Vacío

Vacío (del lat.  vacuus  - vacío) - espacio libre de materia. En ingeniería y física aplicada, el vacío se entiende como un medio formado por un gas a una presión significativamente inferior a la atmosférica [1] .

El vacío se caracteriza por la relación entre el camino libre medio de las moléculas de gas λ y el tamaño característico del medio d , el llamado número de Knudsen . Bajo d , se puede tomar la distancia entre las paredes de la cámara de vacío , el diámetro de la tubería de vacío , etc.. Dependiendo del valor de la relación λ / d , el vacío bajo ( ), medio ( ) y alto ( ) son distinguido.

Vacío técnico

En la práctica, un gas altamente enrarecido se denomina vacío técnico . En volúmenes macroscópicos , un vacío ideal (un medio desprovisto de moléculas de gas) es prácticamente inalcanzable, ya que a una temperatura finita todos los materiales tienen una densidad de vapor saturado distinta de cero . Además, muchos materiales (en particular, metal grueso, vidrio y otras paredes de recipientes) permiten el paso de los gases. En volúmenes microscópicos , sin embargo, en principio es posible lograr un vacío ideal.

Una medida del grado de rarefacción del vacío es el camino libre medio de las moléculas de gas , asociado con sus colisiones mutuas en el gas, y el tamaño lineal característico del recipiente en el que se encuentra el gas.

Estrictamente hablando, un vacío técnico es un gas en un recipiente o tubería con una presión más baja que en la atmósfera circundante. Según otra definición, cuando las moléculas o átomos de un gas dejan de chocar entre sí, y las propiedades dinámicas del gas son reemplazadas por otras viscosas (a una presión de alrededor de 1 mm Hg ), se habla de alcanzar un bajo vacío ( ; 10 16 moléculas por 1 cm³ ). Por lo general, la llamada bomba delantera se coloca entre el aire atmosférico y una bomba de alto vacío, creando un vacío preliminar, por lo que el vacío bajo a menudo se denomina línea delantera . Con una mayor disminución de la presión en la cámara, aumenta el camino libre medio de las moléculas de gas. En , las moléculas de gas chocan con las paredes con mucha más frecuencia que entre sí. En este caso, se habla de un alto vacío ( 10 −5 mm Hg ; 10 11 moléculas por 1 cm³ ). El vacío ultraalto corresponde a una presión de 10 −9 mm Hg. Arte. y por debajo. En ultra alto vacío, por ejemplo, los experimentos se realizan comúnmente utilizando un microscopio de túnel de barrido . A modo de comparación, la presión en el espacio es varios órdenes de magnitud inferior: 10 9 moléculas por 1 cm³ (mil millones de moléculas en un centímetro cúbico), mientras que en el espacio profundo puede alcanzar incluso 10 −16 mm Hg . y menos ( 1 molécula por 1 cm³ ) [2] .

Ya se logra un alto vacío en los poros microscópicos de algunos cristales y en capilares ultrafinos a presión atmosférica, ya que el diámetro del poro/capilar se vuelve más pequeño que el camino libre medio de una molécula, que es igual a ~60 nanómetros en el aire en condiciones normales [3] .

Los aparatos utilizados para lograr y mantener el vacío se denominan bombas de vacío . Los captadores se utilizan para absorber gases y crear el grado de vacío necesario . El término más amplio tecnología de vacío también incluye dispositivos para medir y controlar el vacío, manipular objetos y realizar operaciones tecnológicas en una cámara de vacío, etc. Las bombas de alto vacío son dispositivos técnicos complejos. Los principales tipos de bombas de alto vacío son las bombas de difusión basadas en el arrastre de moléculas de gas residual por el flujo de gas de trabajo, getter, bombas de ionización basadas en la introducción de moléculas de gas en getter (por ejemplo, titanio ) y bombas de criosorción (principalmente para crear un vacío frontal).

