Valor de vacío. ¿Qué es un vacío físico? Justificación teórica del concepto de éter.

Muy a menudo acuden a nosotros personas que quieren comprar una bomba de vacío, pero no tienen idea de qué es una aspiradora.
Intentemos descubrir qué es.

Por definición, el vacío es un espacio libre de materia (de la palabra latina "vacuus" - vacío).
Existen varias definiciones de vacío: vacío técnico, vacío físico, vacío cósmico, etc.
Consideraremos el vacío técnico, que se define como un gas muy enrarecido.

Veamos un ejemplo de qué es el vacío y cómo se mide.
En nuestro planeta existe una presión atmosférica tomada como uno (una atmósfera). Cambia según la climatología, la altitud y el nivel del mar, pero no lo tendremos en cuenta, ya que esto no afectará en modo alguno a la comprensión del concepto de vacío.
Entonces, tenemos una presión sobre la superficie de la Tierra igual a 1 atmósfera. Todo lo que esté por debajo de 1 atmósfera (en un recipiente cerrado) se llama vacío técnico.

Cogemos un recipiente y lo cerramos con una tapa hermética. La presión en el recipiente será de 1 atmósfera. Si comenzamos a bombear aire fuera de un recipiente, surgirá en él un vacío, que se llama vacío.
Veamos un ejemplo: hay 10 círculos en el recipiente de la izquierda. Sea 1 atmósfera.
"bombee" la mitad: obtenemos 0,5 atm, deje una, obtenemos 0,1 atm.

Dado que solo hay una atmósfera en el recipiente, entonces el vacío máximo posible que podemos obtener (teóricamente) es cero atmósferas.
"Teóricamente" - porque Es casi imposible capturar todas las moléculas de aire del recipiente.
Por lo tanto, en cualquier recipiente del que se haya bombeado aire (gas), siempre queda una cantidad mínima del mismo. Esto se llama "presión residual", es decir, la presión que permanece en el recipiente después de bombear gases fuera de él.
Hay bombas especiales que pueden alcanzar un vacío profundo de hasta 0,00001 Pa, pero aún no llegar a cero.
En la vida cotidiana, rara vez se requiere un vacío de más de 0,5 - 10 Pa (0,00005-0,0001 atm).

Existen varias opciones para medir el vacío, según la elección del punto de referencia:
1. La unidad se considera presión atmosférica. Todo lo que está debajo de uno es un vacío.
Es decir, la escala del vacuómetro es de 1 a 0 atm (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0).
2. La presión atmosférica se considera cero. Es decir, un vacío: todos los números negativos son menores que 0 y hasta -1.
Es decir, la escala del vacuómetro es de 0 a -1 (0, -0,1...-0,2....,-0,9,...-1).
Además, las escalas pueden estar en kPa, mBar, pero todo esto es similar a las escalas en atmósferas.

La imagen muestra vacuómetros con diferentes escalas que muestran el mismo vacío:

De todo lo dicho anteriormente, queda claro que la magnitud del vacío no puede ser mayor que la presión atmosférica.

Casi a diario nos contacta gente que quiere conseguir un vacío de -2, -3 atm, etc.
Y se sorprenden mucho cuando descubren que esto es imposible (por cierto, cada segundo dice que "tú mismo no sabes nada", "pero con tu vecino es así", etc., etc.)

De hecho, todas estas personas quieren moldear piezas al vacío, pero de forma que la presión sobre la pieza sea superior a 1 kg/cm2 (1 atmósfera).
Esto se puede conseguir cubriendo el producto con una película, bombeando el aire de debajo (en este caso, dependiendo del vacío creado, la presión máxima será de 1 kg/cm2 (1 atm=1 kg/cm2)), y luego colocarlo todo en un autoclave en el que se creará un exceso de presión. Es decir, para crear una presión de 2 kg/cm2, basta con crear un exceso de presión de 1 atm en el autoclave.

Ahora unas palabras sobre cuántos clientes miden el vacío en la exposición Ampika Pumps LLC en nuestra oficina:
Encienda la bomba, coloque el dedo (palma) en el orificio de succión de la bomba de vacío e inmediatamente saque una conclusión sobre la magnitud del vacío.

Por lo general, a todo el mundo le gusta comparar la bomba de vacío soviética 2NVR-5DM y su análoga VE-2100, que ofrecemos.
Después de tal verificación, siempre dicen lo mismo: el vacío del 2NVR-5DM es mayor (aunque, de hecho, ambas bombas producen los mismos parámetros de vacío).

¿A qué se debe esta reacción? Y como siempre, en el desconocimiento de las leyes de la física y de lo que es la presión en general.

Un poco de información educativa: la presión “P” es una fuerza que actúa sobre una determinada superficie, dirigida perpendicularmente a esta superficie (la relación entre la fuerza “F” y el área de la superficie “S”), es decir, P = F/ S.
En términos simples, es una fuerza distribuida sobre una superficie.
De esta fórmula se puede ver que cuanto mayor sea la superficie, menor será la presión. Y también la fuerza que se requiere para levantar una mano o un dedo desde la entrada de la bomba es directamente proporcional al área de la superficie (F=P*S).
El diámetro del orificio de succión de la bomba de vacío 2NVR-5DM es de 25 mm (superficie 78,5 mm2).
El diámetro del orificio de succión de la bomba de vacío VE-2100 es de 6 mm (superficie 18,8 mm2).
Es decir, para levantar una mano de un agujero de 25 mm de diámetro, se requiere una fuerza 4,2 veces mayor que para un agujero de 6 mm de diámetro (a la misma presión).
Por eso, cuando se mide el vacío con los dedos, se produce esta paradoja.
La presión "P", en este caso, se calcula como la diferencia entre la presión atmosférica y la presión residual en el recipiente (es decir, el vacío en la bomba).

