Aspiradora

Un vacío es un espacio desprovisto de materia . La palabra proviene del adjetivo latino vacuus para "vacante" 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 pruebas ideales que ocurrirían en un vacío perfecto , que a veces simplemente llaman "vacío" o espacio libre , y usan el término vacío parcial para referirse a un vacío imperfecto real como uno podría tener en un laboratorio o en el espacio. En ingeniería y física aplicada, por otro lado, el vacío se refiere a cualquier espacio en el que la presión es considerablemente más baja que la presión atmosférica. [2] El término latino in vacuo se utiliza para describir un objeto que está rodeado por un vacío.

Bomba para demostrar 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 aproximadamente un 20%. [3] Pero son posibles las aspiradoras de mayor calidad. Las cámaras de vacío ultra alto , 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 / cm 3 . [4] El espacio exterior es un vacío de calidad aún mayor, con el equivalente a 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 antigüedad griega , pero no se estudió empíricamente hasta el siglo XVII. Evangelista Torricelli produjo el primer vacío de laboratorio en 1643, y otras técnicas experimentales se desarrollaron como resultado de sus teorías de la presión atmosférica . Un vacío torricelliano se crea llenando un recipiente de vidrio alto cerrado por un extremo con mercurio y luego invirtiéndolo en un recipiente para contener el mercurio (ver más abajo). [6]

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 suscitado interés en el impacto del vacío en la salud humana y en las formas de vida en general.

Una gran cámara de vacío

La palabra vacío proviene del latín  'un espacio vacío, vacío', uso sustantivo de neutro de vacío , que significa "vacío", relacionado con vacare , que significa "estar vacío".

Vacío es una de las pocas palabras del idioma inglés que contiene dos letras u consecutivas . [7]

Históricamente, ha habido mucha controversia sobre si puede existir algo así como un vacío. Los filósofos griegos antiguos debatieron la existencia de un vacío, o vacío, en el contexto del atomismo , que postuló el vacío y el átomo como los elementos explicativos fundamentales de la física. Siguiendo a Platón , incluso el concepto abstracto de un vacío sin rasgos 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, de lo que no se puede decir correctamente 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 ningún impedimento podía continuar ad infinitum , sin que hubiera ninguna razón para que algo se detuviera en algún lugar en particular. Aunque 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.C. [8]

En el mundo musulmán medieval , el físico y erudito islámico Al-Farabi (Alpharabius, 872-950), llevó a cabo un pequeño experimento sobre la existencia del vacío, en el que investigó los émbolos de mano en el agua. [9] [ fuente no confiable? ] Concluyó que el volumen del aire puede expandirse para llenar el espacio disponible y sugirió que el concepto de vacío perfecto era incoherente. [10] Según Nader El-Bizri, el físico Ibn al-Haytham (Alhazen, 965-1039) y los teólogos de Mu'tazili estaban en desacuerdo con Aristóteles y Al-Farabi, y apoyaban la existencia de un vacío. Usando geometría , Ibn al-Haytham demostró matemáticamente que el lugar ( al-makan ) es el vacío tridimensional imaginado entre las superficies internas de un cuerpo contenedor. [11] Según Ahmad Dallal, Abū Rayhān al-Bīrūnī también afirma que "no hay evidencia observable que descarte la posibilidad de 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] [15]

Europeos eruditos como Roger Bacon , Blasius de Parma y Walter Burley en el siglo 13 y 14 se centraron considerable atención en cuestiones relacionadas con el concepto de un vacío. Finalmente, siguiendo la física estoica en este caso, los estudiosos del siglo XIV en adelante se apartaron cada vez más de la perspectiva aristotélica a favor de un vacío sobrenatural más allá de los confines del cosmos mismo, una conclusión ampliamente reconocida por el siglo XVII, que ayudó a segregar lo natural y lo teológico. preocupaciones. [dieciséis]

