Aspiradora

Un vacío es un espacio desprovisto de materia. La palabra se deriva del adjetivo latino vacuus para "vacante" o "inválido". Una aproximación a tal vacío es una región con una presión gaseosa mucho menor que la presión atmosférica. Los físicos a menudo discuten los resultados de las pruebas ideales que ocurrirían en un vacío perfecto, al que a veces simplemente llaman "vacío" o espacio libre, y use 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, el vacío se refiere a cualquier espacio en el que la presión es considerablemente más baja que 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 acerca a un vacío perfecto. En igualdad de condiciones, una presión de gas más baja significa un vacío de mayor calidad. Por ejemplo, una aspiradora típica produce suficiente succión para reducir la presión del aire en un 20 % aproximadamente. Pero las aspiradoras de mayor calidad son posibles. Las cámaras de ultra alto vacío, comunes en química, física e ingeniería, funcionan por debajo de una billonésima (10⁻¹²) de presión atmosférica (100 nPa) y pueden alcanzar alrededor de 100 partículas/cm ³. 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.

El vacío ha sido un tema frecuente de debate filosófico desde la antigüedad griega, pero no se estudió empíricamente hasta el siglo XVII. Evangelista Torricelli produjo el primer vacío de laboratorio en 1643 y se desarrollaron otras técnicas experimentales como resultado de sus teorías de la presión atmosférica. Se crea un vacío torriceliano llenando con mercurio un recipiente alto de vidrio cerrado por un extremo y luego invirtiéndolo en un recipiente para contener el mercurio (ver más abajo).

El vacío se convirtió en una valiosa herramienta industrial en el siglo XX con la introducción de bombillas incandescentes y tubos de vacío, y desde entonces ha estado disponible una amplia gama de tecnologías de vacío. El desarrollo de los vuelos espaciales tripulados ha despertado 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 de neutro de vacuus, que significa "vacío" 34;, relacionado con vacare, que significa "estar vacío".

Vacío es una de las pocas palabras en inglés que contiene dos vocales consecutivas u.

Comprensión histórica

Históricamente, ha habido mucha disputa sobre si puede existir algo 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 características se enfrentaba 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 se correspondía y, por definición, era literalmente nada en absoluto, que no se puede decir con razón que exista. Aristóteles creía que ningún vacío podía ocurrir naturalmente, 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 ofrecía impedimento podría continuar ad infinitum, allí no siendo razón que algo vendría a posarse en algún lugar en particular. Lucrecio defendió la existencia del vacío en el siglo I a. C. y Héroe de Alejandría intentó sin éxito crear un vacío artificial en el siglo I d.

En el mundo musulmán medieval, el físico y erudito islámico Al-Farabi escribió un tratado rechazando la existencia del vacío en el siglo X. Llegó a la conclusión de que el volumen de aire puede expandirse para llenar el espacio disponible y, por lo tanto, el concepto de un vacío perfecto era incoherente. Según Nader El-Bizri, el físico Ibn al-Haytham y los teólogos Mutazili no estaban de acuerdo con Aristóteles y Al-Farabi, y apoyaban la existencia de un vacío. Utilizando la geometría, Ibn al-Haytham demostró matemáticamente que el lugar (al-makan) es el vacío tridimensional imaginado entre las superficies internas de un cuerpo contenedor. Según Ahmad Dallal, Abū Rayhān al-Bīrūnī también afirma que "no hay evidencia observable que descarte la posibilidad del vacío". La bomba de succión fue descrita por el ingeniero árabe Al-Jazari en el siglo XIII, y apareció posteriormente en Europa a partir del siglo XV.

Académicos europeos como Roger Bacon, Blasius de Parma y Walter Burley en los siglos XIII y XIV centraron su atención en cuestiones relacionadas con el concepto de vacío. Eventualmente, siguiendo a la física estoica en este caso, los eruditos desde el siglo XIV en adelante se apartaron cada vez más de la perspectiva aristotélica en favor de un vacío sobrenatural más allá de los confines del cosmos mismo, una conclusión ampliamente reconocida por el siglo XVII, que ayudó a segregar lo natural y lo teológico. preocupaciones.

Casi dos mil años después de Platón, René Descartes también propuso una teoría alternativa del atomismo con base geométrica, sin la problemática dicotomía nada-todo 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 vendría a definir la noción filosóficamente moderna del espacio vacío como un espacio cuantificado. extensión de volumen. Sin embargo, según la definición antigua, la información direccional y la magnitud eran conceptualmente distintas.

