Vacío

ausencia total de materia en un volumen de espacio

El vacío (del latín vacīvus) es la ausencia total de material en los elementos (materia) en un determinado espacio o lugar, o la falta de contenido en el interior de un recipiente. Por extensión, se denomina también vacío a la condición de una región donde la densidad de partículas es muy baja, como por ejemplo el espacio interestelar; o la de una cavidad cerrada donde la presión del aire u otros gases es menor que la atmosférica.

Puede existir naturalmente o ser provocado en forma artificial, puede ser para usos tecnológicos o científicos, o en la vida diaria. Se aprovecha en diversas industrias, como la alimentaria, la automovilística o la farmacéutica.

Índice

Definición del vacíoEditar

De acuerdo con la definición de la Sociedad Estadounidense del Vacío o AVS (1958), el término se refiere a cierto espacio lleno con gases a una presión total menor que la presión atmosférica, por lo que el grado de vacío se incrementa en relación directa con la disminución de presión del gas residual. Esto significa que cuanto más se disminuya la presión, mayor vacío se obtendrá, lo que permite clasificar el grado de vacío en correspondencia con intervalos de presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene características propias.

Medición del vacíoEditar

La presión atmosférica es la que ejerce la atmósfera o aire sobre la Tierra. A temperatura ambiente y presión atmosférica normal, un metro cúbico de aire contiene aproximadamente 2× 1025 moléculas en movimiento a una velocidad promedio de 1600 km/h. Una manera de medir la presión atmosférica es con un barómetro de mercurio; su valor se expresa en términos de la altura de la columna de mercurio de sección transversal unitaria y 760 mm de alto. Con base en esto, se dice que una atmósfera estándar es igual a 760 mmHg. Se utilizara por conveniencia la unidad torricelli (símbolo, Torr) como medida de presión; 1 Torr= 1 mmHg, por lo que atm= 760 Torr; por lo tanto 1 Torr= 1/760 de una atmósfera estándar, o sea 1 Torr= 1,316 × 10–3 atm.

Medición de bajas presionesEditar

Uno de los métodos más conocidos para medir bajas presiones es el método desarrollado por Pirani. Consiste en un puente de Weaston donde una resistencia del puente se encuentra expuesta al vacío a medir. La resistencia de ese elemento sensor variará según cambie la presión, debido a que a vacíos cerca de presión atmosférica el filamento estará en contacto con más moléculas, generando una baja de temperatura y por consiguiente una baja en su valor resistivo. A medida que mejora el vacío este filamento ira encontrando menos moléculas para disipar su calor, por consiguiente aumentara su temperatura. Este aumento de temperatura producirá un aumento de su valor resistivo generando un desequilibrio en el puente de weaston. Este desequilibrio se mide con un microamperimetro. Luego solo queda interpolar los microamperes generados por el puente de weaston con los valores de vacío. Estos valores se vuelcan en una tabla con la que se dibuja una escala, donde por ejemplo en los vacuómetros CINDELVAC, se tendrá 0 microamperios cuando el sensor esté en alto vacío y 50 microamperios a presión atmosférica. La tabla de respuesta del puente de Weaston CINDELVAC es la siguiente:

0 mV 2 mV 11 mV 36 mV 45 mV
0,001 mbar 0,010 mbar 0,100 mbar 1 mbar 9 mbar

Medidas de ionizaciónEditar

Tienen el mismo fundamento que las bombas de ionización, hasta el punto que estas pueden considerarse como una consecuencia de aquellas. Cuando se trata de medir presiones de vacío muy bajas, se utilizan las variantes propuestas por Bayard-Alpert de aquellos aparatos capaces de suministrar con gran exactitud presiones de hasta 10–12 Torr.

El aire está compuesto por varios gases; los más importantes son el nitrógeno y el oxígeno, pero también contiene en menores concentraciones gases como dióxido de carbono, argón, neón, helio, criptón, xenón, hidrógeno, metano, óxido nitroso y vapor de agua.

