Vacío

El vacío (del latín 'mendiondo pete') es la ausencia total de materia en un ojo (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, 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 del vacío

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

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 = 1,316 × 10^–3 atm.

Medición de bajas presiones

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

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

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

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

Aplicaciones del vacío

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 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:

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​
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 también

• Camino libre medio
• Creación de pares
• Vacío ideal
• Energía del punto cero
• Energía del vacío
• Vacío cuántico
• Válvula termoiónica
• Vacuómetro de McLeod
• Hemisferios de Magdeburgo

Bibliografía

• 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

• Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre vacío.
• EditorialSunya.com (la web del vacío)