Incluso en un vacío ideal a una temperatura finita , siempre hay algo de radiación térmica (un gas de fotones ). Así, un cuerpo colocado en un vacío ideal tarde o temprano entrará en equilibrio térmico con las paredes de la cámara de vacío debido al intercambio de fotones térmicos.

El vacío es un buen aislante térmico; la transferencia de energía térmica en él ocurre solo debido a la radiación térmica, se excluyen la convección y la conductividad térmica . Esta propiedad se utiliza para el aislamiento térmico en termos ( recipientes Dewar ), que consisten en un contenedor con paredes dobles, el espacio entre los cuales está al vacío.

El vacío se usa ampliamente en dispositivos eléctricos de vacío: tubos de radio (por ejemplo, magnetrones de hornos de microondas), tubos de rayos catódicos , etc.

Vacío físico

El vacío de la teoría cuántica de campos

El vacío físico en la física cuántica se entiende como el estado de energía (base) más bajo del campo cuantizado, que tiene momento cero, momento angular y otros números cuánticos. Además, tal estado no corresponde necesariamente al vacío: el campo en el estado más bajo puede ser, por ejemplo, el campo de cuasipartículas en un cuerpo sólido o incluso en el núcleo de un átomo, donde la densidad es extremadamente alta. También se denomina vacío físico a un espacio completamente desprovisto de materia , lleno de un campo en tal estado [4] [5] . Tal estado no es el vacío absoluto . La teoría cuántica de campos afirma que, de acuerdo con el principio de incertidumbre , las partículas virtuales nacen y desaparecen constantemente en el vacío físico : se producen las llamadas oscilaciones de campo de punto cero. En algunas teorías de campo específicas, el vacío puede tener propiedades topológicas no triviales. En teoría, puede haber varios vacíos diferentes, que difieren en densidad de energía u otros parámetros físicos (dependiendo de las hipótesis y teorías utilizadas). La degeneración del vacío ante la ruptura espontánea de la simetría conduce a la existencia de un espectro continuo de estados de vacío que difieren entre sí en el número de bosones de Goldstone . Los mínimos locales de energía a diferentes valores de cualquier campo, que difieren en energía del mínimo global, se denominan falsos vacíos ; tales estados son metaestables y tienden a decaer con la liberación de energía, pasando al verdadero vacío oa uno de los falsos vacíos subyacentes.

Algunas de estas predicciones de la teoría de campos ya han sido confirmadas con éxito mediante experimentos. Así, el efecto Casimir [6] y el cambio Lamb de los niveles atómicos se explican por las oscilaciones cero del campo electromagnético en el vacío físico. Las teorías físicas modernas se basan en algunas otras ideas sobre el vacío. Por ejemplo, la existencia de múltiples estados de vacío (el falso vacío mencionado anteriormente ) es uno de los principales fundamentos de la teoría inflacionaria del Big Bang .

Falso vacío

Un falso vacío  es un estado en la teoría cuántica de campos que no es un estado con una energía mínima global , sino que corresponde a su mínimo local. Tal estado es estable por un cierto tiempo (metaestable), pero puede " túnel " en un estado de verdadero vacío.

Vacío einsteiniano

El vacío de Einstein  es un nombre que se usa a veces para las soluciones de las ecuaciones de Einstein en relatividad general para un espacio-tiempo vacío y sin materia . Sinónimo de espacio de Einstein .

Las ecuaciones de Einstein relacionan la métrica del espacio-tiempo (el tensor métrico g μν ) con el tensor de energía-momento. En general, se escriben como

donde el tensor de Einstein G μν es una función definida del tensor métrico y sus derivadas parciales, R  es la curvatura escalar , Λ  es la constante cosmológica , T μν  es el tensor materia energía-momentum , π  es el número pi , c  es la velocidad de la luz en el vacío, G  es la constante gravitatoria de Newton.

