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Vacío

Bomba de vacío y campana de vidrio para experimentos de vacío, utilizadas en la enseñanza de las ciencias a principios del siglo XX, expuestas en el Schulhistorische Sammlung ('...

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Bomba de vacío y campana de vidrio para experimentos de vacío, utilizadas en la enseñanza de las ciencias a principios del siglo XX, expuestas en el Schulhistorische Sammlung ('Museo Histórico Escolar'), Bremerhaven , Alemania.

Un vacío ( pl.: vacíos o vacua ) es un espacio desprovisto de materia . La palabra deriva del adjetivo latino vacuus (neutro vacuum ) que significa "vacío" o "vacío". Una aproximación a dicho vacío es una región con una presión gaseosa mucho menor que la presión atmosférica . [ 1 ] Los físicos a menudo discuten los resultados de prueba ideales que ocurrirían en un vacío perfecto , al que a veces simplemente llaman "vacío" o espacio libre , y usan el término vacío parcial para referirse a un vacío imperfecto real como el que se podría tener en un laboratorio o en el espacio . En ingeniería y física aplicada, por otro lado, vacío se refiere a cualquier espacio en el que la presión es considerablemente menor que la presión atmosférica. [ 2 ] El término latino in vacuo se usa para describir un objeto que está rodeado por un vacío. El proceso en el que un dispositivo mecánico elimina materia de un sistema cerrado (como una cámara de vacío ) o abierto (como una manguera de vacío ) en un esfuerzo por crear un vacío se llama evacuación . Las sustancias evacuadas, capturadas, retiradas del flujo en otro lugar y mantenidas al vacío, se denominan a veces recogidas por el sistema de vacío. La fuerza mecánica que la atmósfera ejerce sobre el aire y el material que obstruye el flujo de aire hacia el vacío se denomina succión .

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 implica un vacío de mayor calidad. Por ejemplo, una aspiradora típica produce suficiente succión para reducir la presión del aire en aproximadamente un 20 %. [ 3 ] Pero es posible lograr vacíos de mayor calidad. Las cámaras de ultra alto vacío , comunes en química, física e ingeniería, operan por debajo de una billonésima (10⁻¹² ) de la presión atmosférica (100  nPa) y pueden alcanzar alrededor de 100  partículas/cm³ . [ 4 ] El espacio exterior es un vacío de calidad aún mayor, con el equivalente a solo unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico en promedio en el espacio intergaláctico. [ 5 ]

El vacío ha sido un tema frecuente de debate filosófico desde la antigua Grecia , pero no se estudió empíricamente hasta el siglo XVII. Clemens Timpler (1605) filosofó sobre la posibilidad experimental de producir vacío en tubos pequeños. [ 6 ] 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. Un vacío torricelliano se crea llenando con mercurio un recipiente de vidrio alto cerrado en un extremo y luego invirtiéndolo en un recipiente para contener el mercurio (véase más abajo). [ 7 ]

El vacío se convirtió en una valiosa herramienta industrial en el siglo XX con la introducción de las bombillas incandescentes y los tubos de vacío , y desde entonces se ha desarrollado una amplia gama de tecnologías de vacío. El desarrollo de los vuelos espaciales tripulados ha suscitado 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 ' un espacio vacío, vacío ' , uso sustantivo del neutro de vacuus , que significa 'vacío', relacionado con vacare , que significa 'estar vacío'. 

Vacuum es una de las pocas palabras en el idioma inglés que contiene dos instancias consecutivas de la vocal u . [ 8 ]

Comprensión histórica

Históricamente, ha habido mucha controversia sobre la existencia del vacío. Los filósofos griegos antiguos debatieron sobre su existencia en el contexto del atomismo , que postulaba el vacío y el átomo como elementos explicativos fundamentales de la física. Lucrecio defendió la existencia del vacío en el siglo I a. C. y Herón de Alejandría intentó, sin éxito, crear un vacío artificial en el siglo I d. C. [ 9 ]

Sin embargo, siguiendo a Platón , incluso el concepto abstracto de un vacío sin rasgos distintivos se enfrentó a un considerable escepticismo: no podía ser aprehendido por los sentidos, no podía, por sí mismo, proporcionar un poder explicativo adicional más allá del volumen físico con el que era conmensurable y, por definición, era literalmente nada en absoluto, lo cual no puede decirse con razón que exista. Aristóteles creía que ningún vacío podía ocurrir de forma natural, porque el continuo 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, que el movimiento a través de un medio que no ofreciera ningún impedimento podría continuar ad infinitum , ya que no habría razón para que algo se detuviera en algún lugar en particular.

