El VACÍO Y SUS APLICACIONES

Autor: LAURA TALAVERA
EDICIONES PREFACIO INTRODUCCIÓN I. EL PRINCIPIO DEL VACÍO II. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA III. LA NECESIDAD DE HACER VACÍO IV. LOS DISPOSITIVOS PARA HACER VACÍO           V. LOS MEDIDORES           CONSULTA DE LOS OTROS CAPÍTULOS

EDICIONES

Primera edición, 1995

La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D.R. © 1995, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA

Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 México, D.F.

ISBN 968-16-4734-3

Impreso en México

PREFACIO

De manera lúcida y amena, Mario Farías y Laura Talavera presentan en este libro parte importante de las numerosas aplicaciones que tienen las tecnologías del bajo, alto y ultra alto vacío.

El vacío ha preocupado a los hombres desde hace miles de años. Demócrito (que nació en 470 a.C.) desarrolló la teoría atómica de la materia que consideraba al Universo formado por átomos y vacío. Epicuro (nacido en Grecia en 342 a.C.) nos dice que para producir el vacío basta separar con rapidez dos cuerpos planos que están bien unidos. Este fue el principio de los metalúrgicos de Egipto, el Cáucaso y China al inventar los fuelles y los pistones, con los que absorbían el aire y después lo comprimían al presionar el fuelle para así activar el fuego y producir las altas temperaturas necesarias para fundir el bronce y el hierro.

El descubrimiento de nuevos materiales ha cambiado la historia del mundo. La historia se divide en la Edad de la Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. En la actualidad son muchos los materiales de que disponemos, entre los que podemos mencionar el silicio, en el que se basa la electrónica, las cerámicas, el petróleo y los plásticos. En todos estos casos la tecnología del vacío tiene un papel fundamental.

En este libro, los autores nos describen con claridad las componentes que se emplean para producir el vacío así como algunas de las aplicaciones importantes de esta tecnología, que ha cambiado y continuará cambiando nuestro mundo.

FERNANDO ALBA ANDRADE

INTRODUCCIÓN

Cuando uno trata de imaginar el vacío, lo primero que viene a la mente son las regiones interestelares, en donde prácticamente no hay materia entre una galaxia y otra. Quizá pensemos así porque tenemos la idea de que en el vacío no existe nada, pero técnicamente se denomina vacío al lugar donde la presión que se mide es menor que la presión atmosférica normal. Hay diferentes clases de vacío: grueso o primario, medio, alto y ultra alto, y en cada caso, la presión es cada vez menor (o el vacío es cada vez más alto). Cada régimen de vacío tiene un comportamiento diferente, y sobre todo, un cierto tipo de aplicaciones, que son las que hacen del vacío algo tan importante.

Existe gran variedad de usos del vacío que son de importancia para muchas industrias y desarrollos tecnológicos, para la ciencia y para la vida diaria. El vacío se aprovecha en diversas industrias, que van desde la alimenticia hasta la automovilística, la aviación, la obtención de medicamentos, etc. Se puede decir que el área de influencia del vacío afecta a la mayoría de las industrias, lo cual le da un lugar preeminente en el desarrollo tecnológico de un país.

Hoy en día no podríamos imaginar un mercado sin productos enlatados, una casa sin focos, o la vida sin la radio o la televisión. ¿Dónde quedaría el avance médico sin el equipo de esterilización?, éstos y muchos otros productos requieren el uso del vacío en su proceso de fabricación.

I. EL PRINCIPIO DEL VACÍO

LOS filósofos griegos consideraban que el vacío significaba falto de contenido y esto fue un obstáculo para el entendimiento de los principios tecnológicos básicos del mismo.

Fue hasta mediados del siglo XVII cuando el italiano Gasparo Berti realizó el primer experimento con el vacío (1640). Motivado por un interés en diseñar un experimento para el estudio de los sifones, Berti pretendía aclarar el fenómeno como una manifestación de diferencia de presión de aire en la atmósfera. Creó lo que constituye, primordialmente, un barómetro de agua, el cual resultó capaz de producir vacío (Figura I.1).

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 (Figura I.2).

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, Blas Pascal, cuñado de Torricelli, subió un barómetro con 4 kg de mercurio a una montaña a 1 000 m 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. Analicemos lo sucedido.

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) (Figura I.2).

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.

II. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

SABEMOS que 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 x 10²⁵ moléculas en movimiento (2 x 10²⁵ es igual a 2 con 25 ceros) a una velocidad promedio de 1 600 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 (atm) estándar es igual a 760 mm Hg (milímetros de mercurio). Utilizaremos por conveniencia la unidad Torricelli (torr) como medida de presión; 1 torr = 1 mm Hg, por lo que 1 atm = 760 torr; por lo tanto 1 torr = 1/760 de una atmósfera estándar, o sea 1 torr =1.136 x 10^-3 atm (1 x 10^-3 es igual a 0.001 o igual a un milésimo).

El aire está compuesto por varios gases, los más importantes son el nitrógeno (N₂) y el oxígeno (O₂), pero también contiene en menores concentraciones: bióxido de carbono (CO₂), argón (Ar), neón (Ne), helio (He), criptón (Kr), xenón (Xe), hidrógeno (H₂), metano (CH₄₎, óxido nitroso (N₂O) y vapor de agua (H₂O).

De acuerdo con la definición de la Sociedad Americana de Vacío (1958), el término vacío 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 en cuanto más disminuyamos la presión, mayor vacío obtendremos, lo que nos permite clasificar el grado de vacío. Entonces, podemos hablar de bajo, mediano, alto y ultra alto vacío, en correspondencia con intervalos de presiones cada vez menores. Cada intervalo tiene características propias.

1) Bajo y mediano vacío. El intervalo de presión atmosférica con estas características se manifiesta desde un poco menos de 760 torr hasta 10^-2 torr. Con las técnicas usuales para hacer vacío (que se describen más adelante), los gases que componen el aire se evacuan a diferentes velocidades y esto altera la composición de gases del aire residual.

2) Alto vacío. El intervalo de presión se extiende desde cerca de 10^-3 hasta 10^-7 torr. La composición de gases residuales presenta un alto contenido de vapor de agua (H₂O).

3) Ultra alto vacío. El intervalo de presión va desde 10^-7 hasta 10^-16 torr. Las superficies internas del recipiente se mantienen limpias de gas. En este intervalo el componente dominante de los gases residuales es el hidrógeno.

III. LA NECESIDAD DE HACER VACÍO

EXISTEN diversas razones prácticas por las que es conveniente hacer vacío, a continuación referimos algunos casos:

1) La aspiradora es uno de los ejemplos más sencillos de sistemas que emplean vacío. Se usa para succionar objetos de varias decenas de gramos. Por lo general las aspiradoras son capaces de trabajar a una presión de 100-150 torr por debajo de la presión atmosférica del lugar (650-600 torr a nivel del mar).

2) La tecnología de vacío es utilizada para extraer la humedad de los alimentos, químicos, productos farmacéuticos, etc., y los gases ocluidos (disueltos) en aceites plásticos, y otros líquidos.

3) La producción de jugo de frutas y leche concentrada, son ejemplos de producciones a gran escala basadas en la concentración en vacío, para lo cual no se requiere de alta temperatura para evaporar el agua o solventes contenidos en los productos.

4) Para remover los constituyentes de la atmósfera que pudieran causar una reacción física o química, como puede ser la oxidación, durante un cierto proceso, por ejemplo, la fundición en vacío de metales reactivos como el titanio.

5) Para modificar una cierta condición de equilibrio que existe en condiciones ambientales normales, como para remover gas disuelto u ocluido o líquido volátil de la parte interna de un material, por ejemplo, en procesos de secado al vacío.

6) Para aumentar la distancia que un átomo, molécula o electrón debe viajar antes de chocar con otro, lo cual ayuda a que en un cierto proceso las partículas se muevan sin colisión entre la fuente y el blanco, por ejemplo, en recubrimientos al vacío, aceleradores de partículas, cinescopios de televisión y monitores de computadoras.

7) Para reducir el número de impactos de las moléculas del gas ambiental con una cierta superficie preparada en vacío, por ejemplo, en la preparación de películas delgadas puras, o en estudios de superficies limpias.

8) Para la producción de nuevos materiales y para el enriquecimiento o la separación de los isótopos de los elementos.

IV. LOS DISPOSITIVOS PARA HACER VACÍO

LOS egipcios y los chinos, con el invento del fuelle con válvulas para inyectar aire a los hornos, hacían vacío sin saberlo: al abrir el fuelle, se llenaba de aire por el vacío que se provocaba dentro de éste.