Las soluciones en vacío de estas ecuaciones se obtienen en ausencia de materia, es decir, cuando el tensor energía-momento es idénticamente igual a cero en la región considerada del espacio-tiempo: T μν = 0 . A menudo, el término lambda también se toma como cero, especialmente cuando se investigan soluciones locales (no cosmológicas). Sin embargo, al considerar soluciones de vacío con un término lambda distinto de cero ( vacío lambda ), surgen importantes modelos cosmológicos como el modelo De Sitter ( Λ > 0 ) y el modelo anti-De Sitter ( Λ < 0 ).

La solución de vacío trivial para las ecuaciones de Einstein es el espacio plano de Minkowski , es decir, la métrica considerada en la relatividad especial .

Otras soluciones de vacío a las ecuaciones de Einstein incluyen, en particular, los siguientes casos:

Espacio exterior

El espacio exterior tiene una densidad y presión muy bajas y es la mejor aproximación del vacío físico. El vacío del espacio no es realmente perfecto, incluso en el espacio interestelar hay unos pocos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico. La densidad del hidrógeno atómico ionizado en el espacio intergaláctico del Grupo Local se estima en 7×10 −29 g/cm³ [7] .

Las estrellas, los planetas y los satélites mantienen unidas sus atmósferas por la gravedad y, como tal, la atmósfera no tiene un límite bien definido: la densidad del gas atmosférico simplemente disminuye con la distancia a un objeto. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 3,2 × 10 −2 Pa por cada 100 km de altitud, en la llamada línea de Karman , que es la definición común del límite con el espacio exterior. Más allá de esta línea, la presión isotrópica del gas se vuelve rápidamente insignificante en comparación con la presión de radiación del Sol y la presión dinámica del viento solar , 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 es muy variable debido al clima espacial.

La densidad de la atmósfera durante los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea de Karman sigue siendo suficiente para ofrecer una resistencia significativa al movimiento de los satélites artificiales de la Tierra . La mayoría de los satélites operan en esta región, llamada órbita terrestre baja, y deben alimentarse cada pocos días para mantener una órbita estable.

El espacio exterior está lleno de una gran cantidad de fotones, el llamado fondo cósmico de microondas , así como de una gran cantidad de neutrinos, aún indetectables. La temperatura actual de estas radiaciones es de unos 3 K, o −270 °C [8] .

Historia del estudio del vacío

La idea de vacío (vacuidad) ha sido objeto de controversia desde la época de los antiguos filósofos griegos y romanos. Los atomistas  - Leucipo (c. 500 a. C.), Demócrito (c. 460-370 a. C.), Epicuro (341-270 a. C.), Lucrecio (c. 99 -55 a. C.) y sus seguidores - asumieron que todo lo que existe son átomos y un vacío entre ellos, y sin vacío no habría movimiento, los átomos no podrían moverse si no hubiera espacio vacío entre ellos. Strato (c. 270 a. C.) y muchos filósofos de épocas posteriores creían que el vacío podía ser "sólido" ( vacío coacervatum ) y "disperso" (entre partículas de materia, vacío disseminatum ).

Por el contrario, Aristóteles (384-322 a. C.) y varios otros filósofos creían que "la naturaleza aborrece el vacío". El concepto de “miedo al vacío” ( horror vacui ), que se originó incluso antes de Aristóteles, entre Empédocles (c. 490-430 a. C.) y otros filósofos de la escuela jónica, se hizo dominante en el pensamiento filosófico de la Europa medieval y adquirió religiosidad. y rasgos místicos.

En la antigüedad existían algunos requisitos previos para el estudio empírico del vacío. Los antiguos mecánicos griegos crearon varios dispositivos técnicos basados ​​en la rarefacción del aire. Por ejemplo, las bombas de agua que funcionan creando un vacío debajo del pistón se conocían ya en la época de Aristóteles. Un dibujo de una bomba contra incendios inventado por el "padre de la neumática" Ktesibius (c. 250 a. C.) ha sobrevivido hasta nuestros días. Las bombas de agua de este tipo fueron en realidad los prototipos de la bomba de pistón de vacío, que apareció casi dos milenios después. Un alumno de Ctesibio, Heron de Alejandría, desarrolló una jeringa de pistón para extraer pus, que también es esencialmente un dispositivo de vacío.