En el mundo musulmán medieval , el físico y erudito islámico Al-Farabi escribió un tratado en el siglo X rechazando la existencia del vacío. [ 10 ] Concluyó que el volumen del aire puede expandirse para llenar el espacio disponible y, por lo tanto, el concepto de un vacío perfecto era incoherente. [ 11 ] Según Ahmad Dallal , Abū Rayhān al-Bīrūnī afirma que "no hay evidencia observable que descarte la posibilidad del vacío". [ 12 ] La bomba de succión fue descrita por el ingeniero árabe Al-Jazari en el siglo XIII y posteriormente apareció en Europa a partir del siglo XV. [ 13 ] [ 14 ]

Eruditos europeos como Roger Bacon , Blasio de Parma y Walter Burley, en los siglos XIII y XIV, dedicaron considerable atención a cuestiones relativas al concepto de vacío. La opinión generalizada de que la naturaleza aborrecía el vacío se denominaba horror vacui . Incluso se especuló con la posibilidad de que ni siquiera Dios pudiera crear un vacío aunque quisiera, y las condenas de París de 1277 del obispo Étienne Tempier , que exigían que no hubiera restricciones a los poderes de Dios, llevaron a la conclusión de que Dios podía crear un vacío si así lo deseaba. [ 15 ] A partir del siglo XIV, los eruditos se alejaron cada vez más de la perspectiva aristotélica, y en el siglo XVII reconocieron ampliamente la existencia de un vacío sobrenatural más allá de los límites del cosmos. Esta idea, influenciada por la física estoica , contribuyó a separar las preocupaciones naturales de las teológicas. [ 16 ]

Casi dos mil años después de Platón, René Descartes también propuso una teoría alternativa del atomismo basada en la geometría , sin la problemática dicotomía entre el vacío y el átomo. Si bien Descartes coincidía con la postura contemporánea de que el vacío no existe en la naturaleza, el éxito de su sistema de coordenadas homónimo y, de forma más implícita, el componente espacial-corporal de su metafísica, definirían la noción filosófica moderna del espacio vacío como una extensión cuantificada del volumen. Sin embargo, según la definición antigua, la información direccional y la magnitud eran conceptualmente distintas.

El barómetro de mercurio de Torricelli produjo uno de los primeros vacíos sostenidos en un laboratorio.

Los experimentos mentales medievales sobre la idea del vacío consideraron si existía un vacío, aunque solo fuera por un instante, entre dos placas planas al separarlas rápidamente. [ 17 ] Se debatió ampliamente si el aire entraba con la suficiente rapidez al separarse las placas o, como postuló Walter Burley , si un «agente celestial» impedía que se formara el vacío. Jean Buridan informó en el siglo XIV que ni siquiera un equipo de diez caballos podía abrir los fuelles cuando el puerto estaba sellado. [ 9 ]

El tubo de Crookes , utilizado para descubrir y estudiar los rayos catódicos , fue una evolución del tubo de Geissler .

El siglo XVII vio los primeros intentos de cuantificar las mediciones de vacío parcial. [ 18 ] El barómetro de mercurio 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 [ 19 ] y realizó su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo , demostrando que, debido a la presión atmosférica fuera de los hemisferios, equipos de caballos no podían separar dos hemisferios de los que se había evacuado parcialmente el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y, con la ayuda de Robert Hooke, desarrolló aún más la tecnología de las bombas de vacío. Posteriormente, la investigación sobre el vacío parcial se interrumpió hasta 1850, cuando August Toepler inventó la bomba de Toepler , y en 1855, cuando Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio, logrando un vacío parcial de aproximadamente 10  Pa (0,1 Torr ). A este nivel de vacío se observan varias propiedades eléctricas, lo que reavivó el interés por seguir investigando. 

