difícil crear un vacío mensurable en relación con el entorno local.
De manera similar, son posibles lecturas de vacío relativas mucho más altas que lo normal en las profundidades del océano de la Tierra. Un submarino que mantiene una presión interna de 1 atmósfera sumergida a una profundidad de 10 atmósferas (98 metros; una columna de 9,8 metros de agua de mar tiene el peso equivalente de 1 atm) es efectivamente una cámara de vacío que mantiene las presiones de agua exteriores aplastantes, aunque atm dentro del submarino normalmente no se consideraría un vacío.
Por lo tanto, para comprender adecuadamente las siguientes discusiones sobre la medición de vacío, es importante que el lector suponga que las medidas relativas se están realizando en la Tierra a nivel del mar, exactamente a 1 atmósfera de la presión atmosférica ambiental.
Medidas relativas a 1 atm
La unidad de presión SI es el pascal (símbolo Pa), pero el vacío a menudo se mide en torrs, llamado así por Torricelli, un físico italiano antiguo (1608-1647). Un torr es igual al desplazamiento de un milímetro de mercurio (mmHg) en un manómetro con 1 torr que equivale a 133,3223684 pascales por encima de la presión absoluta cero. El vacío a menudo también se mide en la escala barométrica o como un porcentaje de la presión atmosférica en barras o atmósferas. El bajo vacío a menudo se mide en milímetros de mercurio (mmHg) o pascales (Pa) por debajo de la presión atmosférica estándar. "Por debajo de la atmosférica" significa que la presión absoluta es igual a la presión atmosférica actual.
En otras palabras, la mayoría de los medidores de bajo vacío que leen, por ejemplo 50.79 Torr. Muchos medidores baratos de bajo vacío tienen un margen de error y pueden informar un vacío de 0 Torr, pero en la práctica esto generalmente requiere una paleta rotatoria de dos etapas u otro tipo medio de bomba de vacío para ir mucho más allá (menos de) 1 torr.
Instrumentos de medición
Muchos dispositivos se utilizan para medir la presión en el vacío, dependiendo del rango de vacío que se necesita.
Hidrostático Los medidores (como el manómetro de la columna de mercurio) consisten en una columna vertical de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna aumentará o disminuirá hasta que su peso esté en equilibrio con la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo. El diseño más simple es un tubo con forma de U cerrado, un lado del cual está conectado a la región de interés. Se puede usar cualquier fluido, pero se prefiere el mercurio por su alta densidad y baja presión de vapor. Los medidores hidrostáticos simples pueden medir presiones que varían de 1 torr (100 Pa) a más atmosférico. Una variación importante es el medidor McLeod que aísla un volumen conocido de vacío y lo comprime para multiplicar la variación de altura de la columna de líquido. El medidor McLeod puede medir vacíos de hasta 10 torr (0.1 mPa), que es la medida más baja de presión directa que es posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente mediante la medición de otras propiedades controladas por presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse a través de una medición directa, más comúnmente un medidor McLeod.
El kenotómetro es un tipo particular de medidor hidrostático, típicamente utilizado en plantas de energía que utilizan turbinas de vapor. El kenómetro mide el vacío en el espacio de vapor del condensador, es decir, el escape de la última etapa de la turbina.
Los medidores mecánicos o elásticos dependen de un tubo Bourdon, un diafragma o una cápsula, generalmente de metal, que cambiará de forma en respuesta a la presión de la región en cuestión. Una variación de esta idea es el manómetro de capacitancia , en el que el diafragma forma parte de un condensador. Un cambio en la presión conduce a la flexión del diafragma, lo que da como resultado un cambio en la capacitancia. Estos medidores son efectivos de 10 torr a 10 torr y más.
Los medidores de conductividad térmica dependen del hecho de que la capacidad de un gas para conducir el calor disminuye con la presión. En este tipo de medidor, un filamento de alambre se calienta al correr corriente a través de él. El termopar o detector de temperatura de resistencia (RTD) se puede usar para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor en el gas circundante y, por lo tanto, en la conductividad térmica. Una variante común es el indicador Pirani que utiliza un único filamento de platino como elemento calentado y RTD. Estos medidores son precisos de 10 torr a 10 torr, pero son sensibles a la composición química de los gases que se miden.
Medidores de ionización se usan en ultra alto vacío Vienen en dos tipos: cátodo caliente y cátodo frío. En la versión de cátodo caliente, un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Los electrones viajan a través del medidor e ionizan las moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende de la cantidad de iones, que depende de la presión en el medidor. Los medidores de cátodos calientes son precisos de 10 torr a 10 torr. El principio detrás de la versión del cátodo frío es el mismo, excepto que los electrones se producen en una descarga creada por una descarga eléctrica de alto voltaje. Los medidores de cátodos fríos son precisos de 10 torr a 10 torr. La calibración del calibrador de ionización es muy sensible a la geometría de la construcción, la composición química de los gases que se miden, la corrosión y los depósitos en la superficie. Su calibración puede ser invalidada por la activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de gases a altos vacíos generalmente será impredecible, por lo que se debe usar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa.
