Vacío (física)

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.

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.

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 1 atm= 760 Torr; por lo tanto 1 Torr= 1/760 de una atmósfera estándar, o sea 1 Torr= 1,316 × 10^–3 atm.

Uno de los métodos más conocidos para medir bajas presiones es el método desarrollado por Pirani. Consiste en un puente de Wheatstone 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 Wheatstone. Este desequilibrio se mide con un microamperimetro. Luego solo queda interpolar los microamperes generados por el puente de Wheatstone 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 Wheatstone CINDELVAC es la siguiente:

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.

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.

En muchas ocasiones, en los laboratorios modernos, se dan situaciones en las que 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.

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:

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.

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