¿Cómo calcular la fuerza de presionar una pieza contra una superficie?
Muy simple. Puede utilizar la fórmula anterior, pero intentemos explicarla de forma más sencilla.
Por ejemplo, digamos que necesita saber con qué fuerza se puede presionar una pieza de 10x10 cm cuando se crea un vacío debajo con una bomba VVN 1-0,75.

Tomamos la presión residual que crea esta bomba de vacío de la serie BBH.
En concreto, para esta bomba de anillo hidráulico VVN 1-0,75 es 0,4 atm.
1 atmósfera es igual a 1 kg/cm2.
La superficie de la pieza es de 100 cm2 (10 cm x 10 cm).
Es decir, si crea un vacío máximo (es decir, la presión sobre la pieza será de 1 atm), entonces la pieza se presionará con una fuerza de 100 kg.
Como tenemos un vacío de 0,4 atm, la presión será 0,4x100 = 40 kg.
Pero esto es, en teoría, en condiciones ideales, si no hay fugas de aire, etc.
En realidad hay que tener esto en cuenta y la presión será un 20...40% menor dependiendo del tipo de superficie, velocidad de bombeo, etc.

Ahora unas palabras sobre los vacuómetros mecánicos.
Estos dispositivos indican una presión residual en el rango de 0,05...1 atm.
Es decir, no mostrará un vacío más profundo (siempre mostrará “0”). Por ejemplo, en cualquier bomba de vacío de paletas rotativas, una vez que se alcanza su vacío máximo, el vacuómetro mecánico siempre indicará "0". Si se requiere una visualización visual de los valores de presión residual, entonces es necesario instalar un vacuómetro electrónico, por ejemplo VG-64.

A menudo acuden a nosotros clientes que moldean piezas al vacío (por ejemplo, piezas de materiales compuestos: fibra de carbono, fibra de vidrio, etc.), esto es necesario para que durante el moldeo el gas se escape del aglutinante (resina) y con ello mejore las propiedades del producto terminado, así como la pieza se presionó contra el molde con una película, desde debajo de la cual se bombeó aire.
Surge la pregunta: ¿qué bomba de vacío utilizar: de una etapa o de dos etapas?
Suelen pensar que como el vacío de dos etapas es mayor, las piezas quedarán mejores.

El vacío para una bomba de una etapa es de 20 Pa, para una bomba de dos etapas es de 2 Pa. Parece que como la diferencia de presión es 10 veces mayor, la pieza se presionará mucho más fuerte.
¿Pero es esto realmente así?

1 atm = 100000 Pa = 1 kg/cm2.
Esto significa que la diferencia en la presión de la película en un vacío de 20 Pa y 2 Pa será de 0,00018 kg/cm2 (si no eres demasiado vago, puedes hacer los cálculos tú mismo).

Es decir, prácticamente no habrá diferencia, porque... un aumento de 0,18 g en la fuerza de sujeción no cambiará el clima.

¿Cómo calcular cuánto tiempo tardará una bomba de vacío en evacuar una cámara de vacío?
A diferencia de los líquidos, los gases ocupan todo el volumen disponible, y si una bomba de vacío ha bombeado la mitad del aire de la cámara de vacío, el aire restante se expandirá nuevamente y ocupará todo el volumen.
A continuación se muestra la fórmula para calcular este parámetro.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Dónde

t es el tiempo (en horas) necesario para bombear el volumen de vacío desde la presión p1 a la presión p2
V - volumen del tanque bombeado, m3
S - velocidad de funcionamiento de la bomba de vacío, m3/hora
p1 - ​​​​presión inicial en el recipiente bombeado, mbar
p2 - presión final en el recipiente bombeado, mbar
ln - logaritmo natural

F - factor de corrección, depende de la presión final en el tanque p2:
- p2 de 1000 a 250 mbar F=1
- p2 de 250 a 100 mbar F=1,5
- p2 de 100 a 50 mbar F=1,75
- p2 de 50 a 20 mbar F=2
- p2 de 20 a 5 mbar F=2,5
- p2 de 5 a 1 mbar F=3

En pocas palabras, eso es todo.
Esperamos que esta información ayude a alguien a elegir el equipo de vacío correcto y a demostrar sus conocimientos con un vaso de cerveza...

En volumen, un vacío ideal es inalcanzable en la práctica, ya que a una temperatura finita todos los materiales tienen una densidad de vapor saturado distinta de cero. Además, muchos materiales (en particular, metal grueso, vidrio y otras paredes de los recipientes) dejan pasar los gases. EN microscópico Sin embargo, en principio es posible alcanzar un vacío ideal.

El alto vacío en los poros microscópicos de algunos cristales y en los capilares ultrafinos ya se logra a presión atmosférica, ya que el diámetro del poro/capilar se vuelve más pequeño que el camino libre de la molécula, lo que equivale a ~60 nanómetros en el aire en condiciones normales. .

Vale la pena señalar que incluso en un vacío perfecto a una temperatura finita siempre hay algo de radiación térmica (gas de fotones). Por tanto, un cuerpo colocado en un vacío ideal tarde o temprano alcanzará el equilibrio térmico con las paredes de la cámara de vacío debido al intercambio de fotones térmicos.

El vacío es un buen aislante térmico; La transferencia de energía térmica en él se produce únicamente debido a la radiación térmica, se excluyen la convección y la conductividad térmica. Esta propiedad se utiliza para el aislamiento térmico en termos (matraces Dewar), que constan de un recipiente de doble pared, cuyo espacio entre ellos se evacua.