Usos
El vacío es útil en una variedad de procesos y dispositivos. Su primer uso generalizado fue en la bombilla incandescente para proteger el filamento de la degradación química. La inercia química producida por el vacío también es útil para soldadura por haz de electrones, soldadura en frío, envasado al vacío y freido al vacío. El vacío ultra alto se utiliza en el estudio de sustratos atómicamente limpios, ya que solo un muy buen vacío conserva las superficies limpias a escala atómica durante un tiempo razonablemente largo (del orden de minutos a días). El vacío de alto a ultra alto elimina la obstrucción del aire, permitiendo que los haces de partículas depositen o eliminen materiales sin contaminación. Este es el principio detrás de la deposición química de vapor, la deposición física de vapor y el grabado en seco, que son esenciales para la fabricación de semiconductores y recubrimientos ópticos, y para la ciencia de superficies. La reducción de la convección proporciona el aislamiento térmico de botellas termo. El vacío profundo reduce el punto de ebullición de los líquidos y promueve la desgasificación a baja temperatura que se utiliza en la liofilización, la preparación del adhesivo, la destilación, la metalurgia y el proceso de purga. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posible los microscopios electrónicos y los tubos de vacío, incluidos los tubos de rayos catódicos. Los interruptores de vacío se usan en aparamenta eléctrica. Los procesos de arco de vacío son importantes desde el punto de vista industrial para la producción de ciertos grados de acero o materiales de alta pureza. La eliminación de la fricción del aire es útil para el almacenamiento de energía del volante y las ultracentrífugas. destilación, metalurgia y purga de procesos. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posible los microscopios electrónicos y los tubos de vacío, incluidos los tubos de rayos catódicos. Los interruptores de vacío se usan en aparamenta eléctrica. Los procesos de arco de vacío son importantes desde el punto de vista industrial para la producción de ciertos grados de acero o materiales de alta pureza. La eliminación de la fricción del aire es útil para el almacenamiento de energía del volante y las ultracentrífugas. destilación, metalurgia y purga de procesos. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posible los microscopios electrónicos y los tubos de vacío, incluidos los tubos de rayos catódicos. Los interruptores de vacío se usan en aparamenta eléctrica. Los procesos de arco de vacío son importantes desde el punto de vista industrial para la producción de ciertos grados de acero o materiales de alta pureza. La eliminación de la fricción del aire es útil para el almacenamiento de energía del volante y las ultracentrífugas.
Máquinas de vacío
Los aspiradores se utilizan comúnmente para producir succión, que tiene una variedad aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor Newcomen usaba vacío en lugar de presión para impulsar un pistón. En el siglo XIX, el vacío se utilizó para la tracción en el ferrocarril atmosférico experimental de Isambard Kingdom Brunel. Los frenos de vacío fueron una vez ampliamente utilizados en los trenes en el Reino Unido, pero, excepto en los ferrocarriles de la herencia, han sido reemplazados por frenos de aire.
El vacío del colector se puede usar para conducir accesorios en automóviles. La aplicación más conocida es el servo de vacío, que se utiliza para proporcionar asistencia eléctrica para los frenos. Las aplicaciones obsoletas incluyen limpiaparabrisas accionados por vacío y bombas de combustible Autovac. Algunos instrumentos de aviación (Indicador de actitud (AI) y Indicador de rumbo (HI)) suelen ser alimentados al vacío, como protección contra la pérdida de todos los instrumentos (eléctricos), ya que los primeros aviones a menudo no tenían sistemas eléctricos, y dado que hay dos fuentes de vacío fácilmente disponibles en un avión en movimiento, el motor y un venturi externo. La fusión por inducción al vacío usa inducción electromagnética en el vacío.
Mantener un vacío en el Condensador es un aspecto importante de la operación eficiente de las turbinas de vapor. Para esto, se utiliza un eyector de chorro de vapor o una bomba de vacío de anillo líquido. El vacío típico mantenido en el espacio de vapor del condensador en el escape de la turbina (también llamado contrapresión del condensador) está en el rango de 5 a 15 kPa (absoluto), dependiendo del tipo de condensador y las condiciones ambientales.
Desgasificación
La evaporación y sublimación en un vacío se llama desgasificación. Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor, y su desgasificación se vuelve importante cuando la presión de vacío cae por debajo de esta presión de vapor. La desgasificación tiene el mismo efecto que una fuga y puede limitar el vacío alcanzable. Los productos de desgasificación pueden condensarse en superficies más frías cercanas, lo que puede ser problemático si oscurecen los instrumentos ópticos o reaccionan con otros materiales. Esto es de gran preocupación para las misiones espaciales, donde un telescopio oscurecido o una célula solar pueden arruinar una misión costosa.
