Vacío

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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 naturalment y ser provocado en forma artificial, ya sea para usos tecnológicos o científicos, o en la vida diaria. Se aprovecha en diversas industrias, como la alimentaria, la automovilística o la farmacéutica.

Definición[editar]

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 disminuyamos la presión, mayor vacío obtendremos, lo que nos permite clasificar el grado de vacío en correspondencia con intervalos de presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene características propias

Medición del vacío[editar]

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 kilómetros por hora. 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, decimos que una atmósfera estándar es igual a 760 mmHg. Utilizaremos 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 = 1,136 × 10–3 atm.


Medición de bajas presiones[editar]

Pirani construyó el primer aparato capaz de medir presiones muy pequeñas, menores de 10–5 Torr. Para entender como funciona debemos pensar que en la zona donde se ha producido el vacío tenemos un filamento metálico por el que pasa una corriente. La resistencia eléctrica de ese filamento depende de la temperatura. La temperatura que alcanza el filamento para un voltaje dado depende de la cantidad de moléculas de gas que hay a su alrededor. Esas moléculas actúan como «abrigo» del metal. Por lo tanto, la temperatura del filamento depende del abrigo: más moléculas ―> más abrigo ―> más temperatura. Menos moléculas ―> mayor vacío ―> menor temperatura. Como la resistencia depende de la temperatura nos basta medirla para saber el nivel de vacío que hay. Para medir la resistencia basta medir el voltaje aplicado y la intensidad resultante.

Medidas de ionización[editar]

Tienen el mismo fundamento que las bombas de ionización, hasta el punto que éstas pueden considerarse como una consecuencia de aquéllas. 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 vacío[editar]

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.

Historia[editar]

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 Hg 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.

Tabla de descubrimientos sobre la tecnología de vacío
Autor Descubrimiento o trabajo Año
Evangelista Torricelli El vacío en la columna de 760 mm de mercurio 1643
Blaise Pascal Variación de la columna de Hg con la altura 1650
Otto von Guericke Bombas de vacío de pistón. Hemisferio de Magdeburgo 1654
Robert Boyle Ley presión-volumen de los gases ideales 1662
Edme Mariotte Ley presión-volumen de los gases ideales 1679
A. L. Lavoisier El aire fomado por una mezcla de O2 y N2 1775
Daniel Bernouilli Teoría cinética de los gases 1783
J.A. Charles-J. Gay Lussac Ley volumen-temperatura de los gases ideales 1802
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 1803
Medhurst Propone la primera línea neumática de vacío entre oficinas de correos 1810
Amadeo Avogadro La densidad molecular de los gases es corriente 1811
Geissler y Toepler Bomba de vacío mediante columna de mercurio 1850
J. K. Maxwell Leyes de la distribución de velocidades en un gas molecular 1859
Sprengel Bomba de vacío por caída de mercurio 1865
H. Mc Leod Vacuómetro de compresión de mercurio (McLeod) 1874
T. A. Edison Lámpara de incandescencia con filamento de C 1879
W. Crookes Tubo de rayos catódicos 1879
J. Van der Waals Ecuación de estado de los gases reales 1881
James Dewar Aislamiento térmico bajo vacío 1893
Wilhem Roentgen Rayos X 1895
A. Fleming Diodo de vacío 1902
Arthur Wehnelt Cátodo recubierto por óxido 1904
Wolfgang Gaede Bomba de vacío rotativa 1905
Marcelo Pirani Vacuómetro de conductividad térmica 1906
Lee the Forest Triodo de vacío 1907
W. D. Coolidge Lámpara de filamento de tungsteno 1909
M. Knudsen El flujo molecular de los gases 1909
W. Gaede Bomba de vacío molecular 1913
W. D. Coolidge Tubos de rayos X 1915
W. Gaede Bomba difusora de mercurio 1915
Irving Langmuir Lámpara incandescente llena de gas inerte 1915
Irving Langmuir Bomba difusora de condensación de mercurio 1916
O. E. Buckley Galga de ionización de cátodo caliente 1916
F. Holweck Bomba molecular 1923
W. Gaede El gas-ballast en las bombas rotativas 1935
Kenneth Hickman Bomba difusora de aceite 1936
F. M. Penning Vacuómetro de ionización de cátodo frío 1937
R. T. Bayard y D. Alpert Galga de ionización para ultra alto vacío 1950
H. J. Schwarz, R. G. Herb Bombas iónicas 1953


Véase también[editar]

Bibliografía[editar]

  • 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. 

Enlaces externos[editar]