Un vacío ( pl.: vacuos o vacua ) es un espacio desprovisto de materia . La palabra se deriva del adjetivo latino vacuus (vacío neutro ) que significa "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 resultados de pruebas ideales que ocurrirían en un vacío perfecto , al que a veces simplemente llaman "vacío" o espacio libre , y usan el término vacío parcial para referirse a un vacío imperfecto real como el que uno podría tener en un laboratorio o en el espacio . Por el contrario, en ingeniería y física aplicada, el vacío se refiere a cualquier espacio en el que la presión es considerablemente menor que la presión atmosférica. [2] El término latino in vacuo se utiliza para describir un objeto que está rodeado por un vacío.
La calidad de un vacío parcial se refiere a qué tan cerca se acerca a un vacío perfecto. En igualdad de condiciones, una presión de gas más baja significa un vacío de mayor calidad. Por ejemplo, una aspiradora típica produce suficiente succión para reducir la presión del aire en aproximadamente un 20%. [3] Pero es posible utilizar aspiradoras de mayor calidad. Las cámaras de ultra alto vacío , comunes en química, física e ingeniería, funcionan por debajo de una billonésima parte (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 época de la antigua Grecia , pero no se estudió empíricamente hasta el siglo XVII. Clemens Timpler (1605) filosofó sobre la posibilidad experimental de producir vacío en pequeños tubos. [6] Evangelista Torricelli produjo el primer vacío de laboratorio en 1643, y se desarrollaron otras técnicas experimentales como resultado de sus teorías de la presión atmosférica. Un vacío torricelliano se crea llenando con mercurio un recipiente alto de vidrio cerrado por un extremo y luego invirtiéndolo en un recipiente para contener el mercurio (ver más abajo). [7]
El vacío se convirtió en una valiosa herramienta industrial en el siglo XX con la introducción de las bombillas incandescentes y los tubos de vacío , y desde entonces está disponible una amplia gama de tecnologías de vacío. El desarrollo de los vuelos espaciales tripulados ha despertado el interés por el impacto del vacío en la salud humana y en las formas de vida en general.
La palabra vacío proviene del latín 'un espacio vacío, vacío', uso sustantivo de neutro de vacuus , que significa "vacío", relacionado con vacare , que significa "estar vacío".
Vacío es una de las pocas palabras del idioma inglés que contiene dos instancias consecutivas de la vocal u . [8]
Históricamente, ha habido mucha controversia sobre si puede existir algo llamado vacío. Los filósofos griegos antiguos debatieron la existencia de un vacío en el contexto del atomismo , que postulaba el vacío y el átomo como elementos explicativos fundamentales de la física. Siguiendo a Platón , incluso el concepto abstracto de un vacío sin rasgos distintivos enfrentaba un escepticismo considerable: no podía ser aprehendido por los sentidos, no podía, en 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 pueda decir con razón que exista. Aristóteles creía que ningún vacío podía ocurrir naturalmente, porque el continuo material circundante más denso llenaría inmediatamente cualquier rareza incipiente que pudiera dar lugar a un vacío.
En su Física , libro IV, Aristóteles ofreció numerosos argumentos contra el vacío: por ejemplo, que el movimiento a través de un medio que no ofreciera ningún impedimento podía continuar ad infinitum , no habiendo ninguna razón para que algo llegara a descansar en un lugar determinado. 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. [9]
En el mundo musulmán medieval , el físico y erudito islámico Al-Farabi escribió un tratado rechazando la existencia del vacío en el siglo X. [10] Concluyó que el volumen del aire puede expandirse para llenar el espacio disponible y, por lo tanto, el concepto de vacío perfecto era incoherente. [11] Según Nader El-Bizri, el físico Ibn al-Haytham y los teólogos Mu'tazili no estaban de acuerdo con Aristóteles y Al-Farabi, y apoyaban la existencia de un vacío. Utilizando la geometría , Ibn al-Haytham demostró matemáticamente que el lugar ( al-makan ) es el vacío tridimensional imaginado entre las superficies internas de un cuerpo contenedor. [12] Según Ahmad Dallal , Abū Rayhān al-Bīrūnī también afirma que "no hay evidencia observable que descarte la posibilidad del vacío". [13] 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. [14] [15]
Eruditos europeos como Roger Bacon , Blasius de Parma y Walter Burley en los siglos XIII y XIV centraron considerable atención en cuestiones relativas al concepto de vacío. Finalmente, siguiendo la física estoica en este caso, los eruditos del siglo XIV en adelante se alejaron cada vez más de la perspectiva aristotélica en favor de un vacío sobrenatural más allá de los confines del cosmos mismo, una conclusión ampliamente reconocida en 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 estaba de acuerdo con la posición contemporánea de que el vacío no ocurre en la naturaleza, el éxito de su sistema de coordenadas homónimo y, más implícitamente, el componente espacial-corpóreo de su metafísica llegaría a definir la noción filosóficamente moderna de espacio vacío como un espacio cuantificado. extensión del volumen. Sin embargo, según la definición antigua, la información direccional y la magnitud eran conceptualmente distintas.
