Vácuo
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Etimologia
A palavra vácuo vem do latim 'um espaço vazio, vazio', uso substantivo do neutral do vácuo, que significa "vazio", relacionado ao vacar, que significa "estar vazio".
O vácuo é uma das poucas palavras no idioma inglês que contém duas letras consecutivas você.
Entendimento histórico
Historicamente, tem havido muita disputa sobre se pode existir tal coisa como vácuo. Os filósofos gregos antigos debateram a existência de um vácuo, ou vazio, no contexto do atomismo, que postulou o vazio e o átomo como os elementos explicativos fundamentais da física. Seguindo Platão, mesmo o conceito abstrato de um vazio sem destaque enfrentou considerável ceticismo: não pôde ser apreendido pelos sentidos, não poderia, por si só, fornecer poder explicativo adicional além do volume físico com o qual era proporcional e, por definição, foi Literalmente, nada, que não se pode dizer corretamente. Aristóteles acreditava que nenhum vazio poderia ocorrer naturalmente, porque o contínuo de material em torno de mais preencheria imediatamente qualquer raridade incipiente que possa dar origem a um vazio.
Em sua física, o Livro IV, Aristóteles ofereceu inúmeros argumentos contra o vazio: por exemplo, esse movimento através de um meio que não ofereceu impedimentos poderia continuar ad infinitum, não havendo razão de que algo chegaria a descansar em particular. Lucretius defendeu a existência de vácuo no primeiro século aC e o herói de Alexandria tentou, sem sucesso, criar um vácuo artificial no primeiro século dC.
No mundo muçulmano medieval, o físico e o estudioso islâmico al-Farabi escreveu um tratado rejeitando a existência do vácuo no século 10. Ele concluiu que o volume da Air pode se expandir para preencher o espaço disponível e, portanto, o conceito de vácuo perfeito era incoerente. De acordo com Nader El-Bizri, o físico Ibn al-Haytham e os teólogos mu'tazili discordaram de Aristóteles e Al-Farabi, e apoiaram a existência de um vazio. Usando geometria, Ibn al-Haytham demonstrou matematicamente que o local (al-Makan) é o vazio tridimensional imaginado entre as superfícies internas de um corpo contendo. Segundo Ahmad Dallal, Abū Rayhān al-Bīrūnī também afirma que "não há evidências observáveis que excluam a possibilidade de vácuo". A bomba de sucção foi descrita pelo engenheiro árabe al-Jazari no século XIII e mais tarde apareceu na Europa a partir do século XV.
Estudiosos europeus como Roger Bacon, Blasius de Parma e Walter Burley no século XIII e XIV se concentraram considerável atenção em questões relativas ao conceito de vácuo. Eventualmente, seguindo a física estoica nesse caso, estudiosos a partir do século XIV em diante se afastaram cada vez mais da perspectiva aristotélica em favor de um vazio sobrenatural além dos limites do próprio Cosmos, uma conclusão amplamente reconhecida pelo século XVII, que ajudou a segregar e teologia natural e teológica preocupações.
Quase dois mil anos após Platão, René Descartes também propôs uma teoria alternativa geometricamente baseada no atomismo, sem o nada problemático - tudo dicotomia de vazio e átomo. Embora Descartes tenha concordado com a posição contemporânea, que um vácuo não ocorre na natureza, o sucesso de seu sistema de coordenadas homônimas e, mais implicitamente Extensão do volume. Pela definição antiga, no entanto, informações direcionais e magnitude eram conceitualmente distintas.
Experimentos de pensamento medieval sobre a idéia de um vácuo consideraram se um vácuo estava presente, mesmo que apenas por um instante, entre duas placas planas quando foram rapidamente separadas. Houve muita discussão sobre se o ar se moveu com rapidez suficiente à medida que as placas foram separadas ou, como Postulava Walter Burley, se um 'agente celestial' impedia o vácuo surgindo. A visão comum de que a natureza abominava um vácuo era chamada de Horror Vacui. Havia até especulações de que mesmo Deus não poderia criar um vácuo se quisesse e as condenações de 1277 Paris do bispo Etienne Timpier, que exigiam que não haja restrições aos poderes de Deus, levou à conclusão de que Deus poderia criar um vácuo se Ele tão desejado. Jean Buridan relatou no século 14 que equipes de dez cavalos não podiam puxar fole abertos quando o porto foi selado.