El estudio empírico del vacío comenzó recién en el siglo XVII, con el final del Renacimiento y el comienzo de la revolución científica de los tiempos modernos . En este punto, se sabía desde hace tiempo que las bombas de succión podían elevar el agua a una altura de no más de 10 metros. Por ejemplo, en el tratado de George Agricola (1494-1555) "Sobre la minería" hay una imagen de una cadena de bombas de agua para bombear agua de una mina.

Galileo , en sus Conversaciones y pruebas matemáticas de dos nuevas ciencias [9] (1638), el libro que completó la destrucción de la física aristotélica, señaló, refiriéndose a la práctica, que la altura a la que las bombas de succión elevan el agua es siempre la misma - unos 18 codos . En este libro, en particular, describe, de hecho, un dispositivo de vacío con un pistón, que es necesario para comparar la resistencia a la tracción del agua y un cuerpo sólido, aunque explica la resistencia a la tracción característica de sólidos y líquidos por el temor de vacío, asumiendo la existencia de diminutos poros vacíos entre las partículas de materia, expandiéndose bajo tensión.

Bajo la influencia del tratado de Galileo, que señalaba las limitaciones del "miedo al vacío", en 1639-1643. Gasparo Berti construyó un dispositivo (en terminología posterior, un tubo barométrico de agua) en la fachada de su casa en Roma, que puede considerarse la primera instalación para el estudio físico del vacío. En la parte superior, de vidrio, cerrada de la tubería de más de 10 m de altura , por encima de la columna de agua equilibrada por la presión atmosférica, se encontró un espacio vacío (de hecho, estaba lleno de vapor de agua a una presión igual a la elasticidad del agua). vapor a temperatura ambiente, así como aire disuelto, es decir, la presión en la cavidad era de unas 0,1 atmósferas ). Emanuel Magnano fijó una campana y un martillo en esta cavidad. Actuando sobre el martillo con un imán, golpeó la campana con el martillo. Como resultado de este primer experimento en el vacío (más precisamente, en un gas enrarecido), se descubrió que el sonido de la campana estaba amortiguado [10] .

El científico Rafaelo Maggiotti [11] (1597-1656) de Roma informó de los experimentos de Berti y Magnano al estudiante de Galileo, el florentino Evangelista Torricelli . Al mismo tiempo, Maggiotti sugirió que un líquido más denso se detendría en un nivel más bajo [12] . En 1644, Torricelli (con la ayuda de Vincenzo Viviani , otro alumno de Galileo) logró crear la primera cámara de vacío. Su trabajo relacionado con las teorías de la presión atmosférica proporcionó la base para técnicas experimentales adicionales. El vacío según el método de Torricelli ( Torricelli void ) se logra llenando con mercurio un tubo de vidrio largo, sellado en un extremo, y luego dándole la vuelta para que el extremo abierto del tubo quede debajo de la superficie del mercurio en un recipiente abierto más ancho. [13] . El mercurio fluirá fuera del tubo hasta que la presión atmosférica compense la gravedad de la columna de mercurio. Se forma un vacío en el espacio libre de mercurio en el extremo superior sellado del tubo. Este método es la base del funcionamiento del barómetro de mercurio . A la presión atmosférica estándar, la altura de la columna de mercurio equilibrada por la presión atmosférica es de 760 mm .