Si bien el espacio exterior proporciona el ejemplo más raro de un vacío parcial natural, originalmente se pensaba que los cielos estaban llenos sin fisuras por un material rígido e indestructible llamado éter . Tomando prestado en cierta medida 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 postulaban un medio terrestre y celeste ubicuo a través del cual la luz se propagaba. Además, el concepto influyó en las explicaciones de Isaac Newton tanto de la refracción como del calor radiante. [ 20 ] Los experimentos del siglo XIX sobre este éter luminífero intentaron detectar una mínima resistencia en la órbita de la Tierra. Si bien la Tierra, de hecho, se mueve a través de un medio relativamente denso en comparación con el del espacio interestelar, la resistencia es tan minúscula que no pudo detectarse. En 1912, el astrónomo Henry Pickering comentó: «Si bien el medio absorbente interestelar puede ser simplemente el éter, [este] es característico de un gas, y ciertamente hay moléculas gaseosas libres allí». [ 21 ] Posteriormente, sin embargo, se descartó el éter luminífero.

Más tarde, en 1930, Paul Dirac propuso un modelo del vacío como un mar infinito de partículas con energía negativa, conocido como el mar de Dirac . Esta teoría contribuyó a perfeccionar las predicciones de su ecuación de Dirac , formulada previamente, y predijo con éxito la existencia del positrón , confirmada dos años después. El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg , formulado en 1927, predijo un límite fundamental dentro del cual se pueden medir la posición y el momento instantáneos , o la energía y el tiempo. Estas consecuencias de gran alcance también pusieron en entredicho la existencia del "vacío" del espacio entre partículas.

Teorías clásicas de campos

El criterio más estricto para definir el vacío es una región del espacio y el tiempo donde todos los componentes del tensor energía-impulso son cero. Esto significa que dicha región carece de energía y momento, y, por consiguiente, debe estar vacía de partículas y otros campos físicos (como el electromagnetismo) que contengan energía y momento.

Gravedad

En la relatividad general , un tensor de energía-impulso nulo implica, a través de las ecuaciones de campo de Einstein , la anulación 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 gravitatorias (técnicamente, estos fenómenos son los componentes del tensor de Weyl ). El agujero negro (con carga eléctrica cero) es un ejemplo elegante 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 a veces simplemente espacio libre o vacío perfecto , es un medio de referencia estándar para los efectos electromagnéticos. [ 22 ] [ 23 ] Algunos autores se refieren a este medio de referencia como vacío clásico , [ 22 ] una terminología destinada a separar este concepto del vacío de QED o vacío de QCD , donde las fluctuaciones del vacío pueden producir densidades de partículas virtuales transitorias y una permitividad relativa y permeabilidad relativa que no son idénticamente unitarias. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

En la teoría del electromagnetismo clásico, el espacio libre tiene las siguientes propiedades:

El vacío del electromagnetismo clásico puede verse como un medio electromagnético idealizado con las relaciones constitutivas en unidades del SI: [ 32 ]

D(r, t)=ε0mi(r, t){\displaystyle {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\ t)=\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,}
H(r, t)=1μ0B(r, t){\displaystyle {\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},\ t)={\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,}

relacionar el campo de desplazamiento eléctrico D con el campo eléctrico E y el campo magnético o campo H con la inducción magnética o campo B. Aquí r es una ubicación espacial y t es el tiempo.

Mecánica cuántica

Vídeo de un experimento que muestra fluctuaciones del vacío (en el anillo rojo) amplificadas por conversión descendente paramétrica espontánea .

En mecánica cuántica y 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 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 su nombre) ni fotones . Como se describió anteriormente, este estado es imposible de alcanzar experimentalmente. (Incluso si se pudiera eliminar de alguna manera cada partícula de materia de un volumen, sería imposible eliminar todos los fotones de cuerpo negro ). No obstante, proporciona un buen modelo para un vacío realizable y concuerda con varias observaciones experimentales, como se describe a continuación.

El vacío de QED posee propiedades interesantes y complejas. En el vacío de QED, los campos eléctrico y magnético tienen valores promedio nulos, pero sus varianzas no lo son. [ 33 ] Como resultado, el vacío de QED contiene fluctuaciones de vacío ( partículas virtuales que aparecen y desaparecen) y una energía finita denominada energía de vacío . Las fluctuaciones de vacío son una parte esencial y omnipresente de la teoría cuántica de campos. Algunos efectos de las fluctuaciones de vacío verificados experimentalmente incluyen la emisión espontánea y el desplazamiento de Lamb . [ 15 ] La ley de Coulomb y el potencial eléctrico en el vacío cerca de una carga eléctrica se modifican. [ 34 ]

Teóricamente, en QCD pueden coexistir múltiples estados de vacío. [ 35 ] 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 cuantización de una teoría clásica, cada punto estacionario de la energía en el espacio de configuración da lugar a un único vacío. Se cree que la teoría de cuerdas tiene un gran número de vacíos, el llamado paisaje de la teoría de cuerdas .