El vacío se usa ampliamente en dispositivos eléctricos de vacío: tubos de radio (por ejemplo, magnetrones de hornos microondas), tubos de rayos catódicos, etc.

vacío físico

En física cuántica, el vacío físico se entiende como el estado de energía más bajo (base) de un campo cuantificado, que tiene momento cero, momento angular y otros números cuánticos. Además, tal estado no corresponde necesariamente al vacío: el campo en el estado más bajo puede ser, por ejemplo, el campo de las cuasipartículas en un sólido o incluso en el núcleo de un átomo, donde la densidad es extremadamente alta. Un vacío físico también se denomina espacio completamente desprovisto de materia, lleno de un campo en este estado. Este estado no es un vacío absoluto. La teoría cuántica de campos afirma que, según el principio de incertidumbre, las partículas virtuales nacen y desaparecen constantemente en el vacío físico: se producen las llamadas oscilaciones de campo de punto cero. En algunas teorías de campo específicas, el vacío puede tener propiedades topológicas no triviales. En teoría, pueden existir varios vacíos diferentes, que difieren en la densidad de energía u otros parámetros físicos (dependiendo de las hipótesis y teorías utilizadas). La degeneración del vacío durante la ruptura espontánea de la simetría conduce a la existencia de un espectro continuo de estados de vacío, que se diferencian entre sí por el número de bosones de Goldstone. Los mínimos de energía local en diferentes valores de cualquier campo, que difieren en energía del mínimo global, se denominan falso vacío; tales estados son metaestables y tienden a decaer con la liberación de energía, pasando a un verdadero vacío o a uno de los falsos vacíos subyacentes.

Algunas de estas predicciones de la teoría de campos ya han sido confirmadas con éxito mediante experimentos. Así, el efecto Casimir y el desplazamiento Lamb de los niveles atómicos se explican por oscilaciones de punto cero del campo electromagnético en el vacío físico. Las teorías físicas modernas se basan en algunas otras ideas sobre el vacío. Por ejemplo, la existencia de múltiples estados de vacío (el falso vacío mencionado anteriormente) es uno de los principales fundamentos de la teoría inflacionaria del Big Bang.

Falso vacío

Falso vacío- un estado en la teoría cuántica de campos, que no es un estado con una energía mínima global, sino que corresponde a su mínimo local. Este estado es estable durante un tiempo determinado (metaestable), pero puede "hacer un túnel" hacia un estado de verdadero vacío.

El vacío de Einstein

El vacío de Einstein- un nombre utilizado a veces para las soluciones de las ecuaciones de Einstein en relatividad general para el espacio-tiempo vacío y libre de materia. Sinónimo - espacio de einstein.

Las ecuaciones de Einstein relacionan la métrica del espacio-tiempo (tensor métrico gramoμν ) con el tensor de energía-momento. En general se escriben como

¿Dónde está el tensor de Einstein? GRAMOμν es una función definida del tensor métrico y sus derivadas parciales, R- curvatura escalar, Λ - constante cosmológica, tμν - tensor de energía-momento de la materia, π - número pi, C- velocidad de la luz en el vacío, GRAMO- La constante gravitacional de Newton.

Las soluciones en vacío de estas ecuaciones se obtienen en ausencia de materia, es decir, cuando el tensor de energía-momento en la región considerada del espacio-tiempo es idénticamente igual a cero: tµν = 0 . A menudo, el término lambda también se considera cero, especialmente cuando se estudian soluciones locales (no cosmológicas). Sin embargo, al considerar soluciones de vacío con un término lambda distinto de cero ( vacío lambda) surgen modelos cosmológicos tan importantes como el modelo de De Sitter (Λ > 0) y el modelo anti-De Sitter (Λ< 0 ).

La solución trivial del vacío a las ecuaciones de Einstein es el espacio plano de Minkowski, es decir, la métrica considerada en la relatividad especial.

Otras soluciones de vacío de las ecuaciones de Einstein incluyen, entre otros, los siguientes casos:

• Modelo cosmológico de Milne (un caso especial de la métrica de Friedmann con densidad de energía cero)
• Métrica de Schwarzschild, que describe la geometría alrededor de una masa esféricamente simétrica.
• Métrica de Kerr, que describe la geometría alrededor de una masa giratoria.
• Onda gravitacional plana (y otras soluciones ondulatorias)

Espacio

El espacio exterior tiene una densidad y presión muy bajas y es la mejor aproximación a un vacío físico. Pero el vacío del espacio no es verdaderamente perfecto; incluso en el espacio interestelar hay unos pocos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico.

Las estrellas, los planetas y los satélites mantienen unidas sus atmósferas por gravedad y, como tal, la atmósfera no tiene límites claramente definidos: la densidad del gas atmosférico simplemente disminuye con la distancia al objeto. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente 3,2×10−2 Pa por cada 100 km de altitud, en la llamada línea de Kármán, que es la definición general de la frontera 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 del viento solar, por lo que la determinación de la presión resulta difícil de interpretar. La termosfera en este rango tiene grandes gradientes de presión, temperatura y composición, y es muy variable debido al clima espacial.

La densidad atmosférica durante los primeros cientos de kilómetros por encima de la línea de Karman sigue siendo suficiente para ofrecer una resistencia significativa al movimiento de los satélites terrestres artificiales. La mayoría de los satélites operan en esta región, llamada órbita terrestre baja, y deben encender sus motores cada pocos días para mantener una órbita estable.

El espacio exterior está lleno de una gran cantidad de fotones, la llamada radiación cósmica de fondo de microondas, así como de una gran cantidad de neutrinos reliquias, que aún no son detectables. La temperatura actual de estas radiaciones es de unos 3 K, o -270 °C.

Historia de la investigación del vacío.