O século XVII viu as primeiras tentativas de quantificar as medidas do vácuo parcial. O barômetro de Mercúrio de Evangelista Torricelli de 1643 e os experimentos de Blaise Pascal demonstraram um vácuo parcial.
Em 1654, Otto von Guericke inventou a primeira bomba de vácuo e conduziu seu famoso experimento de Hemisférios de Magdeburgo, mostrando que, devido à pressão atmosférica fora dos hemisférios, equipes de cavalos não puderam separar dois hemisférios dos quais o ar foi parcialmente evacuado. Robert Boyle melhorou o design de Guericke e com a ajuda de Robert Hooke desenvolveu ainda mais a tecnologia de bomba de vácuo. Posteriormente, a pesquisa sobre o vácuo parcial apareceu até 1850, quando August Toepler inventou a bomba do ToePler e em 1855, quando Heinrich Geissler inventou a bomba de deslocamento de mercúrio, alcançando um vácuo parcial de cerca de 10 Pa (0,1 Torr). Várias propriedades elétricas tornam -se observáveis nesse nível de vácuo, que renovou o interesse em mais pesquisas.
Embora o espaço sideral forneça o exemplo mais rarefeito de um vácuo parcial de ocorrência natural, os céus foram originalmente considerados preenchidos perfeitamente por um material indestrutível rígido chamado Aether. Emprestando um pouco do pneuma da física estóica, Aether passou a ser considerado como o ar rarefeito do qual ele recebeu o nome (veja Aether (mitologia)). As primeiras teorias da luz postulam um meio terrestre onipresente e celestial através do qual a luz propagou. Além disso, o conceito informou as explicações de Isaac Newton sobre refração e calor radiante. Experimentos do século XIX neste Aether Luminíferos tentaram detectar um minuto de arrasto na órbita da Terra. Enquanto a Terra, de fato, passa por um meio relativamente denso em comparação com o do espaço interestelar, o arrasto é tão minúsculo que não poderia ser detectado. Em 1912, o astrônomo Henry Pickering comentou: "Enquanto o meio de absorção interestelar pode ser simplesmente o éter, [é] característico de um gás, e as moléculas gasosas livres certamente estão lá".
Mais tarde, em 1930, Paul Dirac propôs um modelo de vácuo como um mar infinito de partículas que possui energia negativa, chamada Dirac Sea. Essa teoria ajudou a refinar as previsões de sua equação de Dirac formulada anteriormente e previu com sucesso a existência do Positron, confirmada dois anos depois. O princípio da incerteza de Werner Heisenberg, formulado em 1927, previu um limite fundamental dentro do qual a posição e o momento instantâneos, ou energia e tempo podem ser medidos. Isso tem consequências de longo alcance no "vazio" do espaço entre as partículas. No final do século XX, foram confirmadas as chamadas partículas virtuais que surgem espontaneamente do espaço vazio [citação necessária].
Teorias do campo clássico
O critério mais estrito para definir um vácuo é uma região de espaço e tempo em que todos os componentes do tensor de tensão -energia são zero. Isso significa que essa região é desprovida de energia e momento e, por conseqüência, deve estar vazio de partículas e outros campos físicos (como eletromagnetismo) que contêm energia e momento.
Gravidade
Na relatividade geral, um tensor de energia que desaparece, através de equações de campo de Einstein, o desaparecimento de todos os componentes do tensor de Ricci. O vácuo não significa que a curvatura do espaço-tempo é necessariamente plana: o campo gravitacional ainda pode produzir curvatura no vácuo na forma de forças de maré e ondas gravitacionais (tecnicamente, esses fenômenos são os componentes do tensor Weyl). O buraco negro (com carga elétrica zero) é um exemplo elegante de uma região completamente "cheia de vácuo", mas ainda mostra uma forte curvatura.
Eletromagnetismo
No eletromagnetismo clássico, o vácuo do espaço livre, ou às vezes apenas espaço livre ou vácuo perfeito, é um meio de referência padrão para efeitos eletromagnéticos. Alguns autores se referem a esse meio de referência como vácuo clássico, uma terminologia destinada a separar esse conceito do vácuo QED ou o vácuo do QCD, onde as flutuações de vácuo podem produzir densidades de partículas virtuais transitórias e uma permissividade relativa e permeabilidade relativa que não são identicamente unidades.