El producto de desgasificación más prevalente en los sistemas de vacío es el agua absorbida por los materiales de la cámara. Se puede reducir desecando u horneando la cámara y eliminando los materiales absorbentes. El agua desgasificada puede condensarse en el aceite de las bombas rotativas de paletas y reducir drásticamente su velocidad neta si no se usa el lastre de gas. Los sistemas de alto vacío deben estar limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.
Los sistemas de ultra alto vacío generalmente se hornean, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales de desgasificación y para hervirlos. Una vez que la mayor parte de los materiales de desgasificación se evaporan y evacúan, el sistema puede enfriarse a presiones de vapor más bajas y minimizar la desgasificación residual durante la operación real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente mediante nitrógeno líquido para cerrar la desgasificación residual y simultáneamente aplicar una bomba criogénica al sistema.
Bombeo y presión del aire ambiente
Por lo general, no se pueden extraer los fluidos, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión. La succión puede extenderse y diluir el vacío al permitir que una presión más alta impulse fluidos hacia él, pero primero debe crearse el vacío antes de que se produzca la succión. La forma más fácil de crear una aspiradora artificial es expandir el volumen de un contenedor. Por ejemplo, el músculo del diafragma expande la cavidad torácica, lo que hace que aumente el volumen de los pulmones. Esta expansión reduce la presión y crea un vacío parcial, que pronto se llena de aire empujado por la presión atmosférica.
Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimento de la aspiradora puede cerrarse repetidamente, agotarse y expandirse nuevamente. Este es el principio detrás de las bombas de desplazamiento positivo, como la bomba de agua manual, por ejemplo. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para crear un vacío. Debido a la diferencia de presión, algo de fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. La cavidad de la bomba se sella desde la cámara, se abre a la atmósfera y se reduce a un tamaño mínimo.
La explicación anterior es simplemente una introducción simple al bombeo de vacío, y no es representativa de toda la gama de bombas en uso. Se han desarrollado muchas variaciones de la bomba de desplazamiento positivo, y muchos otros diseños de bomba dependen de principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia Momentum, que tienen algunas similitudes con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden lograr vacíos de mayor calidad que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de atrapamiento pueden capturar gases en un estado sólido o absorbido, a menudo sin partes móviles, sin sellos y sin vibraciones. Ninguna de estas bombas es universal; cada tipo tiene importantes limitaciones de rendimiento. Todos ellos comparten una dificultad para bombear gases de bajo peso molecular, especialmente hidrógeno, helio y neón.
La presión más baja que se puede alcanzar en un sistema también depende de muchas cosas además de la naturaleza de las bombas. Se pueden conectar varias bombas en serie, llamadas etapas, para lograr mayores vacíos. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de bombeo tendrán un impacto. Colectivamente, estos se llaman técnica de vacío . Y a veces, la presión final no es la única característica relevante. Los sistemas de bombeo difieren en contaminación de aceite, vibración, bombeo preferencial de ciertos gases, velocidades de bombeo, ciclo de trabajo intermitente, confiabilidad o tolerancia a altas tasas de fuga.
En los sistemas de ultra alto vacío, se deben considerar algunas vías de fuga y fuentes de desgasificación muy "extrañas". La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso se debe considerar la capacidad de adsorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio. Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. La permeabilidad de las paredes de la cámara metálica puede tener que ser considerada, y la dirección del grano de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida.
Las presiones más bajas actualmente alcanzables en el laboratorio son aproximadamente 10 torr (13 pPa). Sin embargo, se han medido indirectamente presiones tan bajas como 5 × 10 Torr (6,7 fPa) en un sistema de vacío criogénico de 4 K. Esto corresponde a ≈100 partículas / cm.
Efectos en humanos y animales
Los seres humanos y los animales expuestos al vacío perderán la conciencia después de unos segundos y morirán de hipoxia en cuestión de minutos, pero los síntomas no son tan gráficos como se describe comúnmente en los medios y la cultura popular. La reducción de la presión reduce la temperatura a la que hierven la sangre y otros fluidos corporales, pero la presión elástica de los vasos sanguíneos asegura que este punto de ebullición permanezca por encima de la temperatura interna del cuerpo de 37 ° C. Aunque la sangre no hierve, la formación de burbujas de gas en los fluidos corporales a presiones reducidas, conocida como ebullismo, sigue siendo una preocupación. El gas puede hinchar el cuerpo al doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son elásticos y lo suficientemente porosos para evitar la ruptura. La hinchazón y el ebullismo pueden restringirse mediante contención en un traje de vuelo. Los astronautas del transbordador usaron una prenda elástica ajustada llamada Traje de protección de altura del equipo (CAPS) que evita el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa (15 Torr). La ebullición rápida enfriará la piel y creará escarcha, particularmente en la boca, pero esto no es un peligro significativo.