La idea de vacío ha sido objeto de debate desde la época de los antiguos filósofos griegos y romanos. Atomistas: Leucipo (c. 500 a. C.), Demócrito (c. 460-370 a. C.), Epicuro (341-270 a. C.), Lucrecio (c. 99-55 a. C.) y sus seguidores asumieron que todo lo que existe son átomos y el vacío. entre ellos, y sin vacío no habría movimiento, los átomos no podrían moverse si no hubiera un espacio vacío entre ellos. Estrato (c. 270 a. C.) y muchos filósofos de épocas posteriores creían que el vacío podía ser "sólido" ( coacervado al vacío) y “dispersos” (en los espacios entre partículas de materia, diseminación al vacío).

Robert Boyle mejoró significativamente la bomba de vacío de Guericke, lo que le permitió realizar una serie de experimentos para dilucidar las propiedades del vacío y su efecto sobre varios objetos. Boyle descubrió que en el vacío mueren animales pequeños, se apagan incendios y el humo desciende (y, por tanto, la gravedad le afecta tanto como a otros cuerpos). Boyle también descubrió que el ascenso del líquido en los capilares también se produce en el vacío y, por lo tanto, refutó la opinión entonces predominante de que la presión del aire estaba implicada en este fenómeno. Por el contrario, el flujo de líquido a través del sifón en vacío se detuvo, lo que demostró que este fenómeno fue causado por la presión atmosférica. Demostró que durante las reacciones químicas (como apagar la cal), así como durante la fricción mutua de los cuerpos, se libera calor en el vacío.

Efecto sobre personas y animales.

Las personas y los animales expuestos al vacío pierden el conocimiento en segundos y mueren de hipoxia en minutos, pero estos síntomas generalmente no son similares a los que se muestran en la cultura popular y los medios de comunicación. La disminución de la presión reduce el punto de ebullición al que deben hervir la sangre y otros fluidos corporales, pero la presión elástica de los vasos sanguíneos impide que la sangre alcance el punto de ebullición de 37°C. Aunque la sangre no hierve, el efecto de las burbujas de gas que se forman en ella y otros fluidos corporales a bajas presiones, conocido como ebullismo (enfisema aéreo), es un problema grave. El gas puede inflar el cuerpo hasta el doble de su tamaño normal, pero los tejidos son lo suficientemente elásticos como para evitar desgarros. El edema y el ebullismo se pueden prevenir usando un traje de vuelo especial. Los astronautas del transbordador llevaban ropa elástica especial llamada Traje de protección de altitud para tripulación(CAPS), que previene el ebullismo a presiones superiores a 2 kPa (15 mmHg). La rápida evaporación del agua enfría la piel y las mucosas hasta 0 °C, especialmente en la boca, pero esto no supone un gran peligro.

Los experimentos con animales muestran que después de 90 segundos de estar el cuerpo en el vacío, generalmente se produce una recuperación rápida y completa del cuerpo, pero una estancia más prolongada en el vacío es fatal y la reanimación es inútil. Sólo hay datos limitados sobre los efectos del vacío en los humanos (normalmente ha ocurrido en accidentes), pero son consistentes con los datos obtenidos de experimentos con animales. Las extremidades pueden permanecer en el vacío mucho más tiempo si no se altera la respiración. Robert Boyle fue el primero en demostrar que el vacío era letal para los animales pequeños en 1660.

Medición

El grado de vacío está determinado por la cantidad de sustancia que queda en el sistema. El vacío está determinado principalmente por la presión absoluta y la 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 recorre una partícula durante su camino libre de una colisión a la siguiente. Si la densidad del gas disminuye, el MFP aumenta. El MFP en el aire a presión atmosférica es muy corto, aproximadamente 70 nm, y a 100 mPa (~1×10−3 Torr) el MFP del aire es de aproximadamente 100 mm. Las propiedades de un gas enrarecido cambian mucho cuando el camino libre medio se vuelve comparable al tamaño del recipiente en el que se encuentra el gas.

El vacío se divide en rangos según la tecnología necesaria para conseguirlo o medirlo. Estos rangos no tienen definiciones universalmente aceptadas, pero una distribución típica se ve así:

Solicitud

El vacío es útil para muchos procesos y se utiliza en una variedad de dispositivos. Por primera vez en productos de uso masivo, se utilizó en lámparas incandescentes para proteger el filamento de la descomposición química. La inercia química de los materiales proporcionada por el vacío también es beneficiosa 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 cuando se estudian sustratos atómicamente puros, ya que sólo un vacío muy alto mantiene las superficies limpias a nivel atómico durante bastante tiempo (de minutos a días). Los vacíos altos y ultra altos eliminan la resistencia del aire, lo que permite que los haces de partículas depositen o eliminen materiales sin contaminación. Este principio subyace a la deposición química de vapor, la deposición al vacío y el grabado en seco, que se utilizan en la fabricación de recubrimientos ópticos y semiconductores y en la química de superficies. La convección reducida proporciona aislamiento térmico en termos. El alto vacío reduce el punto de ebullición de un líquido y promueve la desgasificación a baja temperatura, que se utiliza en liofilización, preparación de pegamentos, destilación, metalurgia y limpieza con aspiradora. Las propiedades eléctricas del vacío hacen posibles los microscopios electrónicos y los tubos de vacío, incluidos los tubos de rayos catódicos. Los disyuntores de vacío se utilizan en aparamentas eléctricas. La ruptura del vacío es de importancia industrial para la producción de ciertos grados de acero o materiales de alta pureza. Eliminar la fricción del aire es útil para el almacenamiento de energía en volantes de inercia y ultracentrífugas.