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 del vacío y el átomo. Aunque Descartes estuvo de acuerdo con la posición contemporánea de que un vacío no ocurre en la naturaleza, el éxito de su sistema de coordenadas homónimo y más implícitamente, el componente espacial-corporal de su metafísica llegaría a definir la noción filosóficamente moderna de espacio vacío como un espacio cuantificado. extensión de 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 de un vacío consideraron si había un vacío, aunque solo fuera por un instante, entre dos placas planas cuando se separaron rápidamente. [17] Hubo mucha discusión sobre si el aire se movía lo suficientemente rápido cuando las placas se separaban o, como postuló Walter Burley , si un 'agente celestial' impidió que surgiera el vacío. La opinión generalizada de que la naturaleza aborrece el vacío se llama horror vacui . Incluso se especuló que ni siquiera Dios podría crear un vacío si quisiera y las condenas de París de 1277 del obispo Etienne Tempier , que requerían que no hubiera restricciones sobre los poderes de Dios, llevaron a la conclusión de que Dios podía crear un vacío si él tan deseado. [18] Jean Buridan informó en el siglo XIV que los equipos de diez caballos no podían abrir los fuelles cuando el puerto estaba sellado. [8]

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 medidas de vacío parcial. [19] 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 [20] y realizó su famoso experimento de hemisferios de Magdeburgo , demostrando que, debido a la presión atmosférica fuera de los hemisferios, los 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 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 ). Varias propiedades eléctricas se vuelven observables a 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 que ocurre naturalmente, originalmente se pensó que los cielos estaban perfectamente llenos de un material rígido e indestructible llamado éter . Tomando algo prestado 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 postulaban un medio terrestre y celeste ubicuo a través del cual se propagaba la luz. Además, el concepto informó las explicaciones de Isaac Newton sobre la refracción y el calor radiante. [21] Los experimentos del siglo XIX en este éter luminífero intentaron detectar un arrastre de un minuto 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 de absorción interestelar puede ser simplemente el éter, es característico de un gas, y ciertamente hay moléculas gaseosas libres". [22]

Más tarde, en 1930, Paul Dirac propuso un modelo del vacío como un mar infinito de partículas que poseen energía negativa, llamado mar de Dirac . Esta teoría ayudó a refinar las predicciones de su ecuación de Dirac formulada anteriormente y predijo con éxito la existencia del positrón , confirmado dos años después. El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg , formulado en 1927, 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 gran alcance sobre el "vacío" del espacio entre partículas. A finales del siglo XX se confirmaron las llamadas partículas virtuales que surgen espontáneamente del espacio vacío.

El criterio más estricto para definir un vacío es una región de espacio y tiempo donde todos los componentes del tensor de 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 contienen energía y momento.

Gravedad

En relatividad general , un tensor de tensión-energía que desaparece implica, a través de las ecuaciones de campo de Einstein , la desaparición de todos los componentes del tensor de Ricci . El vacío no significa que la curvatura del espacio-tiempo sea ​​necesariamente plana: el campo gravitacional todavía puede producir curvatura en el vacío en forma de fuerzas de marea y ondas gravitacionales (técnicamente, estos fenómenos son los componentes del tensor de Weyl ). El agujero negro (con carga eléctrica cero) es un elegante ejemplo de una región completamente "llena" de vacío, pero que aún muestra una fuerte curvatura.

Electromagnetismo

En el electromagnetismo clásico , el vacío del espacio libre , o algunas veces simplemente el espacio libre o el vacío perfecto , es un medio de referencia estándar para los efectos electromagnéticos. [23] [24] Algunos autores se refieren a este medio de referencia como vacío clásico , [23] una terminología destinada a separar este concepto del vacío QED o vacío QCD , donde las fluctuaciones del vacío pueden producir densidades de partículas virtuales transitorias y una permitividad y permeabilidad relativas que no son idénticamente unidad. [25] [26] [27]

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

  • La radiación electromagnética viaja, cuando no está obstruida, a la velocidad de la luz , el valor definido de 299,792,458 m / s en unidades SI . [28]
  • El principio de superposición es siempre exactamente cierto. [29] Por ejemplo, el potencial eléctrico generado por dos cargas es la simple suma de los potenciales generados por cada carga de forma aislada. El valor del campo eléctrico en cualquier punto alrededor de estas dos cargas se encuentra calculando la suma vectorial de los dos campos eléctricos de cada una de las cargas que actúan por sí solas.
  • La permitividad y la permeabilidad son exactamente la constante eléctrica ε 0 [30] y la constante magnética μ 0 , [31] respectivamente (en unidades SI ), o exactamente 1 (en unidades gaussianas ).
  • La impedancia característica ( η ) es igual a la impedancia del espacio libre Z 0 ≈ 376,73 Ω. [32]

El vacío del electromagnetismo clásico puede verse como un medio electromagnético idealizado con las relaciones constitutivas en unidades SI: [33]

relacionando el desplazamiento eléctrico campo D para el campo eléctrico E y el campo magnético o H -field H a la inducción magnética o B -field B . Aquí r es una ubicación espacial y t es el tiempo.