Los experimentos mentales medievales sobre la idea de un vacío consideraban si había un vacío presente, 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 cuando las placas se separaron o, como postuló Walter Burley, si un 'agente celestial' impidió que se produjera el vacío. La opinión común de que la naturaleza aborrecía el vacío se denominó horror vacui. Incluso se especuló que incluso Dios no podría crear un vacío si quisiera y las condenas de París de 1277 del obispo Etienne Tempier, que requerían que no hubiera restricciones en los poderes de Dios, llevaron a la conclusión de que Dios podría crear un vacío si él quería. tan deseado Jean Buridan informó en el siglo XIV que las yuntas de diez caballos no podían abrir los fuelles cuando se sellaba el puerto.

El siglo XVII vio los primeros intentos de cuantificar las medidas de vacío parcial. 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 y llevó a cabo su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo, demostrando que, debido a la presión atmosférica fuera de los hemisferios, las yuntas 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 bombas de vacío. A partir de entonces, la investigación sobre el vacío parcial caducó hasta 1850 cuando August Toepler inventó la bomba 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). Una serie de propiedades eléctricas se vuelven observables en este nivel de vacío, lo que renovó el interés en futuras investigaciones.

Si bien el espacio exterior proporciona el ejemplo más enrarecido de un vacío parcial natural, originalmente se pensó que los cielos estaban completamente llenos de un material rígido e indestructible llamado éter. Tomando algo del pneuma de la física estoica, el éter llegó a ser considerado como el aire enrarecido del que tomó su nombre (ver Éter (mitología)). Las primeras teorías de la luz postularon un medio terrestre y celestial ubicuo 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. 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 se pudo detectar. En 1912, el astrónomo Henry Pickering comentó: "Si bien el medio de absorción interestelar puede ser simplemente el éter, es característico de un gas, y las moléculas gaseosas libres ciertamente están 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, 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. Esto tiene consecuencias de largo alcance en el "vacío" de espacio entre partículas. A finales del siglo XX se confirmaron las llamadas partículas virtuales que surgen espontáneamente del espacio vacío.

Teorías clásicas de campos

El criterio más estricto para definir un vacío es una región del espacio y el tiempo donde todos los componentes del tensor tensión-energía son cero. Esto significa que esta región está desprovista de energía y cantidad de movimiento y, en consecuencia, debe estar vacía de partículas y otros campos físicos (como el electromagnetismo) que contienen energía y cantidad de movimiento.

Gravedad

En relatividad general, un tensor de tensión-energía que se desvanece implica, a través de las ecuaciones de campo de Einstein, el desvanecimiento de todos los componentes del tensor de Ricci. El vacío no significa que la curvatura del espacio-tiempo sea necesariamente plana: el campo gravitacional 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'. con vacío, pero aún mostrando 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 electromagnetismo. efectos Algunos autores se refieren a este medio de referencia como vacío clásico, una terminología destinada a separar este concepto del vacío QED o el vacío QCD, donde las fluctuaciones del vacío pueden producir densidades de partículas virtuales transitorias y una permitividad relativa y una permeabilidad relativa que son no idénticamente unidad.

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

• La radiación electromagnética viaja, sin obstáculos, a la velocidad de la luz, el valor definido 299,792,458 m/s en unidades SI.
• El principio de la superposición es siempre exactamente cierto. Por ejemplo, el potencial eléctrico generado por dos cargas es la simple adición de los potenciales generados por cada carga en aislamiento. El valor del campo eléctrico en cualquier punto alrededor de estos dos cargos se encuentra calculando la suma vectorial de los dos campos eléctricos de cada uno de los cargos actuando solo.
• La permitibilidad y permeabilidad son exactamente la constante eléctrica ε0 y constante magnética μ0, respectivamente (en unidades SI), o exactamente 1 (en unidades Gausian).
• La impedancia característica (.) equivale a la impedancia del espacio libre Z₀ Ω 376.73.

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

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

Mecánica cuántica

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 conoce como '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 sin fotones. Como se describió anteriormente, este estado es imposible de lograr experimentalmente. (Incluso si cada partícula de materia pudiera eliminarse de alguna manera de un volumen, sería imposible eliminar todos los fotones de cuerpo negro). No obstante, proporciona un buen modelo para el vacío realizable y está de acuerdo con una serie de observaciones experimentales que se describen a continuación.