Alrededor de 1650, el científico alemán Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío (un cilindro de pistón con un sello de agua), que facilitó la extracción de aire de recipientes sellados y la experimentación con el vacío [14] . La bomba, llamada antlia neumática por el autor , estaba todavía muy lejos de ser perfecta y requería al menos tres personas para manipular el pistón y los grifos sumergidos en agua para aislar mejor el vacío resultante del aire exterior. Sin embargo, con su ayuda, Guericke pudo demostrar muchas de las propiedades del vacío, en particular, al establecer el famoso experimento con los hemisferios de Magdeburg . Guericke también creó un barómetro de agua, similar en principio al barómetro de mercurio de Torricelli, aunque debido a la menor densidad del agua en comparación con el mercurio, la altura de la columna de agua que equilibra la presión atmosférica es 13,6 veces mayor, unos 10 metros. Guericke descubrió por primera vez que el vacío no conduce el sonido y que la combustión en él se detiene [15] .

La bomba de vacío de Guericke fue mejorada en gran medida por Robert Boyle , lo que le permitió realizar una serie de experimentos para dilucidar las propiedades del vacío y su efecto en varios objetos. Boyle descubrió que los animales pequeños mueren en el vacío, el fuego se apaga y el humo se hunde (y, por lo tanto, se ve tan afectado por la gravedad como otros cuerpos). Boyle también descubrió que el ascenso del líquido en los capilares también ocurre en el vacío y, por lo tanto, refutó la opinión predominante de que la presión del aire estaba involucrada en este fenómeno. Por el contrario, se detuvo el flujo de líquido a través del sifón en el vacío, lo que demostró que este fenómeno se debe a la presión atmosférica. Demostró que en las reacciones químicas (como el apagado de la cal), así como en la fricción mutua de los cuerpos, también se libera calor en el vacío.

Efectos en humanos y animales

Los seres humanos y los animales expuestos al vacío pierden el conocimiento después de unos segundos y mueren de hipoxia en cuestión de minutos, pero estos síntomas tienden a ser diferentes a los que se muestran en la cultura popular y los medios. Una disminución de la presión reduce el punto de ebullición en el que deberían hervir la sangre y otros fluidos biológicos, pero la presión elástica de los vasos sanguíneos no permite que la sangre alcance un punto de ebullición de 37 °C [16] . Aunque la sangre no hierve, el efecto de las burbujas de gas en la sangre y otros fluidos corporales a bajas presiones, conocido como ebullición (enfisema aéreo), es un problema grave. El gas puede inflar un cuerpo al doble de su tamaño normal, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos para evitar que se rompan [17] . El edema y el ebullismo se pueden prevenir con un traje de vuelo especial. Los astronautas del transbordador llevaban una prenda elástica especial llamada Crew Altitude Protection Suit (CAPS) que previene el ebullismo a presiones superiores a 2 kPa ( 15 mmHg ) [18] . La rápida evaporación del agua enfría la piel y las mucosas a 0°C, especialmente en la boca, pero esto no supone un gran peligro.

Los experimentos con animales muestran que después de 90 segundos de estar en el vacío, generalmente ocurre una recuperación rápida y completa del cuerpo, pero una estadía más larga en el vacío es fatal y la reanimación es inútil [19] . Solo hay una cantidad limitada de datos sobre los efectos del vacío en humanos (por regla general, esto sucedió cuando las personas tuvieron un accidente), pero son consistentes con los datos obtenidos en experimentos con animales. Las extremidades pueden estar en el vacío durante mucho más tiempo si no se altera la respiración [20] . Robert Boyle fue el primero en demostrar en 1660 que el vacío es fatal para los animales pequeños.

Dimensión

El grado de vacío está determinado por la cantidad de sustancia que queda en el sistema. El vacío se determina principalmente por la presión absoluta y la 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 recorre una partícula durante su camino libre de una colisión a la siguiente. Si la densidad del gas disminuye, la MFP aumenta. El MFP en el aire a presión atmosférica es muy corto, alrededor de 70 nm , mientras que a 100 mPa ( ~1×10 −3 Torr ) el MFP del aire es de aproximadamente 100 mm . Las propiedades de un gas enrarecido cambian mucho cuando el camino libre medio se vuelve comparable con las dimensiones del recipiente que contiene el gas.