Na teoria do eletromagnetismo clássico, o espaço livre tem as seguintes propriedades:
Electromagnetic radiation travels, when unobstructed, at the speed of light, the defined value 299,792,458 m/s in SI units.The superposition principle is always exactly true. For example, the electric potential generated by two charges is the simple addition of the potentials generated by each charge in isolation. The value of the electric field at any point around these two charges is found by calculating the vector sum of the two electric fields from each of the charges acting alone.The permittivity and permeability are exactly the electric constant ε0 and magnetic constant μ0, respectively (in SI units), or exactly 1 (in Gaussian units).The characteristic impedance (η) equals the impedance of free space Z0 ≈ 376.73 Ω.O vácuo do eletromagnetismo clássico pode ser visto como um meio eletromagnético idealizado com as relações constitutivas nas unidades de SI:
D ( r , t ) = ε 0 E ( r , t ) {\displaystyle {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\ t)=\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,}
H ( r , t ) = 1 μ 0 B ( r , t ) {\displaystyle {\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},\ t)={\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,} 
Relacionando o campo de deslocamento elétrico d ao campo elétrico E e ao campo magnético ou no campo H à indução magnética ou ao campo B B. Aqui R é uma localização espacial e T é o tempo.
Mecânica quântica
Na mecânica quântica e na teoria do campo quântico, o vácuo é definido como o estado (ou seja, a solução para as equações da teoria) com a menor energia possível (o estado fundamental do espaço de Hilbert). Na eletrodinâmica quântica, esse vácuo é referido como 'vácuo QED' para distingui -lo do vácuo da cromodinâmica quântica, indicada como vácuo QCD. O vácuo de QED é um estado com partículas, daí o nome), e sem fótons. Como descrito acima, esse estado é impossível de alcançar experimentalmente. (Mesmo que toda partícula de matéria pudesse ser removida de um volume, seria impossível eliminar todos os fótons do corpo negro.) No entanto, fornece um bom modelo para o vácuo realizável e concorda com várias observações experimentais, conforme descrito a seguir.
O QED Vacuum possui propriedades interessantes e complexas. No vácuo QED, os campos elétricos e magnéticos têm valores médios zero, mas suas variações não são zero. Como resultado, o vácuo QED contém flutuações de vácuo (partículas virtuais que entram e saem da existência) e uma energia finita chamada energia a vácuo. As flutuações de vácuo são uma parte essencial e onipresente da teoria do campo quântico. Alguns efeitos experimentalmente verificados das flutuações de vácuo incluem emissão espontânea e mudança de cordeiro. A lei de Coulomb e o potencial elétrico no vácuo perto de uma carga elétrica são modificados.
Teoricamente, no QCD, vários estados a vácuo podem coexistir. Pensa -se que o início e o fim da inflação cosmológica surgiu das transições entre diferentes estados a vácuo. Para as teorias obtidas pela quantização de uma teoria clássica, cada ponto estacionário da energia no espaço de configuração gera um único vácuo. Acredita-se que a teoria das cordas tenha um grande número de vácuo-o chamado cenário da teoria das cordas.
Espaço sideral
O espaço externo tem uma densidade e pressão muito baixa e é a aproximação física mais próxima de um vácuo perfeito. Mas nenhum vácuo é realmente perfeito, nem mesmo no espaço interestelar, onde ainda existem alguns átomos de hidrogênio por metro cúbico.
Estrelas, planetas e luas mantêm suas atmosferas por atração gravitacional e, como tal, as atmosferas não têm limite claramente delineado: a densidade do gás atmosférico simplesmente diminui com a distância do objeto. A pressão atmosférica da Terra cai para cerca de 32 milipascais (4,6 × 10−6 psi) a 100 quilômetros de altitude, a linha Kármán, que é uma definição comum do limite com o espaço externo. Além dessa linha, a pressão isotrópica do gás se torna rapidamente insignificante quando comparada à pressão da radiação do sol e da pressão dinâmica dos ventos solares, de modo que a definição de pressão se torna difícil de interpretar. A termosfera nessa faixa possui grandes gradientes de pressão, temperatura e composição e varia muito devido ao clima espacial. Os astrofísicos preferem usar a densidade numérica para descrever esses ambientes, em unidades de partículas por centímetro cúbico.