Viajemos un poco en el tiempo hasta el momento en que apareció la primera bomba de aire. En el siglo XVII, Otto von Guericke hizo una contribución importante a la ciencia con su invención de la bomba de aire, considerada como una de las cuatro invenciones del siglo (los otros inventos fueron: el telescopio, el microscopio y el reloj de péndulo).

Von Guericke adaptó en 1640 a un tonel de madera una bomba de agua, después lo llenó con agua y lo clausuró. Con la ayuda de varios hombres procedió a sacar el agua. El bombeo se prolongó después de vaciado el tonel, lo que causó la precipitación del aire a través de los poros de la madera. Este suceso lo motivó a ocuparse en otro experimento: la fabricación de una esfera de cobre a la que se le podía colocar una bomba. Omitió el agua y bombeó directamente el aire. Cuando había extraído aparentemente todo el aire, la esfera se deformó de manera repentina (sufrió un efecto de compresión) debido a la presión atmosférica.

A partir de estos experimentos llegó a crear la bomba de aire (Figura IV.1). Esta era esencialmente igual a una bomba de agua y tenía válvulas manuales. Contaba con una construcción más cuidadosa ya que estaba herméticamente sellada alrededor del cilindro y las válvulas. En principio, la única diferencia entre tales bombas para crear vacío y las usadas para extraer agua es que el trabajo se realiza jalando en lugar de empujando, con una correspondiente secuencia de válvulas.

El experimento más famoso de Von Guericke fue el llamado de Los hemisferios de Maydeburgo, que consistía en un par de semiesferas unidas y dentro de ellas se hacía el vacío. La esfera así formada era separada con gran dificultad por un equipo de ocho caballos en cada lado (Figura IV.2). Este experimento fue presentado ante un pequeño grupo de espectadores cerca de Reichstag, aproximadamente en 1654. Tiempo después el espectáculo se presentó ante el emperador y su corte y alcanzó tal fama que se llevó en exhibición por toda Europa.

Durante largo tiempo, las bombas de vacío no fueron llamadas bombas de vacío. Von Guericke las llamaba jeringas; Boyle, máquinas neumáticas; después el término de bomba de aire fue establecido. El uso de la palabra bomba para este invento, en vez de compresor de aire rarificado, se hizo relacionándolo con el agua.

Figura IV.1. Bombas de aire de Von Guericke usada en la demostración en Berlín y Magdeburgo.

En términos generales, la historia del desarrollo de las bombas de vacío puede ser trazada como sigue: primero, se realizó la modificación de las bombas de agua existentes con pistones y válvulas, las cuales dejaron de utilizarse a finales del siglo XIX. Entonces se volvió a un concepto más primitivo de bombas de pistón de mercurio líquido. Después se estableció el uso de bombas mecánicas rotatorias, seguidas de adaptaciones de bombas de vapor, turbomaquinaria y, por último, de bombas basadas en fenómenos de ionización, combinación química y adsorción criogénica.

La tecnología actual del vacío permite obtener vacíos que van desde casi la presión atmosférica hasta 10^-13 torr mediante una gran variedad de sistemas de bombeo. El dispositivo conveniente para hacer vacío depende de cuál sea la aplicación que se le quiera dar.

PARÁMETROS Y CLASIFICACIONES DE LAS BOMBAS DE VACÍO

La selección de la bomba de vacío que va a emplearse para un cierto proceso está definida por sus parámetros específicos, los cuales determinan sus propiedades. Los parámetros más importantes de los sistemas de vacío son: la presión más baja que puede lograr, el intervalo de presión, la velocidad de bombeo, la presión de descarga y el gas residual. Un ejemplo de la utilización de bombas en un sistema típico de alto vacío se ilustra en la figura IV.3.

Por otra parte, la clasificación de las bombas de vacío se presenta en la figura IV.4 de acuerdo con su intervalo de presión.

DESCRIPCIÓN BREVE DE ALGUNAS BOMBAS DE VACÍO

Las bombas mecánicas. Una de las primeras fue la bomba de Sprengel, que hoy en día tiene sólo interés histórico. Fue usada en la primera fábrica de lámparas. Esta bomba se basa en el principio ilustrado en la figura IV.5. Las gotas de mercurio introducidas en el capilar capturan entre ellas burbujas de aire; de esta manera, el sistema evacua el aire del lado del tubo C, llevándolo a través del mercurio hacia la parte de abajo, a la atmósfera.