Espacio exterior

La estructura de la magnetosfera no es un vacío perfecto, sino un plasma tenue repleto de partículas cargadas, elementos libres como hidrógeno , helio y oxígeno , y campos electromagnéticos .

El espacio exterior tiene una densidad y presión muy bajas, y es la aproximación física más cercana a un vacío perfecto. Pero ningún vacío es verdaderamente perfecto, ni siquiera en el espacio interestelar, donde todavía hay unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. [ 5 ]

Las estrellas, los planetas y las lunas mantienen sus atmósferas por atracción gravitatoria, y como tales, las atmósferas no tienen un límite claramente definido: la densidad del gas atmosférico simplemente disminuye con la distancia al objeto. La presión atmosférica de la Tierra cae a unos 32 milipascales (4,6 × 10⁻⁶ psi) a 100 kilómetros (62 mi) de altitud, [ 36 ] la línea de Kármán , que es una definición común del límite con el espacio exterior. Más allá de esta línea, la presión isotrópica del gas 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 si bien cumple con la definición de espacio exterior, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros sobre la línea de Kármán sigue siendo suficiente para producir una resistencia significativa en los satélites . La mayoría de los satélites artificiales operan en esta región, llamada órbita terrestre baja , y deben encender sus motores cada dos semanas o unas pocas veces al año (dependiendo de la actividad solar). [ 37 ] La ​​resistencia aquí es lo suficientemente baja como para que teóricamente pueda superarse mediante la presión de radiación en velas solares , un sistema de propulsión propuesto para viajes interplanetarios . [ 38 ]

Todo el universo observable está lleno de una gran cantidad de fotones , la llamada radiación cósmica de fondo , y muy probablemente una cantidad igualmente grande de neutrinos . La temperatura actual de esta radiación es de aproximadamente 3 K (−270,15 °C ; −454,27 °F ) .   

Medición

La calidad del vacío se indica por la cantidad de materia que queda en el sistema, de modo que un vacío de alta calidad es aquel con muy poca materia restante. 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 el camino libre medio (MFP) de los gases residuales, que indica la distancia promedio que recorrerán las moléculas entre colisiones entre sí. A medida que disminuye la densidad del gas, el MFP aumenta, y cuando el MFP es mayor que la cámara, la bomba, la nave espacial u otros objetos presentes, las suposiciones de continuo 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 denomina dinámica de gases de partículas. El MFP del aire a presión atmosférica es muy corto, 70 nm , pero a 100 mPa (≈  A 10⁻³ Torr , el recorrido libre medio (  PLM) del aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 100  mm, del orden de objetos cotidianos como los tubos de vacío . El radiómetro de Crookes gira cuando el PFM es mayor que el tamaño de las paletas.

La calidad del vacío se subdivide en rangos según la tecnología necesaria para lograrlo o medirlo. Estos rangos se definieron en la norma ISO 3529-1:2019, como se muestra en la siguiente tabla (100  Pa corresponden a 0,75  Torr; Torr es una unidad no perteneciente al SI):

  • La presión atmosférica es variable, pero 101,325 y 100 kilopascales (1013,25 y 1000,00 mbar) son presiones estándar o de referencia comunes . 
  • El espacio profundo suele estar mucho más vacío que cualquier vacío artificial. Puede o no ajustarse a la definición de alto vacío mencionada anteriormente, dependiendo de la región del espacio y los cuerpos celestes que se consideren. Por ejemplo, el campo magnético interplanetario es menor que el tamaño del Sistema Solar, pero mayor que el de los planetas y lunas pequeños. En consecuencia, los vientos solares presentan un flujo continuo a escala del Sistema Solar, pero deben considerarse un bombardeo de partículas con respecto a la Tierra y la Luna.
  • El vacío perfecto es un estado ideal sin partículas. No se puede lograr en un laboratorio , aunque puede haber pequeños volúmenes que, por un breve instante, carezcan de partículas de materia. Incluso si se eliminaran todas las partículas de materia, seguirían existiendo fotones , así como energía oscura , partículas virtuales y otros aspectos del vacío cuántico .