El vacío se subdivide en rangos según la tecnología necesaria para lograrlo o medirlo. Estos rangos no tienen definiciones generalmente aceptadas, pero una distribución típica se ve así [21] [22] :

Presión ( mmHg ) Presión ( Pa )
Presión atmosférica 760 1.013×10 +5
bajo vacío de 760 a 25 de 1×10 +5 a 3,3×10 + 3
Vacío medio de 25 a 1×10 −3 de 3,3×10 +3 a 1,3×10 −1
alto vacío de 1×10 −3 a 1×10 −9 de 1,3×10 −1 a 1,3×10 −7
Ultra alto vacío de 1×10 −9 a 1×10 −12 de 1,3×10 −7 a 1,3×10 −10
vacío extremo <1×10 −12 <1,3×10 −10
Espacio 1×10 −6 a <3×10 −17 de 1,3×10 −4 a <1,3×10 −15
Vacío absoluto 0 0

Aplicación

El vacío es útil para muchos procesos y se utiliza en varios dispositivos. Por primera vez para productos de uso masivo, se utilizó en lámparas incandescentes para proteger el filamento de la descomposición química . La inercia química de los materiales proporcionada 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 puros, ya que solo un vacío muy alto mantiene las superficies limpias a nivel atómico durante un tiempo suficientemente largo (desde minutos hasta días). El vacío alto y ultra alto elimina la resistencia del aire, lo que permite que los haces de partículas depositen o eliminen materiales sin contaminación. Este principio subyace a la deposición química de vapor , la deposición al vacío y el grabado en seco, que se utilizan en la industria de recubrimientos ópticos y de semiconductores , así como en la química de superficies. La convección reducida proporciona aislamiento térmico en los termos . El alto vacío reduce el punto de ebullición de un líquido y promueve una baja temperatura de desgasificación , que se utiliza en liofilización , preparación de adhesivos , destilación , metalurgia y refinación al vacío. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posibles los microscopios electrónicos y los tubos de vacío , incluidos los tubos de rayos catódicos . Los disyuntores de vacío se utilizan en aparamenta eléctrica . La ruptura del vacío es de importancia 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 en volantes y ultracentrífugas .

Máquinas accionadas por vacío

El vacío generalmente se usa para producir succión , que tiene una gama aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor de Newcomen usaba vacío en lugar de presión para impulsar el pistón. En el siglo XIX, se utilizó vacío para la tracción en el ferrocarril neumático experimental de Isambard Brunel . Los frenos de vacío alguna vez se usaron ampliamente en los trenes en el Reino Unido, pero con la excepción de los ferrocarriles tradicionales , han sido reemplazados por frenos de aire .

El vacío del múltiple de admisión se puede usar para conducir accesorios en automóviles. La aplicación más conocida es como potenciador de vacío para aumentar la potencia de frenado . El vacío se usaba anteriormente en los actuadores del limpiaparabrisas y en las bombas de combustible Autovac . Algunos instrumentos de la aeronave (el indicador de actitud y el indicador de rumbo) generalmente están controlados por vacío, como un seguro contra la falla de todos los instrumentos (eléctricos), ya que las primeras aeronaves a menudo no tenían sistemas eléctricos y debido a que hay dos fuentes de vacío fácilmente disponibles en un avión en movimiento, el motor y el venturi . La fusión por inducción al vacío utiliza la inducción electromagnética en el vacío.

Mantener un vacío en el condensador es esencial para el funcionamiento eficiente de las turbinas de vapor . Para ello se utiliza un inyector de vapor o una bomba de anillo de agua . El vacío típico que se mantiene en el volumen de vapor del condensador en el escape de la turbina (también conocido como presión del condensador de la turbina) oscila entre 5 y 15 kPa, según el tipo de condensador y las condiciones ambientales.