El vacío QED tiene propiedades interesantes y complejas. En el vacío QED, los campos eléctricos y magnéticos tienen valores medios cero, pero sus variaciones no son cero. Como resultado, el vacío QED contiene fluctuaciones de vacío (partículas virtuales que saltan dentro y fuera de la existencia) y una energía finita llamada energía de vacío. Las fluctuaciones del vacío son una parte esencial y omnipresente de la teoría cuántica de campos. Algunos efectos verificados experimentalmente de las fluctuaciones del vacío incluyen la emisión espontánea y el cambio de Lamb. Se modifica la ley de Coulomb y el potencial eléctrico en el vacío cerca de una carga eléctrica.

Teóricamente, en QCD pueden coexistir varios estados de vacío. Se cree que el comienzo y el final de la inflación cosmológica surgieron de transiciones entre diferentes estados de vacío. Para teorías obtenidas por cuantización de una teoría clásica, cada punto estacionario de la energía en el espacio de configuración da lugar a un solo vacío. Se cree que la teoría de cuerdas tiene una gran cantidad de vacíos, el llamado paisaje de la teoría de cuerdas.

Espacio exterior

El espacio exterior tiene una densidad y una 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.

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, la línea de Kármán, que es una definición común del límite con el espacio exterior. Más allá de esta línea, la presión del gas isotrópico rápidamente se vuelve 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 utilizar la densidad numérica para describir estos entornos, en unidades de partículas por centímetro cúbico.

Pero aunque cumple con la definición de espacio exterior, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea de 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 dos semanas o algunas veces al año (dependiendo de la actividad solar). La resistencia aquí es lo suficientemente baja como para que teóricamente podría ser superada 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 son erosionadas por los vientos solares.

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

Medición

La calidad de una aspiradora se indica por la cantidad de materia que queda en el sistema, por lo que una aspiradora de alta calidad es aquella en la que queda muy poca materia. El vacío se mide principalmente por su presión absoluta, pero una caracterización completa requiere parámetros adicionales, 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 media que recorrerán las moléculas 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 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. La MFP del aire a presión atmosférica es muy corta, 70 nm, pero a 100 mPa (≈10^{− 3} Torr), el MFP del aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 100 mm, que es del orden de los objetos cotidianos, como los tubos de vacío. El radiómetro de Crookes gira cuando el MFP es más grande que el tamaño de las paletas.

La calidad del vacío se subdivide en rangos según la tecnología requerida para lograrla o medirla. Estos rangos se definieron en ISO 3529-1:2019 como se muestra en la siguiente tabla (100 Pa corresponde a 0,75 Torr; Torr no es una unidad SI):

Rango de presión	Definición	El razonamiento de la definición de los rangos es el siguiente (circunstancias jurídicas):
Presión atmosférica prevaleciente (31 kPa a 110 kPa) a 100 Pa	vacío bajo (abierta)	La presión se puede lograr con materiales simples (por ejemplo, acero regular) y bombas de vacío de desplazamiento positivo; régimen de flujo viscoso para gases
1 Pa a 0.1 Pa	vacío medio (fina)	La presión se puede lograr mediante materiales elaborados (por ejemplo, acero inoxidable) y bombas de vacío de desplazamiento positivo; régimen de flujo de transición para gases
0.1 Pa a 1×10−6Pa	alto vacío (VH)	La presión se puede lograr mediante materiales elaborados (por ejemplo, acero inoxidable), sellados elastómeros y bombas de alto vacío; régimen de flujo molecular para gases
.1×10−6Pa a 1×10−9Pa	vacío ultra-alto (UHV)	La presión se puede lograr mediante materiales elaborados (por ejemplo, acero inoxidable de bajo carbono), sellados metálicos, preparaciones especiales de superficie y limpieza, bombas de panadería y vacío elevado; régimen de flujo molecular para gases
infra 1×10−9Pa	vacío extremo alto (XHV)	La presión se puede lograr mediante materiales sofisticados (por ejemplo, acero inoxidable de baja emisión de carbono, aluminio, cobre-berilio, titanio), sellados metálicos, preparaciones especiales de superficie y limpieza, extracción de panaderías y bombas adicionales; régimen de flujo molecular para gases