Medición relativa frente a medición absoluta

El vacío se mide en unidades de presión , generalmente como una resta de la presión atmosférica ambiente en la Tierra. Sin embargo, la cantidad de vacío relativo medible varía según las condiciones locales. En la superficie de Venus , donde la presión atmosférica a nivel del suelo es mucho mayor que en la Tierra, serían posibles lecturas de vacío relativo mucho mayores. En la superficie de la Luna, prácticamente sin atmósfera, sería extremadamente difícil crear un vacío medible en relación con el entorno local.

De manera similar, en las profundidades del océano terrestre son posibles lecturas de vacío relativo mucho mayores de lo normal. Un submarino que mantiene una presión interna de 1 atmósfera sumergido a una profundidad de 10 atmósferas (98 metros; una columna de agua de mar de 9,8 metros tiene un peso equivalente a 1 atm) es, en efecto, una cámara de vacío que impide la entrada de las aplastantes presiones del agua exterior, aunque la presión de 1  atm dentro del submarino normalmente no se consideraría un vacío.

Por lo tanto, para comprender adecuadamente las siguientes explicaciones sobre la medición del vacío, es importante que el lector asuma que las mediciones relativas se realizan en la Tierra, a nivel del mar y a una presión atmosférica ambiente exacta de 1 atmósfera.

Mediciones relativas a 1  atm

Un manómetro McLeod de vidrio, vacío de mercurio.

La unidad de presión del SI es el pascal (símbolo Pa), pero el vacío se suele medir en torrs , unidad que recibe su nombre del físico italiano Torricelli (1608-1647). Un torr equivale al desplazamiento de un milímetro de mercurio ( mmHg ) en un manómetro , y 1  torr equivale a 133,3223684 pascales por encima de la presión cero absoluta. El vacío también se suele medir en la escala barométrica o como porcentaje de la presión atmosférica en bares o atmósferas . El vacío bajo se suele medir 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 manómetros de bajo vacío que leen, por ejemplo, 50,79  Torr. Muchos manómetros de bajo vacío económicos tienen un margen de error y pueden indicar un vacío de 0  Torr, pero en la práctica esto generalmente requiere una bomba de vacío rotativa de paletas de dos etapas u otro tipo de bomba de vacío de presión media para alcanzar valores mucho menores (inferiores a) 1  Torr.

Instrumentos de medición

Se utilizan muchos dispositivos para medir la presión en el vacío, dependiendo del rango de vacío que se necesite. [ 39 ]

Los manómetros hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio ) consisten en una columna vertical de líquido dentro de un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna asciende o desciende hasta que su peso se equilibra con la diferencia de presión entre ambos extremos del tubo. El diseño más sencillo consiste en un tubo en forma de U con un extremo cerrado, conectado a la zona de interés. Se puede utilizar cualquier fluido, pero se prefiere el mercurio por su alta densidad y baja presión de vapor. Los manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde 1  torr (100  Pa) hasta presiones superiores a la atmosférica. Una variante importante es el manómetro de McLeod , que aísla un volumen conocido de vacío y lo comprime para multiplicar la variación de altura de la columna de líquido. El manómetro de McLeod puede medir vacíos de hasta 10⁻⁶ torr  (0,1  mPa), la medición directa de presión más baja posible con la tecnología actual. Otros manómetros de vacío pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente, mediante la medición de otras propiedades controladas por la presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse mediante una medición directa, generalmente con un medidor McLeod. [ 40 ]

El kenotómetro es un tipo particular de manómetro hidrostático, que se utiliza habitualmente en centrales eléctricas con turbinas de vapor. El kenotómetro mide el vacío en el espacio de vapor del condensador, es decir, en el escape de la última etapa de la turbina. [ 41 ]

Los manómetros mecánicos o elásticos se basan en un tubo Bourdon, un diafragma o una cápsula, generalmente de metal, que cambia de forma en respuesta a la presión de la región en cuestión. Una variante de este sistema es el manómetro de capacitancia , en el que el diafragma forma parte de un condensador. Un cambio de presión provoca la flexión del diafragma, lo que resulta en un cambio de capacitancia. Estos manómetros son eficaces desde 10³ torr  hasta 10⁻⁴ torr  , e incluso más allá.