Desgasificación

La evaporación y sublimación en vacío se denomina desgasificación . Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen algo de vapor (desgasificación) y la desgasificación es necesaria cuando la presión de vacío cae por debajo de su presión de vapor. La vaporización de materiales en el vacío tiene el mismo efecto que la fuga y puede limitar el vacío que se puede lograr. Los productos de evaporación pueden condensarse en superficies cercanas más frías, lo que puede causar problemas si cubren los instrumentos ópticos o reaccionan con otros materiales. Esto causa una gran dificultad cuando se vuela en el espacio, donde un telescopio o una celda solar oscurecidos pueden descarrilar una operación de alto costo.

El producto de escape más común en los sistemas de vacío es el agua absorbida por los materiales de la cámara . Su cantidad se puede reducir secando o calentando la cámara y eliminando los materiales absorbentes. El agua que se evapora puede condensarse en el aceite de las bombas de paletas rotativas y reducir drásticamente su velocidad de funcionamiento si no se utiliza un dispositivo de lastre de gas. Los sistemas de alto vacío deben estar limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.

Los sistemas UHV generalmente se recocen, preferiblemente al vacío, para aumentar temporalmente la vaporización de todos los materiales y vaporizarlos. Después de que la mayoría de los materiales volatilizados hayan sido vaporizados y eliminados, el sistema puede enfriarse para reducir la vaporización de los materiales y minimizar la desgasificación residual durante la operación. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente con nitrógeno líquido para detener por completo la evolución del gas residual y al mismo tiempo crear el efecto de bombeo criogénico del sistema.

Bombeo y presión atmosférica

Los gases no se pueden expulsar en absoluto, por lo que no se puede crear un vacío por succión. La succión puede expandirse y diluir el vacío, permitiendo que la alta presión introduzca gases en él, pero antes de que pueda ocurrir la succión, se debe crear un vacío. La forma más fácil de crear un vacío artificial es expandir el volumen de la cámara. Por ejemplo, el músculo del diafragma expande la cavidad torácica, lo que conduce a un aumento de la capacidad pulmonar. Esta expansión reduce la presión y crea un bajo vacío, que pronto se llena con aire a presión atmosférica.

Para seguir vaciando la cámara indefinidamente, sin utilizar constantemente su aumento, el compartimento que la aspira puede cerrarse, ventilarse, expandirse de nuevo, etc. muchas veces. Este es el principio de funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo (que transportan gas), como una bomba de agua manual. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para crear un vacío. Debido a la caída de presión, parte del líquido de la cámara (o pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella herméticamente de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime a un tamaño mínimo, expulsando el líquido.

La explicación anterior es una simple introducción a la aspiración y no es representativa de toda la gama de bombas en uso. Se han desarrollado muchas variaciones de bombas de desplazamiento positivo y muchos diseños de bombas se basan en principios radicalmente diferentes. Las bombas de transferencia de impulso, que tienen cierto parecido con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden proporcionar una calidad de vacío mucho mejor que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de acoplamiento de gas, capaces de capturar gases sólidos o absorbidos, a menudo funcionan sin partes móviles, sin sellos y sin vibraciones. Ninguna de estas bombas es universal; cada tipo tiene serias limitaciones de aplicación. Todo el mundo tiene dificultades para bombear gases de baja masa, especialmente hidrógeno, helio y neón.

La presión más baja que se puede alcanzar en un sistema, además del diseño de las bombas, también depende de muchos factores. Se pueden conectar varias bombas en serie en las llamadas etapas para lograr un mayor vacío. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de bombeo tendrán un efecto. En conjunto, todo esto se denomina tecnología de vacío. Y a veces, la presión resultante no es la única característica significativa. Los sistemas de bombeo se caracterizan por la contaminación por aceite, vibración, bombeo selectivo de ciertos gases, velocidades de bombeo, operación intermitente, confiabilidad o resistencia a altas tasas de fuga.