• Presión atmosférica es variable pero estandarizado en 101.325 kPa (760 Torr).
• Espacio profundo es generalmente mucho más vacío que cualquier vacío artificial. Puede o no cumplir la definición de alto vacío arriba, dependiendo de la región del espacio y de los cuerpos astronómicos están siendo considerados. Por ejemplo, el MFP del espacio interplanetario es más pequeño que el tamaño del Sistema Solar, pero más grande que pequeños planetas y lunas. Como resultado, los vientos solares exhiben flujo continuo en la escala del Sistema Solar, pero debe considerarse un bombardeo de partículas con respecto a la Tierra y la Luna.
• Vacuno perfecto es un estado ideal de no partículas en absoluto. No se puede lograr en un laboratorio, aunque puede haber pequeños volúmenes que, por un breve momento, no tienen partículas de materia en ellos. Incluso si se eliminaran todas las partículas de materia, todavía habría fotones y gravitones, así como energía oscura, partículas virtuales y otros aspectos del vacío cuántico.

Medición 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 medible relativo varía según las condiciones locales. En la superficie de Venus, donde la presión atmosférica a nivel del suelo es mucho más alta que en la Tierra, serían posibles lecturas de vacío relativo mucho más altas. En la superficie de la luna, casi sin atmósfera, sería extremadamente difícil crear un vacío medible en relación con el entorno local.

Del mismo modo, es posible obtener lecturas de vacío relativo mucho más altas de lo normal en las profundidades del océano de la Tierra. 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 el peso equivalente a 1 atm) es efectivamente una cámara de vacío que evita las presiones aplastantes del agua exterior, aunque la 1 atm dentro del submarino normalmente no se consideraría un vacío.

Por lo tanto, para comprender correctamente las siguientes discusiones sobre la medición del vacío, es importante que el lector asuma que las mediciones relativas se realizan en la Tierra al nivel del mar, exactamente a 1 atmósfera de presión atmosférica ambiental.

Medidas relativas a 1 atm

La unidad SI de presión es el pascal (símbolo Pa), pero el vacío a menudo se mide en torrs, llamado así por el físico italiano Torricelli (1608–1647). Un torr es igual al desplazamiento de un milímetro de mercurio (mmHg) en un manómetro con 1 torr equivalente a 133,3223684 pascales por encima del cero absoluto de presión. El vacío a menudo también se mide en la escala barométrica o como un porcentaje de la presión atmosférica en bares o atmósferas. El vacío bajo a menudo se mide en milímetros de mercurio (mmHg) o pascales (Pa) por debajo de la presión atmosférica estándar. "Por debajo de la atmósfera" significa que la presión absoluta es igual a la presión atmosférica actual.

En otras palabras, la mayoría de los indicadores de vacío bajos que indican, por ejemplo, 50,79 torr. Muchos manómetros económicos 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 rotativa de dos etapas u otro tipo medio de bomba de vacío para ir mucho más allá (menos de) 1 torr.

Instrumentos de medición

Se utilizan muchos dispositivos para medir la presión en el vacío, según el rango de vacío que se necesite.

Los manómetros

hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio) consisten en una columna vertical de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará hasta que su peso esté en equilibrio con el diferencial de presión entre los dos extremos del tubo. El diseño más simple es un tubo en forma de U de extremo 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 manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde 1 torr (100 Pa) hasta por encima de la presión atmosférica. Una variación importante es el manómetro McLeod que aísla un volumen conocido de vacío y lo comprime para multiplicar la variación de altura de la columna de líquido. El manómetro McLeod puede medir vacíos de hasta 10⁻⁶ torr (0,1 mPa), que es la medida de presión directa más baja 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 indicador hidrostático, que normalmente se usa en plantas de energía que usan turbinas de vapor. El kenotómetro mide el vacío en el espacio de vapor del condensador, es decir, el escape de la última etapa de la turbina.

Los manómetros

mecánicos o elásticos dependen de un tubo, diafragma o cápsula de Bourdon, generalmente de metal, que cambiará de forma en respuesta a la presión de la región en la que se encuentra. pregunta. Una variación de esta idea es el manómetro de capacitancia, en el que el diafragma forma parte de un capacitor. Un cambio en la presión conduce a la flexión del diafragma, lo que resulta en un cambio en la capacitancia. Estos indicadores son efectivos desde 10³ torr hasta 10⁻⁴ torr y más.