Los manómetros de conductividad térmica se basan en el hecho de que la capacidad de un gas para conducir el calor disminuye con la presión. En este tipo de manómetro, un filamento de alambre se calienta al hacer pasar corriente eléctrica a través de él. Posteriormente, se puede utilizar un termopar o un detector de temperatura por resistencia (RTD) para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor al gas circundante y, por lo tanto, de la conductividad térmica. Una variante común es el manómetro de Pirani , que utiliza un único filamento de platino como elemento calefactor y RTD. Estos manómetros tienen una precisión de 10  torr a 10⁻³ torr  , pero son sensibles a la composición química de los gases que se miden.

Los manómetros de ionización se utilizan en vacío ultraalto. Existen dos tipos: de cátodo caliente y de cátodo frío. En la versión de cátodo caliente, un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Estos electrones viajan a través del manómetro e ionizan las moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende del número de iones, que a su vez depende de la presión en el manómetro. Los manómetros de cátodo caliente tienen una precisión de 10⁻³ torr  a 10⁻¹⁰ torr . El principio de funcionamiento de la versión de cátodo frío es el mismo, con la diferencia de que los electrones se producen en una descarga generada por una descarga eléctrica de alto voltaje. Los manómetros de cátodo frío tienen una precisión de 10⁻² torr  a 10⁻⁹ torr  . La calibración de los manómetros 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 superficiales. Su calibración puede invalidarse por activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases en alto vacío suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa. [ 42 ]

Usos

Las bombillas contienen un vacío parcial, generalmente rellenado con argón , que protege el filamento de tungsteno.

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 la soldadura por haz de electrones , la soldadura en frío , el envasado al vacío y la fritura al vacío . El ultra alto vacío se utiliza en el estudio de sustratos atómicamente limpios, ya que solo un vacío muy bueno preserva superficies limpias a escala atómica durante un tiempo razonablemente prolongado (del orden de minutos a días). El alto a ultra alto vacío 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 los termos . 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 de adhesivos , la destilación , la metalurgia y la purga de procesos. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posibles los microscopios electrónicos y los tubos de vacío , incluidos los tubos de rayos catódicos . Los interruptores de vacío se utilizan en los cuadros eléctricos. Los procesos de arco de vacío son importantes industrialmente 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 mediante volantes de inercia y ultracentrífugas .

Esta bomba para pozos poco profundos reduce la presión atmosférica dentro de la cámara de bombeo. La presión atmosférica se extiende hacia el fondo del pozo y fuerza el agua a subir por la tubería hasta la bomba para compensar la presión reducida. Las cámaras de bombeo en superficie solo son efectivas hasta una profundidad aproximada de 9 metros debido a que el peso de la columna de agua equilibra la presión atmosférica.

Máquinas accionadas por vacío

El vacío se utiliza comúnmente para generar succión , lo que tiene una variedad aún mayor de aplicaciones. La máquina de vapor de Newcomen utilizaba el vacío en lugar de la presión para accionar un pistón. En el siglo XIX, el vacío se utilizaba para la tracción en el ferrocarril atmosférico experimental de Isambard Kingdom Brunel . Los frenos de vacío se utilizaron ampliamente en los trenes del Reino Unido, pero, salvo en los ferrocarriles históricos , han sido reemplazados por frenos de aire .

El vacío del colector se puede utilizar para accionar accesorios en automóviles . La aplicación más conocida es el servomotor de vacío , utilizado para proporcionar asistencia de potencia a los frenos . Las aplicaciones obsoletas incluyen limpiaparabrisas accionados por vacío y bombas de combustible Autovac . Algunos instrumentos de aeronaves ( Indicador de Actitud (AI) e Indicador de Rumbo (HI) ) suelen estar alimentados por vacío, como protección contra la pérdida de todos los instrumentos (alimentados eléctricamente), ya que las primeras aeronaves a menudo no tenían sistemas eléctricos, y ya que hay dos fuentes de vacío fácilmente disponibles en una aeronave en movimiento, el motor y un venturi externo. La fusión por inducción al vacío utiliza inducción electromagnética dentro de un vacío.