Los experimentos mentales medievales sobre la idea de vacío consideraron si había vacío, aunque solo fuera por un instante, entre dos placas planas cuando se separaban rápidamente. [17] Hubo mucha discusión sobre si el aire entró lo suficientemente rápido cuando las placas se separaron o, como postuló Walter Burley , si un "agente celestial" impidió que surgiera el vacío. La opinión común de que la naturaleza aborrecía el vacío se llamó horror vacui . Incluso se especuló que ni siquiera Dios podría crear un vacío si quisiera y las condenas en París del obispo Étienne Tempier en 1277 , que exigían que no hubiera restricciones a los poderes de Dios, llevaron a la conclusión de que Dios podría crear un vacío si quisiera. tan deseado. [18] Jean Buridan informó en el siglo XIV que equipos de diez caballos no podían abrir los fuelles cuando el puerto estaba sellado. [9]
El siglo XVII vio los primeros intentos de cuantificar las mediciones del 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 llevó a cabo su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo , demostrando que, debido a la presión atmosférica fuera de los hemisferios, yuntas de caballos no podían separar dos hemisferios de los cuales se había evacuado parcialmente el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y, con la ayuda de Robert Hooke, desarrolló aún más la tecnología de bombas de vacío. A partir de entonces, la investigación sobre el vacío parcial decayó 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 ). A este nivel de vacío se pueden observar una serie de propiedades eléctricas, 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 pensaba que los cielos estaban llenos sin fisuras de un material rígido e indestructible llamado éter . Tomando prestado un poco del pneuma de la física estoica , el éter pasó 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 influyó en las explicaciones de Isaac Newton sobre la refracción y el calor radiante. [21] Los experimentos del siglo XIX con este éter luminífero intentaron detectar una mínima resistencia en la órbita de la Tierra. Si bien la Tierra, de hecho, se mueve a través de un medio relativamente denso en comparación con el del espacio interestelar, la resistencia es tan minúscula que no pudo detectarse. En 1912, el astrónomo Henry Pickering comentó: "Si bien el medio absorbente interestelar puede ser simplemente el éter, es característico de un gas, y ciertamente hay moléculas gaseosas libres allí". [22]
Posteriormente, en 1930, Paul Dirac propuso un modelo del vacío como un mar infinito de partículas poseedoras de energía negativa, llamado mar de Dirac . Esta teoría ayudó a refinar las predicciones de su ecuación de Dirac formulada anteriormente y predijo con éxito la existencia del positrón , confirmada dos años después. El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg , formulado en 1927, predijo un límite fundamental dentro del cual se pueden medir la posición y el impulso instantáneos, o la energía y el tiempo. Esto tiene consecuencias de gran alcance sobre el "vacío" del espacio entre las partículas. A finales del siglo XX se confirmó la existencia de las llamadas partículas virtuales , que surgen espontáneamente del espacio vacío. [ cita necesaria ]
El criterio más estricto para definir el vacío es una región del espacio y del tiempo donde todos los componentes del tensor tensión-energía son cero. Esto significa que esta región está desprovista de energía y momento y, en consecuencia, debe estar vacía de partículas y otros campos físicos (como el electromagnetismo) que contienen energía y momento.
En la relatividad general , un tensor tensión-energía evanescente 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 nula) es un ejemplo elegante de una región completamente "llena" de vacío, pero que aún muestra una fuerte curvatura.
En el electromagnetismo clásico , el vacío del espacio libre , o a veces simplemente el espacio libre o el vacío perfecto , es un medio de referencia estándar para los efectos electromagnéticos. [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:
El vacío del electromagnetismo clásico puede verse como un medio electromagnético idealizado con relaciones constitutivas en unidades SI: [33]
relacionando el campo de desplazamiento eléctrico D con el campo eléctrico E y el campo magnético o H -campo H con la inducción magnética o B -campo B . Aquí r es una ubicación espacial y t es el tiempo.