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

En la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos , el vacío se define como el estado (es decir, la solución a las ecuaciones de la teoría) con la menor energía 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 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 algún modo 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 que se describen a continuación.

El vacío QED tiene propiedades interesantes y complejas. En el vacío QED, los campos eléctricos y magnéticos tienen valores promedio cero, pero sus variaciones no son cero. [34] Como resultado, el vacío QED contiene fluctuaciones de vacío ( partículas virtuales que entran y salen de la existencia) y una energía finita llamada energía del 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 desplazamiento de Lamb . [18] Se modifican la ley de Coulomb y el potencial eléctrico en el vacío cerca de una carga eléctrica. [35]

Teóricamente, en QCD pueden coexistir múltiples estados de vacío. [36] Se cree que el comienzo 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 panorama de la teoría de cuerdas .

El espacio exterior no es un vacío perfecto, sino un plasma tenue repleto de partículas cargadas, elementos libres como hidrógeno , helio y oxígeno , campos electromagnéticos y alguna que otra estrella .

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 algunos átomos de hidrógeno por metro cúbico. [5]

Las estrellas, los planetas y las lunas mantienen sus atmósferas por atracción gravitacional y, como tales, las atmósferas no tienen límites claramente delineados: 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 millas) de altitud, [37] 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 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 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 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 algunas veces al año (dependiendo de la actividad solar). [38] El arrastre aquí es lo suficientemente bajo como para teóricamente podría ser superado por la presión de la radiación en las velas solares , un sistema de propulsión propuesto para viajes interplanetarios . [39] Los planetas son demasiado masivos para que sus trayectorias se vean afectadas significativamente por estas fuerzas, aunque sus atmósferas están erosionadas por los vientos solares. [ cita requerida ]

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

Medición

La calidad de un vacío está indicada 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 la trayectoria libre media (MFP) de los gases residuales, que indica la distancia media 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 denomina alto vacío y el estudio de los flujos de fluidos en este régimen se denomina dinámica de partículas de gas. El MFP del aire a presión atmosférica es muy corto, 70  nm , pero a 100  mPa (~1 × 10 −3  Torr ) el MFP de aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 100 mm, que está en el 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 lograrlo o medirlo. Estos rangos no tienen definiciones acordadas universalmente, pero en la siguiente tabla se muestra una distribución típica. [40] [41] A medida que viajamos a la órbita, el espacio exterior y, en última instancia, el espacio intergaláctico, la presión varía en varios órdenes de magnitud .

Rangos de presión de cada calidad de vacío en diferentes unidades
Calidad de vacíoTorrPensilvaniaAtmósfera
Presión atmosférica7601.013 × 10 51
Vacío bajo760 hasta 251 × 10 5 hasta3 × 10 39,87 × 10 −1 hasta3 × 10 −2
Vacío medio25 hasta 1 × 10 −33 × 10 3 hasta1 × 10 −13 × 10 −2 para9,87 × 10 −7
Alto vacío1 × 10 −3 hasta1 × 10 −91 × 10 −1 hasta1 × 10 −79,87 × 10 −7 hasta9,87 × 10 −13
Vacío ultra alto1 × 10 −9 a1 × 10 −121 × 10 −7 hasta1 × 10 −109,87 × 10 −13 hasta9,87 × 10 −16
Vacío extremadamente alto< 1 × 10 −12< 1 × 10 −10< 9,87 × 10 −16
Espacio exterior1 × 10 −6 hasta <1 × 10 −171 × 10 −4 hasta <3 × 10 −159,87 × 10 −10 hasta <2,96 × 10 −20
Vacío perfecto000
  • La presión atmosférica es variable pero estandarizada a 101,325 kPa (760 Torr).
  • El vacío bajo , también llamado vacío aproximado o vacío grueso , es el vacío que se puede lograr o medir con un equipo rudimentario, como una aspiradora y un manómetro de columna de líquido .
  • El vacío medio es el vacío que se puede lograr con una sola bomba, pero la presión es demasiado baja para medirla con un manómetro de líquido o mecánico. Se puede medir con un medidor McLeod , un medidor térmico o un medidor capacitivo.
  • El alto vacío es vacío donde el MFP de los gases residuales es más largo que el tamaño de la cámara o del objeto bajo prueba. El alto vacío generalmente requiere un bombeo de varias etapas y una medición de iones. Algunos textos diferencian entre alto vacío y muy alto vacío.
  • El vacío ultra alto requiere hornear la cámara para eliminar los gases traza y otros procedimientos especiales. Los estándares británicos y alemanes definen el vacío ultra alto como presiones por debajo de 10 −6  Pa (10 −8  Torr). [42] [43]
  • El espacio profundo generalmente está mucho más vacío que cualquier vacío artificial. Puede o no cumplir con la definición de alto vacío anterior, según la región del espacio y los cuerpos astronómicos que se estén considerando. Por ejemplo, el MFP del espacio interplanetario es más pequeño que el tamaño del Sistema Solar, pero más grande que los pequeños planetas y lunas. 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 sin partículas. No se puede lograr en un laboratorio , aunque puede haber pequeños volúmenes que, por un breve momento, no contienen partículas de materia. 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 .
  • Vacío duro y vacío suave son términos que se definen con una línea divisoria definida de manera diferente por diferentes fuentes, como 1 Torr , [44] [45] o 0.1 Torr, [46] el denominador común es que un vacío fuerte es un vacío más alto. que uno suave.