Máquinas accionadas por vacío

El vacío se utiliza comúnmente para producir succión, que tiene una gama aún más amplia de aplicaciones. La máquina de vapor de Newcomen utilizaba vacío en lugar de presión para impulsar el pistón. En el siglo XIX, el vacío se utilizó para la tracción en el ferrocarril neumático experimental de Isambard Brunel. Los frenos de vacío alguna vez se utilizaron ampliamente en los trenes del Reino Unido, pero, excepto en los ferrocarriles tradicionales, han sido reemplazados por frenos de aire.

Esta bomba para pozos poco profundos reduce la presión atmosférica dentro de su propia cámara. El vacío atmosférico se expande hacia el pozo y obliga al agua a fluir por la tubería hacia la bomba para igualar la presión reducida. Las bombas con cámara subterránea son efectivas sólo hasta una profundidad de aproximadamente 9 metros, debido a que el peso de la columna de agua iguala la presión atmosférica.

El vacío del colector de admisión se puede utilizar para controlar equipos auxiliares en vehículos. La aplicación más conocida es como refuerzo de vacío para aumentar la potencia de frenado. El vacío se utilizaba anteriormente en los motores de vacío y bombas de combustible de los limpiaparabrisas Autovac. Algunos instrumentos de la aeronave (el indicador de actitud y el indicador de rumbo) generalmente funcionan mediante vacío, como seguro contra fallas 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 accesibles en un avión. aviones en movimiento, el motor y el venturi. La fusión por inducción al vacío utiliza inducción electromagnética en el vacío.

Mantener el vacío en el condensador es importante para el funcionamiento eficiente de las turbinas de vapor. Para ello se utiliza un inyector de vapor o una bomba de anillo líquido. El vacío normal mantenido en el volumen de vapor del condensador en el escape de la turbina (también llamado presión del condensador de la turbina) está en el rango de 5 a 15 kPa, dependiendo del tipo de condensador y las condiciones ambientales.

Desgasificación

La evaporación y la sublimación en el vacío se denomina desgasificación. Todos los materiales, sólidos o líquidos, se vaporizan ligeramente (se produce gasificación) y su desgasificación es necesaria cuando la presión de vacío cae por debajo de su presión de vapor. Los materiales flotantes en el vacío tienen el mismo efecto que las fugas y pueden limitar el vacío alcanzable. Los productos de la evaporación pueden condensarse en superficies más frías cercanas, lo que puede causar problemas si recubren los instrumentos ópticos o reaccionan con otros materiales. Esto provoca grandes dificultades a la hora de volar al espacio, donde un telescopio o una célula solar oscurecidos podrían descarrilar una operación de alto coste.

El producto de desecho más común en los sistemas de vacío es el agua absorbida por los materiales de la cámara. Su cantidad se puede reducir secando o calentando la cámara y retirando los materiales absorbentes. El agua que se evapora puede condensarse en el aceite de las bombas de paletas rotativas y reducir drásticamente su velocidad de funcionamiento si no se utiliza un dispositivo de lastre de gas. Los sistemas de alto vacío deben mantenerse limpios y libres de materia orgánica para minimizar la desgasificación.

Los sistemas de vacío ultraalto generalmente se recocen, preferiblemente al vacío, para aumentar temporalmente la evaporación de todos los materiales y evaporarlos. Una vez que la mayoría de los materiales vaporizados se han evaporado y eliminado, el sistema se puede enfriar para reducir la vaporización de los materiales y minimizar las emisiones de gases residuales durante la operación operativa. Algunos sistemas se enfrían significativamente por debajo de la temperatura ambiente utilizando nitrógeno líquido para detener por completo la evolución de gas residual y al mismo tiempo crear el efecto de bombeo criogénico del sistema.

Bombeo y presión atmosférica.

Los gases no se pueden expulsar en absoluto, por lo que no se puede crear un vacío mediante succión. La succión puede extenderse y diluir el vacío, permitiendo que la alta presión introduzca gases en él, pero se debe crear el vacío antes de que pueda ocurrir la succión. La forma más sencilla de crear un vacío artificial es ampliar el volumen de la cámara. Por ejemplo, el músculo diafragma expande la cavidad torácica, lo que conduce a un aumento de la capacidad pulmonar. Esta expansión reduce la presión y crea un pequeño vacío, que pronto se llena con aire forzado por la presión atmosférica.

Para seguir vaciando la cámara indefinidamente, sin utilizar constantemente su expansión, se puede cerrar su compartimento de vacío, purgarlo, volver a ampliarlo, etcétera muchas veces. Este es el principio de funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo (transferencia de gas), como una bomba de agua manual. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para crear un vacío. Debido a la diferencia de presión, parte del líquido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego se sella la cavidad de la bomba contra la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime a su tamaño mínimo, expulsando el líquido.

La explicación anterior es una simple introducción a la evacuación y no es representativa de la gama de bombas utilizadas. Se han desarrollado muchas variaciones de bombas de desplazamiento positivo y muchos diseños de bombas se basan en principios radicalmente diferentes. Las bombas de transferencia de impulsos, que tienen algunas similitudes con las bombas dinámicas utilizadas a presiones más altas, pueden proporcionar un vacío de mucha mayor calidad que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de unión de gases, capaces de capturar gases en estado sólido o absorbido, suelen funcionar sin piezas móviles, sin juntas y sin vibraciones. Ninguna de estas bombas es universal; Cada tipo tiene serias limitaciones de aplicación. Todo el mundo tiene dificultades para bombear gases de baja masa, especialmente hidrógeno, helio y neón.

