Vacío
Espacio que está vacío de materia.
Bomba de vacío y campana de cristal para experimentos de vacío, utilizadas en la enseñanza de las ciencias a principios del siglo XX, en exposición en el Schulhistorische Sammlung ('Museo Histórico Escolar'), Bremerhaven , Alemania

Un vacío ( pl.: vacíos o vacua ) es un espacio desprovisto de materia . La palabra se deriva del adjetivo latino vacuus ( vacío neutro ) 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 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 podría tener 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 menor que la presión atmosférica. [2] 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 lo cerca que está de alcanzar 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 alrededor de un 20 %. [3] Pero es posible lograr vacíos de mayor calidad. Las cámaras de ultra alto vacío , comunes en química, física e ingeniería, funcionan por debajo de una billonésima (10 −12 ) de la presión atmosférica (100 nPa), y pueden alcanzar alrededor de 100 partículas/cm 3 . [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 época de la antigua Grecia , pero no se estudió empíricamente hasta el siglo XVII. Clemens Timpler (1605) filosofó sobre la posibilidad experimental de producir un vacío en pequeños tubos. [6] 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. 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 (ver 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 puesto a disposición 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 viene del latín  'espacio vacío, vacío', uso sustantivo del neutro 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 si puede existir algo así como el vacío. Los filósofos griegos antiguos debatieron la existencia del vacío, o vacío, en el contexto del atomismo , que postulaba el vacío y el átomo como los 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, después de Platón , incluso el concepto abstracto de un vacío sin rasgos distintivos se enfrentó a un escepticismo considerable: 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 proporcional y, por definición, era literalmente nada en absoluto, por lo que no se puede decir 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 impedimentos podría continuar ad infinitum , sin que hubiera ninguna 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 rechazando la existencia del vacío en el siglo X. [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 luego apareció en Europa a partir del siglo XV. [13] [14]

Los eruditos europeos como Roger Bacon , Blasius de Parma y Walter Burley en los siglos XIII y XIV centraron una atención considerable en cuestiones relacionadas con el concepto de vacío. La opinión generalizada de que la naturaleza aborrecía el vacío se llamaba horror vacui . Incluso hubo especulaciones de que incluso Dios no podría crear un vacío si quisiera y las condenas de París de 1277 al 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, cada vez más alejados de la perspectiva aristotélica, los eruditos reconocieron ampliamente que existe un vacío sobrenatural más allá de los confines del cosmos mismo en el siglo XVII. Esta idea, influenciada por la física estoica , ayudó a segregar las preocupaciones naturales y 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 nada-todo entre el vacío y el átomo. Aunque Descartes estaba de acuerdo con la postura contemporánea de que el vacío no existe en la naturaleza, el éxito de su sistema de coordenadas homónimo y, de manera más implícita, el componente espacial-corpóreo de su metafísica llegarían a definir la noción filosóficamente 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. [ cita requerida ]

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

En los experimentos mentales medievales sobre la idea del vacío se consideró si el vacío estaba presente, aunque fuera por un instante, entre dos placas planas cuando se separaban rápidamente. [17] Se debatió mucho si el aire se movía con la suficiente rapidez cuando se separaban 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 los equipos de diez caballos no podían 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 .

En el siglo XVII se produjeron los primeros intentos de cuantificar las mediciones del vacío parcial. [18] El barómetro de mercurio de Evangelista Torricelli de 1643 y los experimentos de Blaise Pascal demostraron la existencia de 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, los tiros de caballos no podían separar dos hemisferios de los cuales se había evacuado parcialmente el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y con la ayuda de Robert Hooke siguió desarrollando la tecnología de las bombas de vacío. A partir de entonces, la investigación sobre el vacío parcial se detuvo 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 ). Varias propiedades eléctricas se vuelven observables en este nivel de vacío, lo que renovó el interés en futuras investigaciones.

Aunque el espacio exterior ofrece el ejemplo más enrarecido de un vacío parcial natural, en un principio se pensaba que los cielos estaban perfectamente llenos de 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 postulaban 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. [20] Los experimentos del siglo XIX con este éter luminífero intentaron detectar un pequeño 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, el arrastre es tan minúsculo que no se pudo detectar. En 1912, el astrónomo Henry Pickering comentó: "Si bien el medio absorbente interestelar puede ser simplemente el éter, [es] característico de un gas, y ciertamente hay moléculas gaseosas libres allí". [21] Sin embargo, a partir de entonces, el éter luminífero fue descartado.

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. Estas consecuencias de largo alcance también amenazaron la existencia del "vacío" del espacio entre las partículas.