Medición relativa versus absoluta

El vacío se mide en unidades de presión , típicamente como una resta en relación con la presión atmosférica ambiental en la Tierra. Pero la cantidad de vacío medible relativo varía con 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.

De manera similar, 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 de 1 atm) es efectivamente una cámara de vacío que mantiene fuera las aplastantes presiones del agua exterior, aunque el 1 La atmósfera dentro del submarino normalmente no se consideraría un vacío.

Por lo tanto, para comprender adecuadamente las siguientes discusiones sobre la medición del 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 medidor de vidrio McLeod, sin mercurio

La unidad SI de presión es el pascal (símbolo Pa), pero el vacío a menudo se mide en torrs , llamado así por un físico italiano Torricelli (1608-1647). Un torr es igual al desplazamiento de un milímetro de mercurio ( mmHg ) en un manómetro con 1 torr que equivale a 133,3223684 pascales por encima de la presión del cero absoluto. 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 atmosférica" ​​significa que la presión absoluta es igual a la presión atmosférica actual.

En otras palabras, la mayoría de los medidores de vacío bajo que leen, por ejemplo, 50,79 Torr. Muchos medidores de bajo vacío 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 medio 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. [47]

Los medidores 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 presión diferencial 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 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 tan altos como 10 −6  torr (0.1 mPa), que es la medición directa más baja de presión que es posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero solo indirectamente mediante la medición de otras propiedades de presión controlada. Estas mediciones indirectas deben calibrarse mediante una medición directa, más comúnmente un manómetro McLeod. [48]

El kenotómetro es un tipo particular de manómetro hidrostático, típicamente utilizado en centrales eléctricas 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. [49]

Los manómetros mecánicos o elásticos dependen de un tubo de 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 medidores son eficaces desde 10 3  torr a 10 -4  torr, y más allá.

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 pasando corriente a través de él. A continuación, 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 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 vacío ultra alto. Vienen en dos tipos: cátodo caliente y cátodo frío. En laversión de cátodo caliente , un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Los electrones viajan a través del medidor e ionizan moléculas de gas a su alrededor. Los iones resultantes se recogen en un electrodo negativo. La corriente depende de la cantidad de iones, que depende de la presión en el 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 medidor de ionización es muy sensible a la geometría de la construcción, la composición química de los gases que se miden, la corrosión y los depósitos en la superficie. Su calibración puede invalidarse mediante la activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases a altos vacíos generalmente será impredecible, por lo que se debe usar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa. [50]

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 vacío ultra alto se utiliza en el estudio de sustratos limpios atómicamente, ya que solo un vacío muy bueno conserva las superficies limpias a escala atómica durante un tiempo razonablemente largo (del orden de minutos a días). El vacío de alto a ultra alto elimina la obstrucción del aire, 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 los termos . 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 el proceso de purga. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posible los microscopios electrónicos y los tubos de vacío , incluidos los tubos de rayos catódicos . Los tubos de maniobra al 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 .