Aplicaciones de las técnicas de vacíoEditar

Aplicaciones técnicas del vacío
Situación física Objetivo Aplicaciones
Baja presión Se obtiene una diferencia de presión Sostenimiento, elevación, transporte (neumático, aspiradores, filtrado), moldeado
Baja densidad molecular Eliminar los componentes activos de la atmósfera Lámparas (incandescentes, fluorescentes, tubos eléctricos), fusión, sinterización, empaquetado, encapsulado, detección de fugas
Extracción del gas ocluido o disuelto Desecación, deshidratación, concentración, liofilización, degasificación, impregnación
Disminución de la transferencia de energía Aislamiento térmico, aislamiento eléctrico, microbalanza de vacío, simulación espacial
Gran recorrido libre medio Evitar colisiones Tubos electrónicos, rayos catódicos, TV, fotocélulas, fotomultiplicadores, tubos de rayos X, aceleradores de partículas, espectrómetros de masas, separadores de isótopos, microscopios electrónicos, soldadura por haz de electrones, metalización (evaporación, pulverización catódica), destilación molecular
Tiempo largo de formación de una monocapa Superficies limpias Estudio de la fricción, adhesión, corrosión de superficies. Prueba de materiales para experiencias espaciales.

HistoriaEditar

 
Barómetro de mercurio de Torricelli, que produjo el primer vacío en un laboratorio.

Durante toda la Antigüedad y hasta el Renacimiento se desconocía la existencia de la presión atmosférica. No podían por tanto dar una explicación de los fenómenos debidos al vacío. En Grecia se enfrentaron por ello dos teorías. Para Epicuro y sobre todo para Demócrito (420 a. C.) y su escuela, la materia no era un todo continuo sino que estaba compuesta por pequeñas partículas indivisibles (átomos) que se movían en un espacio vacío y que con su distinto ordenamiento daban lugar a los distintos estados físicos. Por el contrario, Aristóteles excluía la noción de vacío y para justificar los fenómenos que su propia Física no podía explicar recurría al célebre aforismo según el cual «la Naturaleza siente horror al vacío» (teoría que resultó dominante durante la Edad Media y hasta el descubrimiento de la presión).

Este término de horror vacui fue el utilizado incluso por el propio Galileo a comienzos del siglo XVII al no poder explicar ante sus discípulos el hecho de que una columna de agua en un tubo cerrado por su extremo no se desprenda, si el tubo ha sido invertido estando sumergido el extremo libre del mismo dentro de agua. Sin embargo, supo transmitir a sus discípulos la inquietud por explicar el hecho anterior y asociado a él, por qué las bombas aspirantes-impelentes (órgano hidráulico inventado por el alejandrino Ctesibio, contemporáneo de Arquímedes) no podían hacer subir el agua de los pozos a una altura superior a los 10 m.

En 1630 Giovanni Battista Baliani envió una carta a Galileo Galilei donde le notificaba que no lograba que el agua en los sifones subiera más allá de 10 m. Galileo le propuso que la explicación era que el vacío no tenía fuerza suficiente nada más que para levantar esa cantidad de agua. En 1640 el italiano Gasparo Berti tratando de explicar lo que ocurría con los sifones realizó el primer experimento con el vacío. Creó lo que constituye, primordialmente, un barómetro de agua, el cual resultó capaz de producir vacío.

Al analizar el informe experimental de Berti, Evangelista Torricelli captó con claridad el concepto de presión de aire, por lo que diseñó, en 1644, un dispositivo para demostrar los cambios de presión en el aire. Construyó un barómetro que en lugar de agua empleaba mercurio, y de esta manera, sin proponérselo, comprobó la existencia del vacío.

El barómetro de Torricelli constaba de un recipiente y un tubo lleno de mercurio (Hg) cerrado en uno de sus extremos. Al invertir el tubo dentro del recipiente se formaba vacío en la parte superior del tubo. Esto era algo difícil de entender en su época, por lo que se intentó explicarlo diciendo que esa región del tubo contenía vapor de mercurio, argumento poco aceptable ya que el nivel de mercurio en el tubo era independiente del volumen del mismo utilizado en el experimento.