Hoy en día existen otros tipos de bombas mecánicas como las bombas de pistón, bombas de anillo de agua, bombas de paleta rotatoria, bomba tipo Roots, etc. Las bombas de paleta rotatoria son un ejemplo claro del funcionamiento de este tipo de bombas, éstas consisten en un espacio cilíndrico (estator) que alberga a un cilindro de diámetro menor que gira dentro de él (rotor). En el rotor, las paletas se encuentran sujetas por medio de un resorte.

La bomba de paletas rotatorias posee dos ductos, uno de dimensiones mayores respecto al otro. El ducto mayor da al exterior de la bomba (conexión con la cámara a desalojar), y dentro de la bomba hasta el estator; es considerado como la entrada al estator. Por otra parte, el ducto pequeño es la salida del estator y conduce a un recipiente parcialmente lleno de aceite. Al final del ducto menor se coloca una válvula de descarga, la cual regula la salida de gas del estator al recipiente. El recipiente a su vez tiene salida al exterior de la bomba.

El funcionamiento de la bomba de paletas rotatorias es sencillo: al girar el rotor provoca que las paletas se deslicen sobre las paredes del estator (con una presión uniforme debido al resorte que sostiene a las paletas), esto permite la entrada del gas entre el estator y el rotor; después se mueve el volumen de gas contenido en esta región hasta la salida del estator. La figura IV.6 presenta esta operación en detalle.

Las bombas de vapor. Un ejemplo de este tipo de bombas de vacío es la bomba de difusión. La ventaja de este tipo de bomba para crear alto vacío, comparado con las bombas mecánicas, es que puede producir mayor velocidad de bombeo con el mismo tamaño, peso y costo. El primer diseño fue creado por Gaede pensando en términos de la teoría cinética de los gases. La acción de bombeo fue diseñada para la difusión del aire dentro de una nube de mercurio. Las bombas de difusión usan aceite o mercurio como fluido de bombeo (Figura IV.7).

La bomba de difusión es capaz de evacuar gas con alta eficiencia hasta presiones que no excedan 0.02 torr y una presión de descarga menor que 0.5 torr; no es posible que esta bomba funcione de manera independiente, se requiere de una bomba adicional para reducir la presión de la cámara hasta que la bomba de difusión pueda operar.

En un sistema típico de alto vacío, la bomba de difusión toma lugar entre la bomba mecánica y la cámara a evacuar. Estas bombas se construyen de acero inoxidable o aluminio, aunque muchas bombas de tamaño reducido se fabrican de vidrio y algunas tienen cubiertas de este material con chimeneas de metal.

Figura IV.6. Bomba mecánica de paleta rotatotia en acción. A) Las paletas deslizantes se mueven cuando el rotor gira. El volumen entre la entrada y la paleta inferior es incrementado; esto causa que el gas se mueva dentro de esta área desde la entrada. B) El gas ha sido aislado del sistema de vacío y comienza a empujarse hacia la válvula de descarga. C) El gas se comprime ligeramente arriba de la presión atmosférica. La válvula de descarga se abre y el gas es expulsado fuera de la bomba a través del aceite en el recipiente.

Figura IV.7. Bomba de difusión. El fluido de bombeo se calienta hasta que se evapora mediante un calentador situado al fondo de la bomba. El vapor se eleva y es deflectado hacia abajo, trayéndose consigo las moléculas de gas de la cámara (puntos negros).

Los aceites usados como fluidos de bombeo están hechos de compuestos a base de silicio y pueden producir presiones del orden de 10^-7 torr.

Las bombas de mercurio son usadas cuando se quiere evitar contaminación de hidrocarburos que afecten al sistema.

Las bombas criogénicas (de baja temperatura). Se usan en aplicaciones específicas de ultra alto vacío. Una criobomba es una bomba de vacío que tiene una superficie interna enfriada a temperaturas menores a los 120°K, donde los gases y vapores se condensan. En esta superficie se inmovilizan las moléculas de gas, lo cual disminuye la presión del sistema. La superficie fría está colocada dentro de la cámara de vacío.