Mas, embora atenda à definição de espaço sideral, a densidade atmosférica nas primeiras centenas de quilômetros acima da linha Kármán ainda é suficiente para produzir um arrasto significativo nos satélites. A maioria dos satélites artificiais opera nesta região chamada Low Earth Orbit e deve disparar seus motores a cada duas semanas ou algumas vezes por ano (dependendo da atividade solar). O arrasto aqui é baixo o suficiente para que teoricamente possa ser superado pela pressão de radiação nas velas solares, um sistema de propulsão proposto para viagens interplanetárias. Os planetas são enormes demais para que suas trajetórias sejam significativamente afetadas por essas forças, embora suas atmosferas sejam corroídas pelos ventos solares. [Citação necessária]
Todo o universo observável é preenchido com um grande número de fótons, a chamada radiação de fundo cósmico e um número correspondentemente grande de neutrinos. A temperatura atual desta radiação é de cerca de 3 K (-270,15 ° C; −454,27 ° F).
Medição
A qualidade de um vácuo é indicada pela quantidade de matéria restante no sistema, de modo que um vácuo de alta qualidade é aquele com muito pouca matéria que resta nela. O vácuo é medido principalmente por sua pressão absoluta, mas uma caracterização completa requer mais parâmetros, como temperatura e composição química. Um dos parâmetros mais importantes é o caminho livre médio (MFP) de gases residuais, o que indica a distância média que as moléculas viajam entre colisões entre si. À medida que a densidade do gás diminui, o MFP aumenta e, quando o MFP é maior que a câmara, a bomba, a nave espacial ou outros objetos presentes, as suposições contínuas da mecânica de fluidos não se aplicam. Esse estado de vácuo é chamado de alto vácuo, e o estudo de fluxos de fluido nesse regime é chamado de dinâmica de gás de partícula. O MFP de ar à pressão atmosférica é muito curto, 70 nm, mas a 100 MPa (~ 1 × 10−3 Torr), o MFP do ar de temperatura ambiente é de aproximadamente 100 mm, que está na ordem dos objetos diários, como tubos de vácuo . O radiômetro Crookes gira quando o MFP é maior que o tamanho das palhetas.
A qualidade do vácuo é subdividida em intervalos de acordo com a tecnologia necessária para alcançá -la ou medi -la. Esses intervalos foram definidos na ISO 3529-1: 2019, como mostrado na tabela a seguir (100 Pa corresponde a 0,75 Torr; Torr é unidade não-Si):
Pressure rangeDefinitionThe reasoning for the definition of the ranges is as follows (typical circumstances):Prevailing atmospheric pressure (31 kPa to 110 kPa) to 100 Palow (rough) vacuumPressure can be achieved by simple materials (e.g. regular steel) and positive displacement vacuum pumps; viscous flow regime for gases<100 Pa to 0,1 Pamedium (fine) vacuumPressure can be achieved by elaborate materials (e.g. stainless steel) and positive displacement vacuum pumps; transitional flow regime for gases<0,1 Pa to 1 × 10−6 Pahigh vacuum (HV)Pressure can be achieved by elaborate materials (e.g. stainless steel), elastomer sealings and high vacuum pumps; molecular flow regime for gases<1x10−6 Pa to 1 × 10−9 Paultra-high vacuum (UHV)Pressure can be achieved by elaborate materials (e.g. low-carbon stainless steel), metal sealings, special surface preparations and cleaning, bake-out and high vacuum pumps; molecular flow regime for gasesbelow 1 × 10−9 Paextreme-high vacuum (XHV)Pressure can be achieved by sophisticated materials (e.g. vacuum fired low-carbon stainless steel, aluminium, copper-beryllium, titanium), metal sealings, special surface preparations and cleaning, bake-out and additional getter pumps; molecular flow regime for gasesAtmospheric pressure is variable but standardized at 101.325 kPa (760 Torr).Deep space is generally much more empty than any artificial vacuum. It may or may not meet the definition of high vacuum above, depending on what region of space and astronomical bodies are being considered. For example, the MFP of interplanetary space is smaller than the size of the Solar System, but larger than small planets and moons. As a result, solar winds exhibit continuum flow on the scale of the Solar System, but must be considered a bombardment of particles with respect to the Earth and Moon.Perfect vacuum is an ideal state of no particles at all. It cannot be achieved in a laboratory, although there may be small volumes which, for a brief moment, happen to have no particles of matter in them. Even if all particles of matter were removed, there would still be photons and gravitons, as well as dark energy, virtual particles, and other aspects of the quantum vacuum.Medição relativa versus absoluta
O vácuo é medido em unidades de pressão, geralmente como uma subtração em relação à pressão atmosférica ambiente na Terra. Mas a quantidade de vácuo mensurável relativo varia de acordo com as condições locais. Na superfície de Vênus, onde a pressão atmosférica no nível do solo é muito maior do que na Terra, seriam possíveis leituras de vácuo relativas muito mais altas. Na superfície da lua, quase nenhuma atmosfera, seria extremamente difícil criar um vácuo mensurável em relação ao ambiente local.