Mantener el vacío en el condensador es fundamental para el funcionamiento eficiente de las turbinas de vapor . Para ello, se utiliza un eyector de vapor o una bomba de vacío de anillo líquido . El vacío típico que se mantiene en el espacio de vapor del condensador a la salida de la turbina (también llamado contrapresión del condensador) oscila entre 5 y 15 kPa (absolutos), dependiendo del tipo de condensador y de las condiciones ambientales.

Desgasificación

La evaporación y sublimación en el vacío se denomina desgasificación . Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor , y su desgasificación cobra importancia cuando la presión del vacío cae por debajo de esta presión de vapor. La desgasificación tiene el mismo efecto que una fuga y limita el vacío alcanzable. Los productos de la desgasificación pueden condensarse en superficies frías cercanas, lo que puede resultar problemático si obstruyen instrumentos ópticos o reaccionan con otros materiales. Esto es de gran importancia para las misiones espaciales, donde un telescopio o una célula solar obstruidos pueden arruinar una misión costosa.

El producto de desgasificación más frecuente en los sistemas de vacío es el agua absorbida por los materiales de la cámara. Esta puede reducirse desecando o calentando la cámara y eliminando los materiales absorbentes. El agua desgasificada puede condensarse en el aceite de las bombas de paletas rotativas y reducir drásticamente su velocidad neta si no se utiliza 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 suelen someterse a un proceso de horneado, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales que desprenden gases y evaporarlos. Una vez que la mayor parte de estos materiales se han evaporado y evacuado, el sistema puede enfriarse para reducir la presión de vapor y minimizar la desgasificación residual durante su funcionamiento. Algunos sistemas se enfrían a temperaturas muy inferiores a la ambiente mediante nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, simultáneamente, criobombear el sistema.

Bombeo y presión atmosférica

En los pozos profundos, la cámara de bombeo se encuentra en el fondo, cerca de la superficie del agua o sumergida. Una varilla de succión se extiende desde la manivela por el centro del tubo hasta el fondo del pozo para accionar el émbolo. La manivela de la bomba actúa como un contrapeso que compensa tanto el peso de la varilla de succión como el de la columna de agua que se apoya sobre el émbolo superior hasta el nivel del suelo.

Los fluidos generalmente no se pueden aspirar, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión . La succión puede expandir y diluir un vacío al permitir que una mayor presión empuje los fluidos hacia él, pero primero debe crearse el vacío antes de que pueda producirse la succión. La forma más sencilla de crear un vacío artificial es expandir el volumen de un recipiente. Por ejemplo, el músculo diafragma expande la cavidad torácica, lo que provoca un aumento del volumen de los pulmones. Esta expansión reduce la presión y crea un vacío parcial, que pronto se llena con aire impulsado por la presión atmosférica.

Para evacuar una cámara indefinidamente sin necesidad de un crecimiento infinito, se puede cerrar, vaciar y expandir repetidamente un compartimento del vacío. Este es el principio de funcionamiento 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, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es impulsado hacia la pequeña cavidad de la bomba. A continuación, la cavidad se sella, se abre a la atmósfera y se comprime hasta un tamaño minúsculo.

Vista en sección transversal de una bomba turbomolecular , una bomba de transferencia de momento utilizada para lograr alto vacío.

La explicación anterior es solo una introducción al bombeo de vacío y no representa la gama completa de bombas en uso. Se han desarrollado muchas variantes de la bomba de desplazamiento positivo, y muchos otros diseños de bombas se basan en principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia de momento , que presentan algunas similitudes con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden lograr vacíos de mucha mayor calidad que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de atrapamiento pueden capturar gases en 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. Todas comparten la dificultad de bombear gases de bajo peso molecular, especialmente hidrógeno , helio y neón .

La presión mínima que se puede alcanzar en un sistema depende de muchos factores además de la naturaleza de las bombas. Se pueden conectar varias bombas en serie, denominadas etapas, para lograr mayores vacíos. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de evacuación influyen en el resultado. En conjunto, todo esto se conoce como técnica de vacío . En ocasiones, la presión final no es la única característica relevante. Los sistemas de bombeo difieren en cuanto a la contaminación por aceite, la vibración, el bombeo preferencial de ciertos gases, las velocidades de evacuación, el ciclo de trabajo intermitente, la fiabilidad o la tolerancia a altas tasas de fuga.