En mecánica cuántica y teoría cuántica de campos , el vacío se define como el estado (es decir, la solución de las ecuaciones de la teoría) con la 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 alguna manera de un volumen, sería imposible eliminar todos los fotones del cuerpo negro ). No obstante, proporciona un buen modelo para el vacío realizable y concuerda con una serie de observaciones experimentales que se describen a continuación.
El vacío QED tiene propiedades interesantes y complejas. En el vacío QED, los campos eléctrico y magnético tienen valores promedio cero, pero sus 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 ubicua 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 inicio y el final de la inflación cosmológica surgieron de transiciones entre diferentes estados de vacío. Para las teorías obtenidas por cuantificación de una teoría clásica, cada punto estacionario de la energía en el espacio de configuración da lugar a un único 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 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 unos pocos 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 aproximadamente 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 isotrópica del gas rápidamente se vuelve insignificante en comparación con la presión de radiación del Sol y la presión dinámica de los vientos solares , por lo que la definición de presión se vuelve difícil de interpretar. La termosfera en este rango tiene grandes gradientes de presión, temperatura y composición, y varía mucho debido al clima espacial . Los astrofísicos prefieren utilizar la densidad numérica para describir estos entornos, en unidades de partículas por centímetro cúbico.
Pero aunque cumple con la definición de espacio exterior, la densidad atmosférica dentro de los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea de Kármán sigue siendo suficiente para producir una resistencia significativa a 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 varias veces al año (dependiendo de la actividad solar). [38] La resistencia aquí es lo suficientemente baja como para que, en teoría, podría superarse mediante 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 son erosionadas por los vientos solares. [ cita necesaria ]
Todo el universo observable está lleno de una gran cantidad de fotones , la llamada radiación cósmica de fondo , y muy probablemente de la correspondiente gran cantidad de neutrinos . La temperatura actual de esta radiación es de aproximadamente 3 K (-270,15 °C ; -454,27 °F ).
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 aquel en el que queda muy poca materia. El vacío se mide principalmente por su presión absoluta , pero una caracterización completa requiere parámetros adicionales, como la temperatura y la composición química. Uno de los parámetros más importantes es el camino libre medio (MFP) de los gases residuales, que indica la distancia promedio que recorrerán las moléculas entre colisiones entre sí. A medida que disminuye la densidad del gas, el MFP aumenta y cuando el MFP es más largo que la cámara, la bomba, la nave espacial u otros objetos presentes, los supuestos continuos de la mecánica de fluidos no se aplican. Este estado de vacío se denomina alto vacío , y el estudio de los flujos de fluidos en este régimen se denomina dinámica de gases de partículas. El MFP del aire a presión atmosférica es muy corto, 70 nm , pero a 100 mPa (≈10 −3 Torr ) el MFP del aire a temperatura ambiente es de aproximadamente 100 mm, que es del orden de objetos cotidianos como los tubos de vacío . El radiómetro de Crookes gira cuando el MFP es más grande que el tamaño de las paletas.
La calidad del vacío se subdivide en rangos según la tecnología necesaria para alcanzarla o medirla. Estos rangos se definieron en ISO 3529-1:2019 como se muestra en la siguiente tabla (100 Pa corresponde a 0,75 Torr; Torr es una unidad que no pertenece al SI):
El vacío se mide en unidades de presión , generalmente como una resta relativa a la presión atmosférica ambiental en la Tierra. Pero la cantidad de vacío relativo mensurable varía según las condiciones locales. En la superficie de Venus , donde la presión atmosférica a nivel del suelo es mucho mayor 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 mensurable 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 a 1 atm) es efectivamente una cámara de vacío que mantiene alejadas las presiones aplastantes del agua exterior, aunque la Normalmente, 1 atm dentro del submarino no se consideraría vacío.
Por lo tanto, para comprender adecuadamente las siguientes discusiones sobre la medición del vacío, es importante que el lector suponga que las mediciones relativas se realizan en la Tierra al nivel del mar, exactamente a 1 atmósfera de presión atmosférica ambiental.