Teorías clásicas de campos

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

Gravedad

En la relatividad general , la desaparición del tensor de tensión-energía 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 gravitacional 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 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 el espacio libre o el 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 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 no son idénticas a la unidad. [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 relaciones constitutivas en unidades SI: [32]

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

relacionando 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

Un vídeo de un experimento que muestra fluctuaciones de 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 de 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 , denotado como 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 del cuerpo negro ). No obstante, proporciona un buen modelo para el vacío realizable y concuerda con una serie de observaciones experimentales como se describe a continuación.

El vacío QED tiene propiedades interesantes y complejas. En el vacío QED, los campos eléctrico y magnético tienen valores promedio cero, pero sus varianzas no son cero. [33] 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 ubicua de la teoría cuántica de campos. Algunos efectos verificados experimentalmente de las fluctuaciones de vacío 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]

En teoría, en la 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 cuantificación 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

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

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. [5]

Las estrellas, los planetas y las lunas mantienen sus atmósferas por atracción gravitatoria y, como tal, las atmósferas no tienen un límite claramente delineado: la densidad del gas atmosférico simplemente disminuye con la distancia al objeto. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 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 del gas isótropo 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 usar 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 es aún suficiente para producir una resistencia significativa a los satélites . La mayoría de los satélites artificiales operan en esta región llamada órbita baja terrestre y deben encender sus motores cada dos semanas o unas cuantas veces al año (dependiendo de la actividad solar). [37] La ​​resistencia aquí es lo suficientemente baja como para que teóricamente pueda ser superada por la presión de radiación en velas solares , un sistema de propulsión propuesto para viajes interplanetarios . [38]

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

Medición

La calidad de un vacío se indica por la cantidad de materia que queda en el sistema, de modo que un vacío de alta calidad es uno en el 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 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 más largo que la cámara, la bomba, la nave espacial u otros objetos presentes, no se aplican los supuestos continuos de la mecánica de fluidos . Este estado de vacío se llama alto vacío , y el estudio de los flujos de fluidos en este régimen se llama dinámica de partículas de gas. El MFP del aire a presión atmosférica es muy corto, 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 objetos cotidianos como los tubos de vacío . El radiómetro de Crookes gira cuando el MFP es mayor que el tamaño de las paletas.

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

Rango de presiónDefiniciónEl razonamiento para la definición de los rangos es el siguiente (circunstancias típicas):
Presión atmosférica predominante (31 kPa a 110 kPa) a 100 PaVacío bajo (aproximado)La presión se puede lograr con materiales simples (por ejemplo, acero normal) y bombas de vacío de desplazamiento positivo; régimen de flujo viscoso para gases
<100 Pa a 0,1 Pavacío medio (fino)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 a1 × 10 −6  Paalto vacío (HV)La presión se puede lograr mediante materiales elaborados (por ejemplo, acero inoxidable), sellos de elastómero y bombas de alto vacío; régimen de flujo molecular para gases
<1 × 10 −6  Pa a1 × 10 −9  PaUltra alto vacío (UHV)La presión se puede lograr mediante materiales elaborados (por ejemplo, acero inoxidable con bajo contenido de carbono), sellos metálicos, preparaciones especiales de superficies y limpieza, horneado y bombas de alto vacío; régimen de flujo molecular para gases.
abajo 1 × 10 −9  PaVacío extremadamente alto (XHV)La presión se puede lograr mediante materiales sofisticados (por ejemplo, acero inoxidable con bajo contenido de carbono cocido al vacío, aluminio, cobre-berilio, titanio), sellos metálicos, preparaciones especiales de superficies y limpieza, horneado y bombas getter adicionales; régimen de flujo molecular para gases
  • 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 es, en general, mucho más vacío que cualquier vacío artificial. Puede o no cumplir con la definición de alto vacío mencionada anteriormente, dependiendo de qué región del espacio y de qué cuerpos astronómicos se estén considerando. Por ejemplo, la MFP del espacio interplanetario es menor que el tamaño del Sistema Solar, pero mayor que los planetas y lunas pequeños. Como resultado, los vientos solares exhiben un flujo continuo en la 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 en el que no hay partículas en absoluto. No se puede lograr en un laboratorio , aunque puede haber pequeños volúmenes que, por un breve momento, no contengan 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 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 relativo medible 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, donde casi no hay atmósfera, sería extremadamente difícil crear un vacío medible en relación con el entorno local.

De manera similar, en las profundidades oceánicas de la Tierra se pueden alcanzar valores de vacío relativo mucho más altos 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 el peso equivalente a 1 atm) es en realidad una cámara de vacío que mantiene alejadas las aplastantes presiones del agua exterior, aunque la atmósfera 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 asuma que las mediciones relativas se están realizando en la Tierra al nivel del mar, exactamente a 1 atmósfera de presión atmosférica ambiental.