Esta bomba de pozo de agua poco profunda reduce la presión del aire atmosférico dentro de la cámara de la bomba. La presión atmosférica se extiende hacia el pozo y fuerza al agua a subir por la tubería hacia la bomba para equilibrar la presión reducida. Las cámaras de bombeo sobre el suelo solo son efectivas a una profundidad de aproximadamente 9 metros debido al peso de la columna de agua que equilibra la presión atmosférica.

Máquinas de vacío

Las aspiradoras se utilizan comúnmente para producir succión , que tiene una variedad aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor Newcomen usaba vacío en lugar de presión para impulsar un pistón. En el siglo XIX, el vacío se utilizó para la tracción en el ferrocarril atmosférico experimental de Isambard Kingdom Brunel . Los frenos de vacío 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 .

La aspiradora múltiple se puede utilizar para impulsar accesorios en automóviles . La aplicación más conocida es el servomotor de vacío , que se utiliza para proporcionar asistencia eléctrica a los frenos . Las aplicaciones obsoletas incluyen limpiaparabrisas accionados por vacío y bombas de combustible Autovac . Algunos instrumentos de la aeronave (Indicador de actitud (AI) y el Indicador de rumbo (HI)) son típicamente impulsados ​​por vacío, como protección contra la pérdida de todos los instrumentos (eléctricos), 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 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 mantenido en el espacio de vapor del condensador en el escape de la turbina (también llamado contrapresión del condensador) está en el rango de 5 a 15 kPa (absoluto), dependiendo del tipo de condensador y las condiciones ambientales.

Desgasificación

La evaporación y sublimación en vacío se llama 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 de desgasificación 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 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 se puede condensar en el aceite de las bombas de paletas rotativas y reducir su velocidad neta drásticamente 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 ultra alto 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 de desgasificación se hierven y se evacuan, el sistema se puede enfriar a presiones de vapor más bajas y minimizar la desgasificación residual durante la operación real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente mediante nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y simultáneamente criobombear el sistema.

Presión de aire ambiente y de bombeo

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

Por lo general, no se pueden extraer líquidos, por lo que no se puede crear un vacío por succión . La succión puede extender y diluir un vacío al permitir que una presión más alta empuje los fluidos hacia él, pero el vacío debe crearse primero 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 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 impulsado por la presión atmosférica.

Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimiento del vacío puede cerrarse, agotarse y expandirse repetidamente de nuevo. Este es el principio detrás de las bombas de desplazamiento positivo , como la bomba de agua manual, por ejemplo. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para crear un vacío. Debido a la diferencia de presión, algo de fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) se empuja 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 aprieta hasta un tamaño diminuto.

Una vista en corte de una bomba turbomolecular , una bomba de transferencia de impulso utilizada para lograr un alto vacío

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 bombas se basan en principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia Momentum , que tienen algunas similitudes con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden lograr vacíos de calidad mucho mayor que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de atrapamiento pueden capturar gases en estado sólido o absorbido, a menudo sin partes móviles, 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 mayores vacíos. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de bombeo 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 bombeo, el ciclo de trabajo intermitente, la confiabilidad o la tolerancia a altas tasas de fuga.

En los sistemas de vacío ultra alto , se deben considerar algunas rutas de fuga y fuentes de desgasificación muy "extrañas". La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso se debe considerar la adsorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio . Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. Puede ser necesario 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 aproximadamente 1 × 10 -13 torrs (13 pPa). [51] Sin embargo, presiones tan bajas como 5 × 10 −17 torrs (6,7 fPa) se han medido indirectamente en un sistema de vacío criogénico de 4 K (−269,15 ° C; −452,47 ° F). [4] Esto corresponde a ≈100 partículas / cm 3 .

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

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 describe comúnmente en los medios de comunicación 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 se mantenga por encima de la temperatura corporal interna de 37 ° C. [52] 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 inflar el cuerpo al doble de su tamaño normal y hacer más lenta la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. [53] La hinchazón y el ebullismo se pueden contener con un traje de vuelo . Los astronautas del transbordador llevaban una prenda elástica ajustada llamada Traje de protección de altitud de la tripulación (CAPS) que evita el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa (15 Torr). [54] Una 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. [55] Un estudio de la NASA en ocho chimpancés encontró que todos sobrevivieron dos minutos y medio de exposición al vacío. [56] Sólo se dispone de una cantidad limitada de datos sobre accidentes humanos, pero es coherente con los datos sobre animales. Las extremidades pueden estar expuestas durante mucho más tiempo si no se dificulta la respiración. [57] 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. [58] [59]