En los sistemas UHV, se deben considerar algunas vías de fuga muy "extrañas" y fuentes de vapor. La capacidad de absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de evaporación, incluso hay que tener en cuenta la capacidad de adsorción de metales sólidos como el acero inoxidable o el titanio. Algunos aceites y grasas hervirán bajo alto vacío. Puede ser necesario tener en cuenta la influencia de la estructura cristalina del metal sobre la permeabilidad de las paredes metálicas de las cámaras, por ejemplo, el paralelismo de la dirección de los granos de las bridas metálicas con respecto a la cara frontal de la brida. .

Las presiones más bajas que se pueden alcanzar actualmente en condiciones de laboratorio son alrededor de 10 -13 Torr (13 pPa). Sin embargo, las presiones inferiores a 5 × 10 -17 Torr (6,7 fPa) se pudieron medir indirectamente en un sistema de vacío criogénico. Esto corresponde a ≈100 partículas/cm 3 .

Véase también

Aplicaciones

Notas

  1. ↑ Cámaras, Austin. Física del vacío moderna  . — Boca Ratón: CRC Press , 2004. — ISBN 0-8493-2438-6 .
  2. ↑ Tadokoro, M. Un estudio del grupo local mediante el uso del teorema  de  Virial // Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Japón : diario. - 1968. - vol. 20 _ — Pág. 230 . - .
  3. ↑ Rodin A. M., Druzhinin A. V. Vacuum // Enciclopedia física  : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1: Aharonov - Efecto Bohm - Largas colas. - S. 235-236. — 707 pág. — 100.000 copias.
  4. ↑ Werner S.Weiglhofer. § 4.1 El vacío clásico como medio de referencia // Introducción a los medios complejos para la óptica y el electromagnetismo  (inglés) / Werner S. Weiglhofer y Akhlesh Lakhtakia, eds. - SPIE Press, 2003. - Pág. 28, 34. - ISBN 978-0-8194-4947-4 .
  5. ↑ Tom G. Mackay. Campos electromagnéticos en medios bianisotrópicos lineales // Progreso en óptica, Volumen 51 / Emil Wolf. - Elsevier , 2008. - Pág. 143. - ISBN 978-0-444-52038-8 .  
  6. ↑ Enciclopedia Física, v.5. Dispositivos estroboscópicos - Luminosidad / Cap. edición A. M. Projorov. Equipo editorial: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich y otros - M.: Gran Enciclopedia Rusa, 1994, 1998.-760 p.: il. ISBN 5-85270-101-7 , p.644
  7. ↑ Tadokoro, M. [1]  =  Un estudio del grupo local mediante el uso del teorema virial // Publicaciones de la Sociedad Astronómica de Japón. - 1968. - vol. 20 _ — Pág. 230 .
  8. ↑ Temperatura de radiación . elementy.ru Consultado el 27 de septiembre de 2019. Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2019.
  9. ↑ Galileo G. Obras escogidas en dos volúmenes. / Compilado por W. I. Frankfurt. - Tomo 2. - M.: Nauka, 1964.
  10. ↑ Schotti HG Técnica Curiosa. 1664.
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  13. ↑ How to Make an Experimental Geissler Tube , Popular Science mensual, febrero de 1919, página sin numerar, escaneada por Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 Archivado el 3 de diciembre de 2016 en Wayback Machine
  14. ↑ V. P. Borisov (Instituto de Historia de las Ciencias Naturales y la Tecnología que lleva el nombre de S. I. Vavilov RAS.) . Invención que dio paso a descubrimientos: 2002 marcó el 400 aniversario del nacimiento del inventor de la bomba de vacío Otto von Guericke Copia de archivo fechada el 5 de diciembre de 2014 en Wayback Machine // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. - 2003. - T. 73, N° 8. - S. 744-748.
  15. ↑ V.P. Borisov, La invención de la bomba de vacío y el colapso del dogma "Miedo al vacío" Copia de archivo fechada el 15 de mayo de 2014 en Wayback Machine // Preguntas de la historia de la ciencia natural y la tecnología, No. 4, 2002
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Literatura

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