Vacío(Inglés) vacío, Alemán Vacío, del lat. vacío- vacío) es un término físico polisemántico que, según el contexto, puede significar:

• Estado raro del gas. Este vacío se llama parcial. Hay vacíos altos, medios y bajos. Alto se llama vacío en el que el camino libre de las moléculas de gas excede las dimensiones lineales del recipiente que contiene el gas; Si el camino libre de las moléculas de gas y las dimensiones lineales del recipiente son valores proporcionales, entonces se llama vacío. promedio, y si el camino libre de las moléculas de gas es menor que las dimensiones lineales del recipiente - bajo.

• Una abstracción idealizada, un espacio en el que no hay sustancia alguna. Este vacío se llama ideal.
• Sistema físico sin partículas ni cuantos de campo. Este es el estado más bajo de un sistema cuántico, en el que su energía es mínima, llamado estado de vacío. Según el principio de incertidumbre, para tal vacío no se puede determinar con precisión una determinada parte de las cantidades físicas.

El vacío parcial se utilizó ampliamente en la industria con la invención de las lámparas incandescentes y de vacío a principios del siglo XX. Un número importante de experimentos físicos se llevan a cabo en el vacío: la ausencia de aire o de una atmósfera de diferente composición permite reducir influencias extrañas no deseadas sobre el objeto de estudio. El interés por el estudio del vacío aumentó después de la entrada del hombre en el espacio. El espacio cercano a la Tierra y el espacio interplanetario es un gas muy enrarecido, que puede caracterizarse como un vacío.

La investigación del vacío comenzó con la creación del “vacío de Torricelli” (ru) por el físico italiano Evangelista Torricelli a mediados del siglo XVII.

vacío técnico

Técnico llamado vacío parcial formado en condiciones terrestres. El conjunto de herramientas utilizadas en este caso se denomina tecnología de vacío. El lugar principal entre las herramientas de la tecnología de vacío lo ocupan bombas de diversos diseños y principios de funcionamiento.

La principal herramienta para crear. bajo vacío Es una bomba de desplazamiento positivo. El principio de su funcionamiento es aumentar y disminuir cíclicamente el volumen de gas en el recipiente. Durante la fase de expansión, succión, el gas en el recipiente se expande para llenar un volumen adicional, que luego se corta y se expulsa.

Creación alto Y vacío ultraalto Es un problema técnico complejo. Cuando hay pocas moléculas de gas en una cámara de vacío, surgen problemas relacionados con la contaminación de la cámara con moléculas de aceite, densidad insuficiente de la junta, desgasificación de las paredes del recipiente, etc.

Para obtener un alto vacío se utilizan bombas de difusión. El principio de funcionamiento de este tipo de bombas se basa en el hecho de que las moléculas de gas no se difunden en contra del flujo. Por lo tanto, las bombas de difusión utilizan un chorro para extraer moléculas de gas de una cámara de vacío.

Las bombas trampa le permiten lograr vacíos aún mayores. Su acción puede basarse en varios principios físicos y químicos: las bombas criogénicas utilizan baja temperatura para condensar el gas en un recipiente, en las bombas químicas las moléculas de gas están unidas por productos químicos o adsorbidas en una superficie, en las bombas de ionización el gas en una cámara de vacío se ioniza y se extrae utilizando fuertes campos eléctricos.

Las instalaciones de vacío reales constan de una combinación de bombas de varios tipos, cada una de las cuales realiza su propia tarea y funciona con diferentes grados de rarefacción del gas en la cámara de vacío. Las herramientas de tecnología de vacío también incluyen varios instrumentos de medición que se utilizan para determinar la calidad del vacío creado.

vacío físico

vacío físico Se llama concepto idealizado de espacio en el que no hay partículas. Es imposible alcanzar tal estado experimentalmente; los átomos e iones individuales existen incluso en un espacio intergaláctico extremadamente enrarecido. El concepto abstracto de vacío físico se utiliza, por ejemplo, para definir la velocidad de la luz, como la velocidad de propagación de la interacción electromagnética en el vacío sin partículas.

Aunque pueda parecer que el espacio vacío es el sistema físico más simple, en realidad no lo es. El desarrollo de la mecánica cuántica ha demostrado que el vacío es un objeto físico complejo cuyas propiedades aún no se comprenden del todo.

En primer lugar, un vacío, quizás lleno de oscilaciones de punto cero del campo electromagnético. Los cuantos del campo electromagnético son fotones, partículas que pertenecen a los bosones. Las funciones de onda de los bosones en estado bajo no son cero. Al cuantificar el campo de bosones, se los trata como osciladores armónicos. En el estado fundamental, los bosones no sólo tienen una función de onda distinta de cero, sino también una energía distinta de cero. Por lo tanto, el vacío se llena con oscilaciones de punto cero de varios modos de campos electromagnéticos y otros campos bosónicos con todos los vectores de onda, direcciones de propagación y polarizaciones posibles. Cada uno de estos modos tiene una energía donde es constante el resumen de Planck, ¿eh? - frecuencia cíclica. Esto da lugar al problema de la energía del vacío, ya que hay infinitos modos de este tipo y la energía total del vacío debe ser infinita. Sin embargo, los experimentos físicos, en particular el desplazamiento de Lamb y el efecto Casimir, indican que las oscilaciones de punto cero del campo electromagnético son una realidad y que pueden interactuar con otros objetos físicos.

Otra idea que complica aún más la comprensión del vacío está relacionada con la ecuación de Dirac, que describe una partícula cuántica relativista, en particular el electrón. La ecuación de Dirac para un electrón libre tiene cuatro soluciones, dos de ellas con energía negativa. Paul Dirac demostró que, utilizando la operación de conjugación de carga, estos desacoplamientos pueden interpretarse como desacoplamientos con energía positiva, pero para una partícula con una carga positiva opuesta, es decir. antipartículas electrónicas. Esta antipartícula se descubrió experimentalmente y se llamó positrón.