Las atmósferas frías o ricas en oxígeno pueden mantener la vida a presiones mucho más bajas que la atmosférica, siempre que la densidad del oxígeno sea similar a la de la atmósfera estándar al 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. [57] Por encima de esta altitud, el enriquecimiento de oxígeno es necesario para prevenir el mal de altura en humanos que no se sometieron a aclimatación previa , y los trajes espaciales son necesarios para prevenir el ebullismo por encima de los 19 km. [57] 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 aguanta 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 . [57] Los tímpanos y los senos nasales pueden romperse por una descompresión rápida, los tejidos blandos pueden presentar hematomas y filtrar sangre, y el estrés del choque acelerará el consumo de oxígeno y provocará hipoxia. [60] 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 de repente. [57]

Algunos microorganismos extremófilos , como los tardígrados , pueden sobrevivir en condiciones de vacío durante períodos de días o semanas. [61]

Presión (Pa o kPa)Presión (Torr, atm)Camino libre medioMoléculas por cm 3
Atmósfera estándar , a modo de comparación101,325 kPa760 torrs (1,00 atm)66 nanómetro2,5 × 10 19 [62]
Huracán intenso aprox. 87 hasta 95 kPa650 hasta 710
aspiradora aproximadamente 80 kPa60070 nm10 19
Escape de turbina de vapor ( contrapresión del condensador )9 kPa
bomba de vacío de anillo líquido aproximadamente 3,2 kPa24 torrs (0.032 atm)1,75 micras10 18
Atmósfera de Marte 1,155 kPa a 0,03 kPa (media 0,6 kPa)8,66 a 0,23 torrs (0,01139 a 0,00030 atm)
secar en frío 100 hasta 101 hasta 0,1100 μm hasta 1 mm10 16 hasta 10 15
Bombilla incandescente 10 a 10,1 a 0,01 torrs (0,000132 a 1,3 × 10 −5  atm)1 mm hasta 1 cm10 15 hasta 10 14
Termo 1 a 0.01 [1]1 × 10 −2 a 1 × 10 −4 torrs (1.316 × 10 −5 a 1.3 × 10 −7  atm)1 cm hasta 1 m10 14 hasta 10 12
Termosfera de la tierra 1 Pa para 1 × 10 −710 −2 a 10 −91 cm hasta 100 km10 14 hasta 10 7
Tubo vacío 1 × 10 −5 hasta1 × 10 −810 −7 a 10 −101 hasta 1000 km10 9 hasta 10 6
Cryopumped MBE cámara1 × 10 −7 hasta1 × 10 −910 −9 a 10 −11100 a 10,000 km10 7 hasta 10 5
Presión sobre la Luna aproximadamente 1 × 10 −910 −1110,000 kilometros4 × 10 5 [63]
Espacio interplanetario   11 [1]
Espacio interestelar   1 [64]
Espacio intergaláctico  10 −6 [1]

  • Decaimiento del vacío ( producción en pareja )
  • Vacío del motor
  • Falso vacío
  • Espectrómetro de masas de helio : instrumentación técnica para detectar una fuga de vacío
  • Unión de materiales
  • Tubo neumático : sistema de transporte que utiliza vacío o presión para mover contenedores en tubos.
  • Rarefacción : reducción de la densidad de un medio.
  • Succión : creación de un vacío parcial
  • Ángulo de vacío
  • Cementación al vacío : proceso natural de solidificación del "polvo" homogéneo en el vacío
  • Columna de vacío : control de la cinta magnética suelta en las primeras unidades de cinta de grabación de datos informáticos
  • Deposición al vacío : proceso de depósito de átomos y moléculas en un entorno de presión subatmosférica
  • Ingeniería de vacío
  • Brida de vacío : unión de sistemas de vacío

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  • Preguntas frecuentes sobre descompresión explosiva y exposición al vacío .
  • Discusión de los efectos en humanos de la exposición al vacío .
  • Roberts, Mark D. (2000). "Energía de vacío". Física de Altas Energías - Teoría : hep – th / 0012062. arXiv : hep-th / 0012062 . Código Bib : 2000hep.th ... 12062R .
  • Vacío, producción de espacio
  • "Mucho ruido y pocas nueces" por el profesor John D. Barrow, Gresham College
  • Copia gratuita en pdf de El vacío estructurado - sin pensar en nada por Johann Rafelski y Berndt Muller (1985) ISBN  3-87144-889-3 .