Medidas relativas a 1 atm

Un manómetro McLeod de vidrio, sin mercurio

La unidad de presión del SI 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 , donde 1 torr equivale a 133,3223684 pascales por encima de la presión del cero absoluto. El vacío también se mide a menudo 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 atmosférica" ​​significa que la presión absoluta es igual a la presión atmosférica actual.

En otras palabras, la mayoría de los manómetros de vacío bajo que miden, por ejemplo, 50,79 Torr. Muchos manómetros de vacío bajo económicos tienen un margen de error y pueden informar un vacío de 0 Torr, pero en la práctica esto generalmente requiere una bomba de vacío de paletas rotativas de dos etapas u otro tipo de medio para ir mucho más allá (por debajo de) 1 Torr.

Instrumentos de medida

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 en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará 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 en forma de U con extremos cerrados, un lado del cual está conectado a la región 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 por encima de la 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 medición directa de presión más baja que es 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, normalmente un calibre McLeod. [40]

El kenotómetro es un tipo particular de medidor hidrostático, que se utiliza normalmente en plantas de energía que utilizan 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. [41]

Los manómetros mecánicos o elásticos dependen de un tubo Bourdon, diafragma o 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 capacitor. Un cambio en la presión conduce a la flexión del diafragma, lo que resulta en un cambio en la capacitancia. Estos manómetros son efectivos desde 10 3  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 medidores, se calienta un filamento de alambre al pasar una corriente a través de él. Luego se puede utilizar 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 hacia el gas circundante y, por lo tanto, de la conductividad térmica. Una variante común es el medidor Pirani , que utiliza un solo filamento de platino como elemento calefactor y RTD. Estos medidores tienen una precisión de entre 10 torr y 10 −3  torr, pero son sensibles a la composición química de los gases que se miden.

Los medidores de ionización se utilizan en condiciones de 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. Los electrones viajan a través del medidor e ionizan las moléculas de gas que los rodean. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende de la cantidad de iones, que a su vez depende de la presión en el medidor. Los medidores de cátodo caliente tienen una precisión de entre 10 −3  torr y 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 entre 10 −2  torr y 10 −9  torr. La calibración de los medidores 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 altos vacíos suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para obtener una medición precisa. [42]

Usos

Las bombillas contienen un vacío parcial, normalmente 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 vacío ultra alto 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 térmicas . 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 posible la creación de microscopios electrónicos y 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 a nivel 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 mediante volante de inercia y las ultracentrífugas .

Esta bomba para pozos de aguas poco profundas reduce la presión atmosférica dentro de la cámara de bombeo. La presión atmosférica se extiende hasta el interior del pozo y hace que el agua suba por la tubería hasta la bomba para equilibrar la presión reducida. Las cámaras de bombeo sobre el suelo solo son efectivas hasta una profundidad de aproximadamente 9 metros debido a que el peso de la columna de agua equilibra la presión atmosférica.

Máquinas accionadas por vacío

Los vacíos se utilizan comúnmente para producir succión , que tiene una variedad aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor de Newcomen utilizó 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 alguna vez se usaron ampliamente en los trenes del Reino Unido pero, excepto 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 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 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 dado 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 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 (absoluto), 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 presión de vapor pequeña 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 desgasificados pueden condensarse en superficies cercanas más frías, 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 célula 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. Se puede reducir 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 gas de lastre. Los sistemas de alto vacío deben estar limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.

Los sistemas de vacío ultraalto suelen calentarse, preferiblemente al vacío, para aumentar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales desgasificados y evaporarlos. Una vez evaporada y evacuada la mayor parte de los materiales desgasificados, el sistema puede enfriarse para reducir las presiones de vapor y minimizar la desgasificación residual durante el funcionamiento real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente con nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, al mismo tiempo, criobombear el sistema.

Bombeo y presión del aire ambiente

Los pozos profundos tienen la cámara de la bomba en el fondo del pozo, cerca de la superficie del agua, o dentro del agua. Una "varilla de succión" se extiende desde el mango hasta el centro de la tubería, en lo profundo del pozo, para operar el émbolo. La manija de la bomba actúa como un contrapeso pesado contra el peso de la varilla de succión y el peso de la columna de agua que se encuentra sobre el émbolo superior hasta el nivel del suelo.

Los líquidos no se pueden extraer, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión . La succión puede extender y diluir un vacío al permitir que una presión más alta empuje los líquidos hacia él, pero el vacío debe crearse primero antes de que pueda producirse la succión. La forma más fácil de crear un vacío artificial es expandir el volumen de un recipiente. Por ejemplo, el músculo 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 compartimento del vacío se puede cerrar repetidamente, vaciar y expandir 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, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime hasta un tamaño diminuto.

Vista en corte de una bomba turbomolecular , una bomba de transferencia de momento utilizada para lograr un alto vacío.