La interpretación de Dirac es similar a la teria de los semiconductores. Las partículas, los electrones, son similares a los electrones de conducción, mientras que las antipartículas, los positrones, son similares a los huecos. En el estado fundamental, correspondiente al vacío, todos los estados energéticos están llenos de energía negativa. el positrón corresponde al estado vacío.

Al considerar las interacciones entre partículas en la electrodinámica cuántica, a menudo es necesario tener en cuenta la posibilidad de que se formen pares virtuales electrón-positrón a partir del vacío.

Vacío, una zona de presión extremadamente baja. El espacio interestelar es un alto vacío, con una densidad promedio de menos de 1 molécula por centímetro cúbico. El vacío más raro creado por el hombre tiene menos de 100.000 moléculas por centímetro cúbico. Se cree que el primer vacío lo creó Evangelista Toricelli en el BARÓMETRO de mercurio. En 1650, el físico alemán Otto von Guericke (1602-86) inventó la primera bomba de vacío. El vacío se utiliza ampliamente en la investigación científica y la industria. Un ejemplo de tal aplicación es el envasado al vacío de productos alimenticios. 22

En la física clásica se utiliza el concepto de espacio vacío, es decir, de una determinada región espacial en la que no hay partículas ni campo. Este espacio vacío puede considerarse sinónimo del vacío de la física clásica. Un vacío en la teoría cuántica se define como el estado de menor energía en el que todas las partículas reales están ausentes. Resulta que este estado no es un estado sin campo. La no existencia como ausencia tanto de partículas como de campos es imposible. En el vacío, los procesos físicos tienen lugar con la participación de cuantos de campo no reales, sino de corta duración (virtuales). En el vacío, sólo los valores medios de las cantidades físicas son cero: intensidades de campo, número de electrones, etc. Estos valores mismos fluctúan (oscilan) continuamente alrededor de estos valores promedio. La causa de las fluctuaciones es la relación de incertidumbre mecánico-cuántica, según la cual la incertidumbre en el valor de la energía es mayor cuanto más corto es el tiempo de su medición. 23

vacío físico

Actualmente, se está formando una dirección fundamentalmente nueva de la investigación científica en física, relacionada con el estudio de las propiedades y capacidades del vacío físico. Esta dirección científica se está volviendo dominante y, en sus aspectos aplicados, puede conducir a tecnologías innovadoras en el campo de la energía, la electrónica y la ecología. 24

Para comprender el papel y el lugar del vacío en la imagen actual del mundo, intentaremos evaluar cómo se correlacionan la materia y la materia en nuestro mundo.

En este sentido, son interesantes los argumentos de Ya.B. Zeldovich. 25

“El universo es enorme. La distancia de la Tierra al Sol es de 150 millones de kilómetros. La distancia del sistema solar al centro de la galaxia es 2 mil millones de veces mayor que la distancia de la Tierra al Sol. A su vez, el tamaño del Universo observable es un millón de veces mayor que la distancia del Sol al centro de nuestra Galaxia. Y todo este enorme espacio está lleno de una cantidad inimaginablemente grande de materia. 26

La masa de la Tierra es más de 5,97·10 27 g. Este es un valor tan grande que es difícil incluso de comprender. La masa del Sol es 333 mil veces mayor. Sólo en la región observable del Universo la masa total es de aproximadamente diez elevado a la 22ª potencia de la masa del Sol. Toda la inmensidad ilimitada del espacio y la fabulosa cantidad de materia que contiene asombra la imaginación”. 27

Por otro lado, un átomo que forma parte de un cuerpo sólido es muchas veces más pequeño que cualquier objeto que conozcamos, pero muchas veces más grande que el núcleo ubicado en el centro del átomo. Casi toda la materia de un átomo se concentra en el núcleo. Si agrandas el átomo para que el núcleo tenga el tamaño de una semilla de amapola, entonces el tamaño del átomo aumentará a varias decenas de metros. A una distancia de decenas de metros del núcleo habrá electrones muchas veces más grandes, que aún son difíciles de ver a simple vista debido a su pequeño tamaño. Y entre los electrones y el núcleo quedará un enorme espacio no lleno de materia. Pero no se trata de un espacio vacío, sino de un tipo especial de materia que los físicos denominan vacío físico. 28

El concepto mismo de “vacío físico” apareció en la ciencia como consecuencia de la comprensión de que el vacío no es vacío, no es “nada”. Representa un "algo" extremadamente significativo que da origen a todo en el mundo y establece las propiedades de la sustancia a partir de la cual se construye el mundo circundante. Resulta que incluso dentro de un objeto sólido y masivo, el vacío ocupa muchísimo más espacio que la materia. Así, llegamos a la conclusión de que la materia es la excepción más rara en el vasto espacio lleno de sustancia del vacío. En un ambiente gaseoso, esta asimetría es aún más pronunciada, por no hablar del espacio, donde la presencia de materia es más la excepción que la regla. Se puede ver cuán asombrosamente enorme es la cantidad de materia del vacío en el Universo en comparación incluso con la fabulosamente grande cantidad de materia que hay en él. Actualmente, los científicos ya saben que la materia debe su origen a la sustancia material del vacío y que todas las propiedades de la materia están determinadas por las propiedades del vacío físico. 29

La ciencia está penetrando más profundamente en la esencia del vacío. Se revela el papel fundamental del vacío en la formación de las leyes del mundo material. Ya no sorprende que algunos científicos afirmen que “todo proviene del vacío y todo lo que nos rodea es un vacío”. La física, tras haber logrado un gran avance en la descripción de la esencia del vacío, ha sentado las condiciones para su uso práctico en la solución de muchos problemas, incluidos los energéticos y medioambientales. treinta