La unidad de presión del SI es el pascal (símbolo Pa), pero el vacío a menudo se mide en torrs , llamado así en honor al físico italiano Torricelli (1608-1647). Un torr es igual al desplazamiento de un milímetro de mercurio ( mmHg ) en un manómetro y 1 torr equivale a 133,3223684 pascales por encima de la presión del cero absoluto. El vacío también se mide a menudo en la escala barométrica o como porcentaje de la presión atmosférica en bares o atmósferas . El bajo vacío 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 vacuómetros bajos que leen, por ejemplo, 50,79 Torr. Muchos medidores de vacío bajos y económicos tienen un margen de error y pueden informar un vacío de 0 Torr, pero en la práctica esto generalmente requiere una paleta rotativa de dos etapas u otro tipo medio de bomba de vacío para ir mucho más allá (menos de) 1 torr.
Se utilizan muchos dispositivos para medir la presión en el vacío, dependiendo del rango de vacío que se necesite. [40]
Los manómetros hidrostáticos (como el manómetro de columna de mercurio ) consisten en una columna vertical de líquido en un tubo cuyos extremos están expuestos a diferentes presiones. La columna subirá o bajará hasta que su peso esté en equilibrio con la diferencia de presión entre los dos extremos del tubo. El diseño más simple es un tubo con extremo cerrado en forma de U, uno de cuyos lados está conectado a la región de interés. Se puede utilizar cualquier fluido, pero se prefiere el mercurio por su alta densidad y baja presión de vapor. Los manómetros hidrostáticos simples pueden medir presiones que van desde 1 torr (100 Pa) hasta superiores a la atmosférica. Una variación importante es el medidor McLeod que aísla un volumen conocido de vacío y lo comprime para multiplicar la variación de altura de la columna de líquido. El manómetro McLeod puede medir vacíos de hasta 10 −6 torr (0,1 mPa), que es la medición directa de presión más baja posible con la tecnología actual. Otros vacuómetros pueden medir presiones más bajas, pero sólo indirectamente mediante la medición de otras propiedades controladas por presión. Estas mediciones indirectas deben calibrarse mediante una medición directa, más comúnmente un medidor McLeod. [41]
El kenotómetro es un tipo particular de medidor 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. [42]
Los medidores mecánicos o elásticos dependen de un tubo, diafragma o cápsula de Bourdon, generalmente hechos de metal, que cambiarán 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 condensador. Un cambio de presión provoca la flexión del diafragma, lo que da como resultado un cambio de capacitancia. Estos calibres son efectivos desde 10 3 torr hasta 10 −4 torr y más.
Los medidores de conductividad térmica se basan en el hecho de que la capacidad de un gas para conducir calor disminuye con la presión. En este tipo de calibre, un filamento de alambre se calienta haciendo pasar corriente a través de él. Luego se puede utilizar un termopar o un detector de temperatura de resistencia (RTD) para medir la temperatura del filamento. Esta temperatura depende de la velocidad a la que el filamento pierde calor hacia el gas circundante y, por tanto, de la conductividad térmica. Una variante común es el calibre Pirani , que utiliza un único 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 ultraalto. Los hay de dos tipos: de cátodo caliente y de cátodo frío. En la versión de cátodo caliente, un filamento calentado eléctricamente produce un haz de electrones. Los electrones viajan a través del medidor e ionizan las moléculas de gas 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 superficiales. Su calibración puede invalidarse mediante activación a presión atmosférica o bajo vacío. La composición de los gases a alto vacío suele ser impredecible, por lo que se debe utilizar un espectrómetro de masas junto con el medidor de ionización para una medición precisa. [43]
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 ultraalto se utiliza en el estudio de sustratos atómicamente limpios, ya que sólo un muy buen vacío preserva las superficies limpias a escala atómica durante un tiempo razonablemente largo (del orden de minutos a días). El vacío alto a ultra alto elimina la obstrucción del aire, lo que permite que los haces de partículas depositen o eliminen materiales sin contaminación. Este es el principio detrás de la deposición química de vapor , la deposición física de vapor y el grabado en seco , que son esenciales para la fabricación de semiconductores y recubrimientos ópticos , y para la ciencia de superficies . La reducción de la convección proporciona el aislamiento térmico de los termos . El vacío profundo reduce el punto de ebullición de los líquidos y promueve la desgasificación a baja temperatura , que se utiliza en liofilización , preparación de adhesivos , destilación , metalurgia y purga de procesos. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posibles los microscopios electrónicos y los tubos de vacío , incluidos los tubos de rayos catódicos . Los interruptores de vacío se utilizan en aparamentas eléctricas. 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 .