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 bombas se basan en principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia de momento , que tienen 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 vibración. Ninguna de estas bombas es universal; cada tipo tiene importantes limitaciones de rendimiento. Todas comparten una dificultad en el bombeo de 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 vaciado tendrán un impacto. En conjunto, estos se denominan técnica de vacío . Y, a veces, la presión final no es la única característica relevante. Los sistemas de bombeo difieren en la contaminación del aceite, la vibración, el bombeo preferencial de ciertos gases, las velocidades de vaciado, el ciclo de trabajo intermitente, la confiabilidad o la tolerancia a altas tasas de fuga.

En los sistemas de ultra alto vacío , se deben tener en cuenta 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 tener 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 tener en cuenta la permeabilidad de las paredes metálicas de la cámara, y la dirección de la veta 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). [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 sobre los seres humanos y los animales

Esta pintura, Un experimento con un pájaro en la 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 los que se representan comúnmente en los medios y la cultura popular. La reducción de la presión baja 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 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 lo suficientemente elásticos y porosos para evitar la ruptura. [45] La hinchazón y el ebullismo se pueden contener conteniéndolos en un traje de vuelo . Los astronautas del transbordador usaban una prenda elástica ajustada llamada Traje de Protección de Altitud de la Tripulación (CAPS) que previene el ebullismo 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 inferiores a 90 segundos, mientras que las exposiciones más prolongadas de todo el cuerpo son fatales y la reanimación nunca ha tenido éxito. [47] Un estudio de la NASA sobre ocho chimpancés descubrió que todos ellos sobrevivieron a exposiciones de dos minutos y medio al vacío. [48] Solo hay una cantidad limitada de datos disponibles sobre accidentes humanos, pero es consistente con los datos animales. Las extremidades pueden estar expuestas durante mucho más tiempo si la respiración no se ve 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 son capaces de 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 al nivel del mar. Las temperaturas del aire más frías que se encuentran a altitudes de hasta 3 km generalmente compensan las presiones más bajas allí. [49] 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 los trajes espaciales son necesarios para prevenir el ebullismo por encima de los 19 km. [49] La mayoría de los trajes espaciales usan solo 20 kPa (150 Torr) de oxígeno puro. Esta presión es lo suficientemente alta 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 exposición al vacío en sí. 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 . [49] Los tímpanos y los senos paranasales pueden romperse por una descompresión rápida, los tejidos blandos pueden hematomas y supurar sangre, y el estrés del shock acelerará el consumo de oxígeno, lo que conduce a la hipoxia. [52] 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 de repente. [49]

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

Ejemplos

Presión (Pa si no se explica)Presión (Torr, atm)Trayectoria libre mediaMoléculas por cm3
Atmósfera estándar , a modo de comparación101,325 kPa760 torrs (1,00 atm)66 nm2,5 × 10 19 [54]
Huracán intensoaprox. 87 a 95 kPa650 a 710
Aspiradoraaproximadamente 80 kPa60070 nm10 19
Escape de turbina de vapor ( contrapresión del condensador )9 kPa
bomba de vacío de anillo líquidoaproximadamente 3,2 kPa24 torrs (0,032 atm)1,75 micras10 18
Atmósfera de Marte1,155 kPa a 0,03 kPa (media 0,6 kPa)8,66 a 0,23 torrs (0,01139 a 0,00030 atm)
liofilización100 a 101 a 0,1100 μm a 1 mm10 16 a 10 15
Bombilla incandescente10 a 10,1 a 0,01 torrs (0,000132 a 1,3 × 10 −5  atm)1 mm a 1 cm10 15 a 10 14
Botella termo1 a 0,01 [1]1 × 10 −2 a 1 × 10 −4 torrs (1,316 × 10 −5 a 1,3 × 10 −7  atm)1 cm a 1 m10 14 a 10 12
Termosfera terrestre1 Pa a1 × 10 −710 −2 a 10 −91 cm a 100 km10 14 a 10 7
Tubo vacío1 × 10 −5 a1 × 10 −810 −7 a 10 −101 a 1.000 km10 9 a 10 6
Presión en la Lunaaproximadamente1 × 10 −910 −1110.000 kilómetros4 × 10 5 [55]
Cámara MBE criobombeada1 × 10 −6 a1 × 10 −1010 −8 a 10 −1210 a 100.000 km10 8 a 10 4
Nebulosa densa  10.000 [1]
Espacio interplanetario  11 [1]
Espacio interestelar  1 [56]
Espacio intergaláctico 10 −6 [1]

Véase también

Referencias

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Wikiquote tiene citas relacionadas con Vacío .
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  • Copia gratuita en pdf de El vacío estructurado: pensar en nada de Johann Rafelski y Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3 . 
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