En sistemas de ultra alto vacío , es necesario considerar algunas vías de fuga y fuentes de desgasificación muy particulares. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente de desgasificación inaceptable, e incluso la adsorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio debe tenerse en cuenta. Algunos aceites y grasas se evaporan en vacíos extremos. Puede ser necesario considerar la permeabilidad de las paredes metálicas de la cámara, y la dirección del grano de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida.

Las presiones más bajas que actualmente se pueden alcanzar en el laboratorio son de aproximadamente 1 × 10 −13 torrs (13 pPa) . [ 43 ] Sin embargo, se han medido indirectamente presiones tan bajas como 5 × 10 −17 torrs (6,7 fPa) en un sistema de vacío criogénico de 4 K (−269,15 °C; −452,47 °F) . [ 4 ] Esto corresponde a ≈100 partículas/cm 3 .     

Efectos en humanos y animales

Esta pintura, Un experimento con un pájaro en una bomba de aire, de Joseph Wright de Derby , 1768, representa un experimento realizado por Robert Boyle en 1660.

Los humanos y los animales expuestos al vacío perderán el conocimiento después de unos segundos y morirán de hipoxia en minutos, pero los síntomas no son tan gráficos como se suelen representar en los medios y la cultura popular. La reducción de la presión disminuye 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 se mantenga por encima de la temperatura corporal interna de 37 °C. [ 44 ] Aunque la sangre no hierva, la formación de burbujas de gas en los fluidos corporales a presiones reducidas, conocida como ebullición , sigue siendo una preocupación. El gas puede hinchar el cuerpo hasta el doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. [ 45 ] La hinchazón y la ebullición pueden ser controladas mediante el uso de un traje de presión . Los astronautas del transbordador espacial usaron una prenda elástica ajustada llamada Traje de Protección de Altitud de la Tripulación (CAPS, por sus siglas en inglés) que previene la ebullición a presiones tan bajas como 2  kPa (15  Torr). [ 46 ] 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 reanimación nunca ha tenido éxito. [ 47 ] Un estudio de la NASA en ocho chimpancés encontró que todos ellos sobrevivieron a exposiciones de dos minutos y medio al vacío. [ 48 ] Solo hay una cantidad limitada de datos disponibles de accidentes humanos, pero es consistente con los datos en animales. Las extremidades pueden estar expuestas por mucho más tiempo si la respiración no está afectada. [ 49 ] Robert Boyle fue el primero en demostrar en 1660 que el vacío es letal para los animales pequeños.

Un experimento indica que las plantas pueden sobrevivir en un entorno de baja presión (1,5  kPa) durante unos 30 minutos. [ 50 ] [ 51 ]

Las atmósferas frías o ricas en oxígeno pueden sustentar la vida a presiones mucho más bajas que la atmosférica, siempre que la densidad del oxígeno sea similar a la de la atmósfera estándar a nivel del mar. Las temperaturas del aire más frías que se encuentran a altitudes de hasta 3  km generalmente compensan las presiones más bajas en esas zonas. [ 49 ] Por encima de esta altitud, el enriquecimiento de oxígeno es necesario para prevenir el mal de altura en personas que no se han sometido a una aclimatación previa , y los trajes espaciales son necesarios para prevenir la ebullición por encima de los 19  km. [ 49 ] La mayoría de los trajes espaciales utilizan solo 20  kPa (150  Torr) de oxígeno puro. Esta presión es lo suficientemente alta como para prevenir la ebullición, pero la enfermedad por descompresión y las embolias gaseosas aún pueden ocurrir si no se controlan 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 delicados alvéolos pulmonares . [ 49 ] Los tímpanos y los senos paranasales pueden romperse por la descompresión rápida, los tejidos blandos pueden sufrir hematomas y supurar sangre, y el estrés del shock acelerará el consumo de oxígeno, lo que provocará hipoxia. [ 52 ] Las lesiones causadas por la descompresión rápida se denominan barotrauma . Una caída de presión de 13 kPa (100 Torr), que no produce síntomas si es gradual, puede ser fatal si ocurre repentinamente. [ 49 ]  

Algunos microorganismos extremófilos , como los tardígrados , pueden sobrevivir en condiciones de vacío durante períodos de días o semanas. [ 53 ]

Ejemplos

Véase también

Referencias

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