Los medidores 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 calibre, un filamento de alambre se calienta haciendo pasar corriente a través de él. Luego se puede usar un termopar o un detector de temperatura de 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 calibre Pirani que utiliza un solo filamento de platino como elemento calentado y RTD. Estos medidores tienen una precisión de 10 torr a 10⁻³ torr, pero son sensibles a la composición química de los gases que se miden.

Los

medidores de ionización se utilizan 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 indicador 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 depende de la presión en el manómetro. Los medidores de cátodo caliente tienen una precisión de 10⁻³ torr a 10⁻¹⁰ torr. El principio detrás de la versión de 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 cátodo frío tienen una precisión de 10⁻² torr a 10⁻⁹ torr. La calibración del indicador 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 ser invalidada por activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases en vacíos elevados suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar 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 de luz 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 vacío ultraalto se utiliza en el estudio de sustratos atómicamente limpios, ya que solo un vacío muy bueno conserva superficies limpias a escala atómica durante un tiempo razonablemente largo (del orden de minutos a días). El vacío alto a ultra alto elimina la obstrucción del aire, lo que permite 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 las botellas termo. El vacío profundo reduce el punto de ebullición de los líquidos y promueve la desgasificación a baja temperatura, que se utiliza en el secado por congelación, 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 aparamenta eléctrica. Los procesos de arco al vacío son industrialmente importantes 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 accionadas por vacío

Las aspiradoras se usan comúnmente para producir succión, que tiene una variedad aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor de Newcomen usaba vacío en lugar de presión para impulsar un pistón. En el siglo XIX, se utilizó vacío para la tracción en el ferrocarril atmosférico experimental de Isambard Kingdom Brunel. Los frenos de vacío alguna vez se usaron ampliamente en los trenes en el Reino Unido pero, excepto en los ferrocarriles tradicionales, han sido reemplazados por frenos de aire.

El colector de vacío se puede utilizar para accionar accesorios en automóviles. La aplicación más conocida es el servo de vacío, utilizado para proporcionar asistencia eléctrica a los frenos. Las aplicaciones obsoletas incluyen limpiaparabrisas accionados por vacío y bombas de combustible Autovac. Algunos instrumentos de las aeronaves (el indicador de actitud (AI) y el indicador de rumbo (HI)) normalmente funcionan con vacío, como protección contra la pérdida de todos los instrumentos (alimentados eléctricamente), ya que las primeras aeronaves 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 utiliza la inducción electromagnética dentro del vacío.

Mantener un vacío en el condensador es un aspecto importante del funcionamiento eficiente de las turbinas de vapor. Para ello se utiliza un eyector de chorro de vapor o una bomba de vacío de anillo líquido. El vacío típico que se mantiene 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 (absolutos), según el tipo de condensador y 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 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 limitará 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 o una celda solar oscurecidos 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. Puede reducirse desecando u horneando 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 el lastre de gas. Los sistemas de alto vacío deben estar limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.

Los sistemas de vacío ultraalto generalmente se hornean, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales desgasificados y hervirlos. Una vez que la mayor parte de los materiales desgasificados se evaporan y se evacuan, 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 con nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, al mismo tiempo, criopombear el sistema.

Bombeo y presión de aire ambiente

Por lo general, los fluidos no se pueden extraer, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión. La succión puede extenderse y diluir un vacío al permitir que una presión más alta empuje los fluidos hacia él, pero primero se debe crear el vacío antes de que pueda ocurrir la succión. La forma más fácil de crear un vacío artificial es expandir el volumen de un recipiente. 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 con aire empujado por la presión atmosférica.

Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimiento del vacío se puede cerrar, agotar y expandir nuevamente repetidamente. 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, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) se introduce en la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se vuelve a apretar a un tamaño diminuto.

La explicación anterior es simplemente una simple introducción 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 se basan en principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia de impulso, que guardan algunas similitudes con las bombas dinámicas que se usan 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. Todos comparten la dificultad de 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 vacíos más altos. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de bombeo tendrán un impacto. En conjunto, se denominan técnicas de vacío. Y en ocasiones, la presión final no es la única característica relevante. Los sistemas de bombeo se diferencian en la contaminación del aceite, la vibración, el bombeo preferencial de ciertos gases, las velocidades de bombeo, el ciclo de trabajo intermitente, la confiabilidad o la tolerancia a altas tasas de fuga.