Existen varios mecanismos mediante los cuales se capturan los gases sobre la superficie fría, los más importantes se pueden representar por medio de las criotrampas y la criosorción.

Una trampa de vapor enfriada con nitrógeno líquido actúa como una criobomba. El término criotrampa se usa para la condensación de gases dificilmente condensables, por ejemplo el H₂, Ar, CH₄, CO₂, NH₃ y los hidrocarburos pesados.

La criosorción se refiere a la captura de un gas con bajo punto de ebullición (difícil de condensar), efectuada por la adsorción sobre un gas condensado de alto punto de ebullición (fácilmente condensable). Un ejemplo es la criosorción de H₂ sobre un sólido condensado de NH₃ (Figura IV.8).

V. LOS MEDIDORES

A TRAVÉS del tiempo el hombre ha sentido la necesidad de medir y clasificar todo cuanto le rodea, desde las distancias intergalácticas, hasta el tamaño de un átomo. Era de esperarse que después de encontrar el vacío lleno y poder producirlo, el siguiente paso fuera medirlo, con lo cual podría calcularse la cantidad de partículas que se manejarían en el contenedor, y de esta manera controlar la atmósfera adecuada para los propósitos del caso.

En 1643, Evangelista Torricelli fabricó el barómetro de mercurio y tiempo después Otto von Guericke creó la bomba de aire. La combinación de estos dos experimentos fue llevada a cabo antes de 1660 por Robert Boyle, dando como resultado la máquina boyleana, que es considerada como el primer medidor de presiones subatmosféricas. Boyle logró obtener una presión de aproximadamente 6 mm Hg (6 torr), y su diseño experimental fue durante dos siglos la única forma disponible para medir vacío (Figura V.1).

Figura V.1. Medidor de mercurio (Hg) de Boyle. Barómetro de Torrichelli cuyo recipiente de Hg estaba al vacó en un vaso de cristal.

El siguiente paso significativo en la producción de un medidor óptimo, fue en 1874, cuando McLeod presentó un dispositivo basado en la posibilidad de comprimir el volumen de gas a una proporción conocida. Usando una columna de mercurio, consiguió que las altas presiones pudieran ser medidas con facilidad, mientras que las bajas se podían calcular con la ayuda de la ley de Boyle. Técnicamente, el medidor funciona en un intervalo de 1 a 10^-6 torr (Figura V.2).

Se ha desarrollado desde entonces otro tipo de medidores de presión; éstos varían no sólo en forma o tamaño, sino sobre todo en el concepto teórico en el cual se basan. Por ejemplo, el medidor de presión creado por Langmuir usa una fibra de cuarzo que debe oscilar en el gas, y la disminución de amplitud en dichas oscilaciones nos da la medida de la presión del gas. Este dispositivo trabaja en un intervalo de presión entre 10^-2 y 10^-7 torr (Figura V.3).

El medidor de Pirani, diseñado en 1906, nos da una medida de la presión a través de la variación de la conductividad térmica del gas. Este dispositivo consta de un filamento metálico suspendido en un tubo en el sistema de vacío y conectado a una fuente de voltaje o corriente constante. El alambre puede ser de tungsteno u otro material cuya resistencia varíe mucho con la temperatura. Al aumentar el vacío, se reduce la pérdida de calor por conducción a través del gas y aumenta la temperatura y la resistencia del conductor, que se mide con un aparato adecuado (Figura V.4). En el apéndice A se describen mayores detalles históricos y tecnológicos.

En la selección de un medidor de presión es importante considerar de antemano el tipo de sistema con el cual se cuenta, el trabajo a realizarse, y las condiciones necesarias para medir la presión. Una manera sencilla de elegir el medidor adecuado a nuestros propósitos es tomar en cuenta los siguientes cinco puntos:

1) El intervalo de presión para el cual es requerido el medidor.

2) ¿Qué es importante saber?, la presión parcial de cada componente del gas o la presión total.

3) Considerar si la lectura del medidor depende del tipo de gas existente en la cámara.

4) La exactitud necesaria al medir.

5) El tipo de montadura del medidor.

Para dar una idea de la variedad de medidores que existen y los diferentes intervalos de presión en que trabajan, en la figura V.5 presentamos una gráfica con tales datos.

En general, se acostumbra llamar barómetros a los instrumentos que sirven para medir la presión atmosférica, y manómetros a los que miden la presión de cualquier gas o vapor.