Las aspiradoras se utilizan comúnmente para producir succión , que tiene una variedad aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor Newcomen utilizaba vacío en lugar de presión para impulsar un pistón. En el siglo XIX, el vacío se utilizó para la tracción en el ferrocarril atmosférico experimental de Isambard Kingdom Brunel . Los frenos de vacío alguna vez se usaron ampliamente en los trenes del Reino Unido pero, excepto en los ferrocarriles tradicionales , han sido reemplazados por frenos de aire .
El colector de vacío se puede utilizar para accionar accesorios en automóviles . La aplicación más conocida es el servo de vacío , utilizado para proporcionar asistencia eléctrica a los frenos . Las aplicaciones obsoletas incluyen limpiaparabrisas accionados por vacío y bombas de combustible Autovac . Algunos instrumentos de aeronaves ( el indicador de actitud (AI) y el indicador de rumbo (HI) ) suelen funcionar con energía de vacío, como protección contra la pérdida de todos los instrumentos (eléctricos), ya que los primeros aviones 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 el vacío en el condensador es un aspecto importante del funcionamiento eficiente de las turbinas de vapor . Para ello se utiliza un eyector de chorro de vapor o una bomba de vacío de anillo líquido . El vacío típico 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.
La evaporación y la sublimación al vacío se denomina desgasificación . Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor , y su desgasificación se vuelve importante cuando la presión de vacío cae por debajo de esta presión de vapor. La desgasificación tiene el mismo efecto que una fuga y limitará el vacío alcanzable. Los productos desgasificados pueden condensarse en superficies cercanas más frías, lo que puede resultar problemático si oscurecen los instrumentos ópticos o reaccionan con otros materiales. Esto es de gran preocupación para las misiones espaciales, donde un telescopio o una célula solar oscurecidos pueden arruinar una misión costosa.
El producto desgasificado más frecuente en los sistemas de vacío es el agua absorbida por los materiales de la cámara. Se puede reducir desecando u horneando la cámara y retirando los materiales absorbentes. El agua desgasificada puede condensarse en el aceite de las bombas de paletas rotativas y reducir drásticamente su velocidad neta si no se utiliza gas de lastre. Los sistemas de alto vacío deben estar limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.
Los sistemas de vacío ultraalto generalmente se hornean, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales desgasificados y eliminarlos por ebullición. Una vez que la mayor parte de los materiales desgasificados se han evaporado y evacuado, el sistema puede enfriarse para reducir las presiones de vapor 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.
Por lo general, los fluidos no se pueden extraer, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión . La succión puede extenderse y diluir el 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 sencilla de crear un vacío artificial es ampliar el volumen de un recipiente. Por ejemplo, el músculo diafragma expande la cavidad torácica, lo que hace que aumente el volumen de los pulmones. Esta expansión reduce la presión y crea un vacío parcial, que pronto se llena con aire empujado por la presión atmosférica.
Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimento del vacío se puede cerrar, agotar y expandir nuevamente repetidamente. Este es el principio detrás de las bombas de desplazamiento positivo , como la bomba de agua manual, por ejemplo. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para crear un vacío. Debido al diferencial de presión, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime hasta alcanzar un tamaño diminuto.
La explicación anterior es simplemente una simple introducción al bombeo de vacío y no es representativa de toda la gama de bombas en uso. Se han desarrollado muchas variaciones de la bomba de desplazamiento positivo y muchos otros diseños de bombas se basan en principios fundamentalmente diferentes. Las bombas de transferencia de impulso , que guardan algunas similitudes con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden lograr vacíos de mucha mayor calidad que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de atrapamiento pueden capturar gases en estado sólido o absorbido, a menudo sin partes móviles, sin sellos ni vibraciones. Ninguna de estas bombas es universal; Cada tipo tiene importantes limitaciones de rendimiento. Todos comparten la dificultad de bombear gases de bajo peso molecular, especialmente hidrógeno , helio y neón .
La presión más baja que se puede alcanzar en un sistema también depende de muchas cosas además de la naturaleza de las bombas. Se pueden conectar varias bombas en serie, llamadas etapas, para lograr vacíos más altos. La elección de los sellos, la geometría de la cámara, los materiales y los procedimientos de bombeo tendrán un impacto. En conjunto, se denominan técnica de vacío . Y en ocasiones, la presión final no es la única característica relevante. Los sistemas de bombeo se diferencian por 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 ultraalto , 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 capacidad de adsorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio . Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. Es posible que sea necesario considerar la permeabilidad de las paredes metálicas de la cámara y que 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). [44] Sin embargo, se han medido indirectamente presiones tan bajas como 5 × 10 −17 torrs (6,7 fPa) en un sistema de vacío criogénico de 4 K (−269,15 °C; −452,47 °F). [4] Esto corresponde a ≈100 partículas/cm 3 .