Da mesma forma, as leituras de vácuo relativas muito mais altas que o normal são possíveis profundamente no oceano da Terra. Um submarino que mantém uma pressão interna de 1 atmosfera submersa a uma profundidade de 10 atmosferas (98 metros; uma coluna de água do mar de 9,8 metros tem o peso equivalente de 1 atm) é efetivamente uma câmara de vácuo, mantendo as pressões de água externa esmagadora, embora o 1 atm dentro do submarino normalmente não seria considerado um vácuo.
Portanto, para entender adequadamente as seguintes discussões sobre a medição de vácuo, é importante que o leitor assume que as medições relativas sejam feitas na Terra ao nível do mar, exatamente 1 atmosfera de pressão atmosférica ambiente.
Medições em relação a 1 atm
A unidade de pressão Si é o Pascal (símbolo PA), mas o vácuo é frequentemente medido em torrs, nomeado para um físico italiano Torricelli (1608-1647). Um Torr é igual ao deslocamento de um milímetro de mercúrio (MMHG) em um manômetro com 1 Torr igual a 133.3223684 Pascals acima da pressão zero absoluta. O vácuo também é frequentemente medido na escala barométrica ou como uma porcentagem de pressão atmosférica em barras ou atmosferas. O baixo vácuo é frequentemente medido em milímetros de mercúrio (MMHG) ou Pascal (PA) abaixo da pressão atmosférica padrão. "Abaixo atmosférico" significa que a pressão absoluta é igual à pressão atmosférica atual.
Em outras palavras, a maioria dos medidores de vácuo baixo que lê, por exemplo, 50.79 Torr. Muitos medidores de vácuo baixo baratos têm uma margem de erro e podem relatar um vácuo de 0 torr, mas na prática isso geralmente requer uma palheta rotativa de dois estágios ou outro tipo médio de bomba de vácuo para ir muito além (menor que) 1 torr.
Medindo instrumentos
Muitos dispositivos são usados para medir a pressão no vácuo, dependendo da faixa de vácuo.
Os medidores hidrostáticos (como o manômetro de coluna de mercúrio) consistem em uma coluna vertical de líquido em um tubo cujas extremidades são expostas a diferentes pressões. A coluna subirá ou cairá até que seu peso esteja em equilíbrio com o diferencial de pressão entre as duas extremidades do tubo. O design mais simples é um tubo em forma de U, um lado conectado à região de interesse. Qualquer fluido pode ser usado, mas o mercúrio é preferido por sua alta densidade e baixa pressão de vapor. Os medidores hidrostáticos simples podem medir pressões que variam de 1 Torr (100 Pa) a acima atmosférico. Uma variação importante é o medidor McLeod, que isola um volume conhecido de vácuo e o comprime para multiplicar a variação de altura da coluna líquida. O medidor McLeod pode medir aspiradores de até 10 a 6 Torr (0,1 MPa), que é a menor medição direta da pressão possível com a tecnologia atual. Outros medidores a vácuo podem medir pressões mais baixas, mas apenas indiretamente pela medição de outras propriedades controladas por pressão. Essas medidas indiretas devem ser calibradas por meio de uma medição direta, geralmente um medidor McLeod.
O kenotômetro é um tipo específico de medidor hidrostático, normalmente usado em usinas de energia usando turbinas a vapor. O kenotômetro mede o vácuo no espaço de vapor do condensador, ou seja, o escapamento do último estágio da turbina.