Los experimentos con animales muestran que la recuperación rápida y completa es normal para exposiciones de menos de 90 segundos, mientras que las exposiciones más largas de todo el cuerpo son fatales y la resucitación nunca ha tenido éxito. Un estudio de la NASA sobre ocho chimpancés descubrió que todos ellos sobrevivieron exposiciones de dos minutos y medio al vacío. Solo hay una cantidad limitada de datos disponibles de accidentes humanos, pero es consistente con los datos de los animales. Los miembros pueden estar expuestos por mucho más tiempo si la respiración no se ve afectada. Robert Boyle fue el primero en demostrar en 1660 que el vacío es letal para los animales pequeños.
Un experimento indica que las plantas son capaces de sobrevivir en un ambiente de baja presión (1.5 kPa) durante aproximadamente 30 minutos.
Las atmósferas frías o ricas en oxígeno pueden mantener la vida a presiones mucho más bajas que la atmosférica, siempre que la densidad del oxígeno sea similar a la de la atmósfera estándar del nivel del mar. Las temperaturas más frías del aire que se encuentran en altitudes de hasta 3 km generalmente compensan las menores presiones allí. Por encima de esta altitud, el enriquecimiento de oxígeno es necesario para prevenir el mal de altura en humanos que no se sometieron a una aclimatación previa, y se necesitan trajes espaciales para evitar el ebullismo por encima de los 19 km. La mayoría de los trajes espaciales usan solo 20 kPa (150 Torr) de oxígeno puro. Esta presión es lo suficientemente alta como para evitar el ebullismo, pero la enfermedad de descompresión y las embolias gaseosas aún pueden ocurrir si no se administran las tasas de descompresión.
La descompresión rápida puede ser mucho más peligrosa que la exposición al vacío en sí misma. Incluso si la víctima no contiene la respiración, la ventilación a través de la tráquea puede ser demasiado lenta para evitar la ruptura fatal de los alvéolos delicados de los pulmones. Los tímpanos y senos paranasales se pueden romper con una descompresión rápida, los tejidos blandos pueden magullarse y filtrarse sangre, y el estrés del choque acelerará el consumo de oxígeno lo que lleva a la hipoxia. Las lesiones causadas por la descompresión rápida se llaman barotrauma. Una caída de presión de 13 kPa (100 Torr), que no produce síntomas si es gradual, puede ser fatal si ocurre repentinamente.
Algunos microorganismos extremófilos, como los tardígrados, pueden sobrevivir condiciones de vacío por períodos de días o semanas.
Ejemplos
| Presión (Pa o kPa) | Presión (Torr, atm) | Camino libre medio | Moléculas por cm | |
|---|---|---|---|---|
| Ambiente estándar, para comparación | 101.325 kPa | 760 torrs (1.00 atm) | 66 nm | 2.5 × 10 |
| Intenso huracán | aprox. 87 a 95 kPa | 650 a 710 | ||
| aspiradora | aproximadamente 80 kPa | 600 | 70 nm | 10 |
| Salida de la turbina de vapor (contrapresión del condensador) | 9 kPa | |||
| bomba de vacío de anillo líquido | aproximadamente 3.2 kPa | 24 torres (0.032 atm) | 1.75 μm | 10 |
| Atmósfera de Marte | 1.155 kPa a 0.03 kPa (media 0.6 kPa) | 8.66 a 0.23 torrs (0.01139 a 0.00030 atm) | ||
| secar en frío | 100 a 10 | 1 a 0.1 | 100 μm a 1 mm | 10 a 10 |
| Bombilla incandescente | 10 a 1 | 0.1 a 0.01 torrs (0.000132 a 1.3 × 10 atm) | 1 mm a 1 cm | 10 a 10 |
| Termo | 1 a 0.01 | 1 × 10 a 1 × 10 torrs (1.316× 10 a 1.3 × 10 atm) | 1 cm a 1 m | 10 a 10 |
| Termosfera de la tierra | 1 Pa a 1 × 10 | 10 a 10 | 1 cm a 100 km | 10 a 10 |
| Tubo vacío | 1 × 10 a 1 × 10 | 10 a 10 | 1 a 1,000 km | 10 a 10 |
| Cámara de MBE crupulada | 1 × 10 a 1 × 10 | 10 a 10 | 100 a 10,000 km | 10 a 10 |
| Presión en la luna | aproximadamente 1 × 10 | 10 | 10,000 km | 4 × 10 |
| Espacio interplanetario | 11 | |||
| Espacio interestelar | 1 | |||
| Espacio intergaláctico | 10 |