Los 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 comúnmente se describen en los medios y la cultura popular. La reducción de la presión reduce la temperatura a la que hierven la sangre y otros fluidos corporales, pero la presión elástica de los vasos sanguíneos garantiza que este punto de ebullición se mantenga por encima de la temperatura interna del cuerpo de 37 °C. [45] Aunque la sangre no hierve, la formación de burbujas de gas en los fluidos corporales a presiones reducidas, conocida como ebullismo , sigue siendo una preocupación. El gas puede hinchar el cuerpo hasta el doble de su tamaño normal y ralentizar la circulación, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos y porosos como para evitar la ruptura. [46] La hinchazón y el ebullismo se pueden controlar conteniéndolos con un traje de vuelo . Los astronautas del transbordador llevaban una prenda elástica ajustada llamada Crew Altitude Protection Suit (CAPS) que previene el ebullismo a presiones tan bajas como 2 kPa (15 Torr). [47] La ebullición rápida enfriará la piel y creará escarcha, especialmente en la boca, pero esto no representa un peligro significativo.
Los experimentos con animales muestran que la recuperación rápida y completa es normal para exposiciones de menos de 90 segundos, mientras que las exposiciones más prolongadas de todo el cuerpo son fatales y la reanimación nunca ha tenido éxito. [48] Un estudio realizado por la NASA en ocho chimpancés encontró que todos sobrevivieron a dos minutos y medio de exposición al vacío. [49] Sólo hay una cantidad limitada de datos disponibles sobre accidentes humanos, pero son consistentes con los datos de animales. Las extremidades pueden estar expuestas durante mucho más tiempo si no se altera la respiración. [50] Robert Boyle fue el primero en demostrar en 1660 que el vacío es letal para los animales pequeños.
Un experimento indica que las plantas son capaces de sobrevivir en un ambiente de baja presión (1,5 kPa) durante unos 30 minutos. [51] [52]
Las atmósferas frías o ricas en oxígeno pueden sustentar la vida a presiones mucho más bajas que la atmosférica, siempre que la densidad del oxígeno sea similar a la de la atmósfera estándar al nivel del mar. Las temperaturas del aire más frías que se encuentran a altitudes de hasta 3 km generalmente compensan las presiones más bajas allí. [50] Por encima de esta altitud, el enriquecimiento de oxígeno es necesario para prevenir el mal de altura en humanos que no se sometieron a una aclimatación previa , y los trajes espaciales son necesarios para prevenir el ebullismo por encima de los 19 km. [50] La mayoría de los trajes espaciales utilizan sólo 20 kPa (150 Torr) de oxígeno puro. Esta presión es lo suficientemente alta como para prevenir el ebullismo, pero aún pueden ocurrir enfermedades por descompresión y embolias gaseosas si no se controlan las tasas de descompresión.
La descompresión rápida puede ser mucho más peligrosa que la exposición al vacío en sí. Incluso si la víctima no contiene la respiración, la ventilación a través de la tráquea puede ser demasiado lenta para evitar la ruptura fatal de los delicados alvéolos de los pulmones . [50] Los tímpanos y los senos nasales pueden romperse debido a una descompresión rápida, los tejidos blandos pueden sufrir hematomas y filtrar sangre, y el estrés del shock acelerará el consumo de oxígeno y provocará hipoxia. [53] Las lesiones causadas por una descompresión rápida se denominan barotrauma . Una caída de presión de 13 kPa (100 Torr), que no produce síntomas si es gradual, puede ser mortal si se produce de forma repentina. [50]
Algunos microorganismos extremófilos , como los tardígrados , pueden sobrevivir en condiciones de vacío durante períodos de días o semanas. [54]
... trata del vacío cuántico, donde, a diferencia del vacío clásico, la radiación tiene propiedades, en particular fluctuaciones, a las que se pueden asociar efectos físicos.
Volviendo al vacío de una teoría de campos relativista, encontramos que están presentes contribuciones tanto paramagnéticas como diamagnéticas.El vacío QCD es paramagnético , mientras que el vacío QED es diamagnético . Véase Carlos A. Bertulani (2007). Física nuclear en pocas palabras. Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 26. Bibcode : 2007npn..libro.....B. ISBN 978-0-691-12505-3.
El estado fundamental de mínima energía, el vacío, no es único y existe un continuo de estados degenerados que en conjunto respetan la simetría...