La aceptación del concepto de vacío se dio cuando en 1648, Blaise Pascal subió un barómetro con 4 kg de mercurio a una montaña a 1000 metros sobre el nivel del mar. Sorprendentemente, cuando el barómetro estaba en la cima, el nivel de la columna de Hg en el tubo era mucho menor que al pie de la montaña. Torricelli aseguraba la existencia de la presión de aire y decía que debido a ella el nivel de Hg en el recipiente no descendía, lo cual hacía que el tamaño de la columna de mercurio permaneciera constante dentro del tubo. Así pues, al disminuir la presión del aire en la cima de la montaña, el nivel de Hg en el recipiente subió y en la columna dentro del tubo bajó inmediatamente (se vació de manera parcial).

El paso final que dio Torricelli fue la construcción de un barómetro de mercurio que contenía en la parte vacía del tubo otro barómetro para medir la presión de aire en esa región. Se hicieron muchas mediciones y el resultado fue que no había una columna de mercurio en el tubo del barómetro pequeño porque no se tenía presión de aire. Esto aclaró que no existía vapor de mercurio en la parte vacía del tubo. Así, se puso en evidencia la presión del aire y, lo más importante, la producción y existencia del vacío.

Entonces, después de varios experimentos se puede explicar bien el funcionamiento del barómetro de Torricelli: la atmósfera ejerce una presión, lo cual impide que el mercurio salga del tubo y del recipiente; es decir, cuando la presión atmosférica se iguale a la presión ejercida por la columna de mercurio, el mercurio no podrá salir del tubo. Cuando el aire pesa más, soporta una columna mayor de mercurio; y cuando pesa menos, no es capaz de resistir la misma columna de mercurio, así que se escapa un poco de mercurio del tubo.


Cronología de descubrimientos sobre la tecnología de vacío
Año Autor Descubrimiento o trabajo
1643 Evangelista Torricelli El vacío en la columna de 760 mm de mercurio
1650 Blaise Pascal Variación de la columna de mercurio con la altura
1654 Otto von Guericke Bombas de vacío de pistón. Hemisferio de Magdeburgo
1662 Robert Boyle Ley presión-volumen de los gases ideales
1679 Edme Mariotte Ley presión-volumen de los gases ideales
1775 Antoine Lavoisier El aire fomado por una mezcla de O2 y N2
1783 Daniel Bernouilli Teoría cinética de los gases
1802 Jacques Charles-J. Gay Lussac Ley de Charles y Gay-Lussac, ley volumen-temperatura de los gases ideales
1803 William Henry Ley de Henry:a una temperatura constante, la cantidad de gas disuelta en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre el líquido
1810 Medhurst Propone la primera línea neumática de vacío entre oficinas de correos
1811 Amadeo Avogadro La densidad molecular de los gases es corriente
1850 Geissler y August Toepler Bomba de vacío mediante columna de mercurio
1859 James Clerk Maxwell Leyes de la distribución de velocidades en un gas molecular
1865 Hermann Sprengel Bomba de Sprengel, una bomba de vacío por caída de mercurio
1874 Herbert G. McLeod Vacuómetro de McLeod, un vacuómetro de compresión de mercurio
1879 Thomas Alva Edison Lámpara de incandescencia con filamento de C
1879 William Crookes Tubo de rayos catódicos
1881 Johannes van der Waals Ecuación de estado de los gases reales
1893 James Dewar Aislamiento térmico bajo vacío
1895 Wilhelm Röntgen Rayos X
1902 John Ambrose Fleming Diodo de vacío
1904 Arthur Wehnelt Cátodo recubierto por óxido
1905 Wolfgang Gaede Bomba de vacío rotativa
1906 Marcello Pirani Vacuómetro de conductividad térmica
1907 Lee De Forest Triodo de vacío
1909 William Coolidge Lámpara de filamento de tungsteno
1909 Martin Knudsen El flujo molecular de los gases
1913 Wolfgang Gaede Bomba de vacío molecular
1915 William Coolidge Tubo de rayos X
1915 Wolfgang Gaede Bomba difusora de mercurio
1915 Irving Langmuir Lámpara incandescente llena de gas inerte
1916 Irving Langmuir Bomba difusora de condensación de mercurio
1916 Oliver Ellsworth Buckley Galga de ionización de cátodo caliente
1923 F. Holweck Bomba molecular
1935 W. Gaede El gas-ballast en las bombas rotativas
1936 Kenneth Hickman Bomba difusora de aceite
1937 F. M. Penning Vacuómetro de ionización de cátodo frío
1950 R. T. Bayard y D. Alpert Galga de ionización para ultra alto vacío
1953 H. J. Schwarz, R. G. Herb Bombas iónicas