En los sistemas de ultra alto vacío, algunos muy "extraños" Se deben considerar las vías de fuga y las fuentes de desgasificación. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso debe tenerse en cuenta la adsorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio. Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. Es posible que se deba considerar la permeabilidad de las paredes de la cámara metálica, y la dirección de la fibra de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida.

Las presiones más bajas que se pueden alcanzar actualmente en el laboratorio son de aproximadamente 1×10⁻¹³ torrs (13 pPa). Sin embargo, presiones tan bajas como 5×10⁻¹⁷ torrs (6,7 fPa) se han medido indirectamente en un 4 K (− 269,15 °C; −452,47 °F) sistema de vacío criogénico. Esto corresponde a ≈100 partículas/cm³.

Efectos en humanos y animales

Los seres humanos y los animales expuestos al vacío perderán el conocimiento después de unos segundos y morirán de hipoxia en cuestión de minutos, pero los síntomas no son tan gráficos como se describen 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 corporal interna de 37 °C. Aunque la sangre no hierva, la formación de burbujas de gas en los fluidos corporales a presiones reducidas, conocida como ebullición, sigue siendo motivo de preocupación. El gas puede hinchar el cuerpo al doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos para evitar la ruptura. La hinchazón y la efervescencia pueden controlarse mediante la contención en un traje de vuelo. Los astronautas del transbordador llevaban una prenda elástica ajustada llamada Crew Altitude Protection Suit (CAPS) que evita la ebullición 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 prolongadas de todo el cuerpo son fatales y la reanimación nunca ha tenido éxito. Un estudio de la NASA sobre ocho chimpancés descubrió que todos sobrevivieron a dos minutos y medio de exposición al vacío. Solo hay una cantidad limitada de datos disponibles de accidentes humanos, pero es consistente con los datos de animales. Las extremidades pueden estar expuestas durante 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 pueden sobrevivir en un entorno de baja presión (1,5 kPa) durante unos 30 minutos.

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 en altitudes de hasta 3 km generalmente compensan las presiones más bajas allí. Por encima de esta altitud, el enriquecimiento de oxígeno es necesario para prevenir el mal de altura en humanos que no se han aclimatado previamente, y los trajes espaciales son necesarios para prevenir 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 prevenir el ebullismo, 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 propia exposición al vacío. 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 de los pulmones. Los tímpanos y los senos nasales pueden romperse por una descompresión rápida, los tejidos blandos pueden magullarse y sangrar, y el estrés del shock acelerará el consumo de oxígeno y provocará hipoxia. Las lesiones causadas por una 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.

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

Ejemplos

	Presión (Pa o kPa)	Presión (Torr, atm)	Un camino libre	Moleculas por cm3
Ambiente estándar, para comparación	101.325 kPa	760 torrs (1.00 atm)	66 nm	2.5×1019
Huracan intenso	aprox. 87 a 95 kPa	650 a 710
Limpiador de vacío	aproximadamente 80 kPa	600	70 nm	1019
Sagrado de turbina de vapor (Represión condensadora)	9 kPa
bomba de vacío de anillo líquido	aproximadamente 3.2 kPa	24 torrs (0.032 atm)	1.75 μm	1018
Marte atmosfera	1.155 kPa a 0,03 kPa (medio 0,6 kPa)	8.66 a 0,23 torrs (0.01139 a 0.00030 atm)
Secado congelado	100 a 10	1 a 0,1	100 μm a 1 mm	1016 a 1015
Bombilla incandescente	10 a 1	0.1 a 0,01 torrs (0.000132 a 1.3×10; 5 -am)	1 mm a 1 cm	1015 a 1014
Botella Thermos	1 a 0,01	1×10−2 a 1×10−4 tors (1.316×10; 5 - a 1.3×10−7am)	1 cm a 1 m	1014 a 1012
Earth thermosphere	1 Pa a 1×10−7	10−2 a 10−9	1 cm a 100 km	1014 a 107
Tubo vacío	1×10; 5 - a 1×10−8	10−7 a 10−10	1 a 1.000 km	109 a 106
Cámara de MBE agrupada	1×10−7 a 1×10−9	10−9 a 10−11 -	100 a 10.000 km	107 a 105
Presión en la Luna	aproximadamente 1×10−9	10−11 -	10.000 km	4×105
Espacio interplanetario				11
Espacio interestelar				1
Espacio intergaláctico				10−6