Según los cálculos del premio Nobel R. Feynman y J. Wheeler, el potencial energético del vacío es tan enorme que “en el vacío contenido en el volumen de una bombilla ordinaria, hay una cantidad de energía tan grande que sería suficiente para hervir todos los océanos de la Tierra”. Sin embargo, hasta ahora el esquema tradicional para obtener energía a partir de la materia sigue siendo no sólo dominante, sino que incluso se considera el único posible. El medio ambiente todavía se sigue entendiendo obstinadamente como materia, de la que hay muy poca, olvidándose del vacío, de la que hay tanta. Es precisamente este viejo enfoque “material” el que ha llevado al hecho de que la humanidad, literalmente nadando en energía, experimente hambre de energía. 31

El nuevo enfoque del "vacío" parte del hecho de que el espacio circundante, el vacío físico, es una parte integral del sistema de conversión de energía. Al mismo tiempo, la posibilidad de obtener energía del vacío encuentra una explicación natural sin desviarse de las leyes físicas. Se abre el camino para la creación de plantas energéticas con exceso de balance energético, en las que la energía recibida supera la energía gastada por la fuente primaria de energía. Las instalaciones energéticas con un exceso de balance energético podrán abrir el acceso a la enorme energía del vacío almacenada por la propia naturaleza. 32

Qué ha pasado vacío? Esta pregunta suele responderse: "un espacio con aire enrarecido" o "un espacio dentro de un recipiente del que se ha bombeado aire". Pero, ¿todo grado de rarefacción es un vacío y el vacío tiene alguna relación con él?

En la antigüedad existían algunos requisitos previos para el estudio empírico del vacío. Los mecánicos griegos antiguos crearon varios dispositivos técnicos basados ​​​​en la rarefacción del aire. Por ejemplo, las bombas de agua, que funcionan creando un vacío debajo de un pistón, ya eran conocidas en la época de Aristóteles. El estudio empírico del vacío no comenzó hasta el siglo XVII, con el fin del Renacimiento y el comienzo de la revolución científica de los tiempos modernos. En ese momento, se sabía desde hacía mucho tiempo que las bombas de succión podían elevar agua a una altura de no más de 10 metros.

En la práctica, el gas muy enrarecido se denomina vacío técnico. En volúmenes macroscópicos, un vacío ideal es inalcanzable en la práctica, ya que a una temperatura finita todos los materiales tienen una densidad de vapor saturado distinta de cero. Además, muchos materiales (incluidos el metal grueso, el vidrio y otras paredes de los recipientes) permiten el paso de los gases. Sin embargo, en volúmenes microscópicos es posible, en principio, conseguir un vacío ideal.

Estrictamente hablando, el vacío técnico es un gas en un recipiente o tubería con una presión menor que la de la atmósfera circundante. Por lo general, entre el aire atmosférico y la bomba de alto vacío se encuentra la llamada bomba de prevacío, que crea un vacío preliminar, por lo que un vacío bajo a menudo se denomina prevacío. Con una mayor disminución de la presión en la cámara, aumenta el camino libre medio de las moléculas de gas. En este caso, las moléculas de gas chocan con las paredes con mucha más frecuencia que entre sí. En este caso hablamos de alto vacío. El alto vacío en los poros microscópicos de algunos cristales ya se logra a presión atmosférica, ya que el diámetro del poro es mucho menor que el camino libre de la molécula.

El espacio exterior tiene una densidad y presión muy bajas y es la aproximación más cercana a un vacío físico. Pero el vacío del espacio no es verdaderamente perfecto; incluso en el espacio interestelar hay unos pocos átomos de hidrógeno por centímetro cúbico.

De hecho, supongamos que el aire en el cilindro está enrarecido 10.000 veces en comparación con su densidad a presión atmosférica normal, es decir, la presión dentro del cilindro es de 0,076 mm. Hg Arte.

¿Habrá vacío en el cilindro? ¿Y podemos seguir suponiendo que hay vacío en el cilindro si este cilindro se eleva a una altura de 100 km sobre la superficie de la tierra, donde la presión del aire es de sólo 0,007 mm? Hg Arte. De hecho, en este caso, la densidad del aire dentro del cilindro será 10 veces mayor que en el exterior. Entonces, ¿dónde estará el vacío: dentro o fuera del cilindro?

La física moderna asocia el vacío no con la cantidad de presión dentro o fuera del recipiente, sino con el paso libre de las moléculas de gas en su interior. Las moléculas de gas están en continuo movimiento térmico caótico; a temperatura ambiente, la velocidad del movimiento térmico de las moléculas de aire es de aproximadamente 450 m/s, es decir, se acerca a la velocidad. Moviéndose en todas direcciones, las moléculas chocan constantemente entre sí. Cuanto más denso es el aire, más moléculas hay en una unidad de volumen y con mayor frecuencia chocan entre sí.

Si el aire es más fino, las moléculas chocarán con menos frecuencia. En promedio, tendrán que recorrer una distancia más larga entre dos colisiones, lo que se denomina camino libre medio.

Desde un punto de vista físico, el vacío es una rarefacción en la que el recorrido libre medio es, en promedio, mayor que el tamaño del recipiente. Cuando las colisiones de moléculas en un recipiente de vacío son raras, la mayoría de las moléculas en su movimiento de una pared del recipiente a la otra no encontrarán otras moléculas.

El vacío es un buen aislante térmico; La transferencia de energía térmica en él se produce únicamente debido a la radiación térmica, se excluyen la convección y la conductividad térmica. Esta propiedad se utiliza para el aislamiento térmico en termos, que consisten en un recipiente con paredes dobles, cuyo espacio entre ellas se evacua.