Aplicaciones del vacíoEditar

En muchas ocasiones, en los laboratorios modernos, ocurren situaciones donde un contenedor lleno de un gas debe ser vaciado. La evacuación debe ser el primer paso para crear un nuevo ambiente gaseoso. Durante el proceso de destilación, se debe de remover de manera continua el gas a medida que se desarrolla el proceso. Algunas veces es necesario evacuar el contenedor para prevenir que el aire contamine alguna superficie limpia o que interfiera con alguna reacción química. Haces de partículas atómicas deben ser tratadas al vacío para prevenir la pérdida de momentum a través de las colisiones con las moléculas de aire. Muchas formas de radiación son absorbidas por el aire y por lo tanto solamente pueden ser propagadas sobre largas distancias en el vacío. Un sistema de vacío es una parte esencial para los instrumentos de laboratorio, tales como el espectómetro de masa y los microscopios electrónicos. Sistemas de vacío simples son utilizados para la deshidratación al vacío y la congelación al vacío. Aceleradores de partículas nucleares y dispositivos termonucleares requieren de sistemas de vacío muy sofisticados y de enormes proporciones. En procesos industriales modernos, dentro de los más notables la fabricación de semiconductores, se requieren de ambientes cuidadosamente controlados al vacío.

Sistemas de vacíoEditar

La presión y composición de los gases residuales en un sistema de vacío varía considerablemente con su diseño e historia. Para algunas aplicaciones una densidad de gas residual de decenas de miles de millones de moléculas por centímetro cúbico es tolerable. En otros casos, no más de unos cientos de miles de moléculas por centímetro cúbico constituyen un vacío aceptable.

Para presiones por debajo de la atmosférica se suele categorizar el vacío de la siguiente forma:

Rango de Vacío Presión en hPa (mbar) Presión en mmHg (Torr) Moléculas / cm3 Moléculas / m3 Camino libre medio
Presión ambiental 1013 759.8 2.7 × 1019 2.7 × 1025 68 nm[1]
Bajo Vacío 300 – 1 225 – 7.501×10−1 1019 – 1016 1025 – 1022 0.1 – 100 μm
Medio Vacío 1 – 10−3 7.501×10−1 – 7.501×10−4 1016 – 1013 1022 – 1019 0.1 – 100 mm
Alto Vacío 10−3 – 10−7 7.501×10−4 – 7.501×10−8 1013 – 109 1019 – 1015 10 cm – 1 km
Ultra Alto Vacío 10−7 – 10−12 7.501×10−8 – 7.501×10−13 109 – 104 1015 – 1010 1 km – 105 km
Vacío Extremadamente Alto <10−12 <7.501×10−13 <104 <1010 >105 km

La composición del gas en un sistema de vacío se modifica a la vez que el sistema evacua debido a que la eficiencia de las bombas de vacío es diferente para diferentes gases. A bajas presiones las moléculas de las paredes del contenedor comienzan ser des absorbidas y se conforma el gas residual. Inicialmente, el grueso del gas que deja las paredes es vapor de agua y dióxido de carbono; a muy bajas presiones, en contenedores que han sido horneados, se tiene hidrógeno.

Véase tambiénEditar

BibliografíaEditar

  • Talavera, Laura; Mario Farías (1990). El vacío y sus aplicaciones. México: La Ciencia para Todos. ISBN 978-968-16-7032-0. 
  • Ribas, Albert (2008). Biografía del vacío. Su historia filosófica y científica desde la Antigüedad a la Edad Moderna (4.ª ed. edición). Barcelona: Sunya. ISBN 978-846-1239-252. 

ReferenciasEditar

  1. Jennings, S (1988). «The mean free path in air». Journal of Aerosol Science 19 (2): 159. doi:10.1016/0021-8502(88)90219-4. 

Enlaces externosEditar