Os medidores mecânicos ou elásticos dependem de um tubo de bourdon, diafragma ou cápsula, geralmente feita de metal, o que mudará de forma em resposta à pressão da região em questão. Uma variação sobre essa idéia é o manômetro de capacitância, no qual o diafragma compõe uma parte de um capacitor. Uma mudança de pressão leva à flexão do diafragma, o que resulta em uma mudança na capacitância. Esses medidores são eficazes de 103 Torr a 10-4 Torr, e além.
Os medidores de condutividade térmica dependem do fato de que a capacidade de um gás de conduzir calor diminui com a pressão. Nesse tipo de medidor, um filamento de fio é aquecido executando a corrente através dele. Um termopar ou detector de temperatura de resistência (RTD) pode então ser usado para medir a temperatura do filamento. Essa temperatura depende da taxa na qual o filamento perde calor para o gás circundante e, portanto, a condutividade térmica. Uma variante comum é o medidor pirani que usa um único filamento de platina como elemento aquecido e RTD. Esses medidores são precisos de 10 Torr para 10-3 Torr, mas são sensíveis à composição química dos gases que estão sendo medidos.
Os medidores de ionização são usados no vácuo ultra -alto. Eles vêm em dois tipos: cátodo quente e cátodo frio. Na versão quente do cátodo, um filamento aquecido eletricamente produz um feixe de elétrons. Os elétrons viajam através do medidor e ionizam moléculas de gás ao seu redor. Os íons resultantes são coletados em um eletrodo negativo. A corrente depende do número de íons, que depende da pressão no medidor. Os medidores de cátodo quente são precisos de 10 a 3 Torr a 10-10 Torr. O princípio por trás da versão fria do cátodo é o mesmo, exceto que os elétrons são produzidos em uma descarga criada por uma descarga elétrica de alta tensão. Os medidores de cátodo frio são precisos de 10 a 2 Torr a 10-9 Torr. A calibração do medidor de ionização é muito sensível à geometria de construção, com a composição química de gases medidos, corrosão e depósitos de superfície. Sua calibração pode ser invalidada pela ativação a pressão atmosférica ou baixo vácuo. A composição dos gases em altos aspiradores geralmente será imprevisível; portanto, um espectrômetro de massa deve ser usado em conjunto com o medidor de ionização para medição precisa.
Usos
O vácuo é útil em uma variedade de processos e dispositivos. Seu primeiro uso generalizado foi na lâmpada incandescente para proteger o filamento da degradação química. A inércia química produzida por um vácuo também é útil para soldagem por feixe de elétrons, soldagem a frio, empacotamento de vácuo e fritura de vácuo. O vácuo ultra-alto é usado no estudo de substratos atomicamente limpos, pois apenas um vácuo muito bom preserva superfícies limpas em escala atômica por um tempo razoavelmente longo (da ordem de minutos a dias). O vácuo alto a ultra-alto remove a obstrução do ar, permitindo que as vigas das partículas depositem ou removam os materiais sem contaminação. Esse é o princípio por trás da deposição química de vapor, deposição física de vapor e gravação a seco, essenciais para a fabricação de semicondutores e revestimentos ópticos, e para a ciência da superfície. A redução da convecção fornece o isolamento térmico de garrafas térmicas. O vácuo profundo diminui o ponto de ebulição dos líquidos e promove a saída de baixa temperatura, que é usada na secagem de congelamento, preparação adesiva, destilação, metalurgia e purga de processo. As propriedades elétricas do vácuo tornam possíveis microscópios eletrônicos e tubos de vácuo, incluindo tubos de raios catódicos. Os interruptores de vácuo são usados no painel de comutação elétrico. Os processos de arco a vácuo são industrialmente importantes para a produção de certos graus de aço ou materiais de alta pureza. A eliminação do atrito do ar é útil para armazenamento de energia do volante e ultracentrifugas.
Máquinas acionadas por vácuo
Os aspiradores são comumente usados para produzir sucção, que possui uma variedade ainda maior de aplicações. O mecanismo a vapor do recém -chegado usou vácuo em vez de pressão para acionar um pistão. No século XIX, o vácuo foi usado para tração na ferrovia atmosférica experimental de Isambard Kingdom Brunel. Os freios a vácuo já foram amplamente utilizados nos trens no Reino Unido, mas, exceto nas ferrovias Heritage, elas foram substituídas por freios a ar.
O vácuo do coletor pode ser usado para direcionar acessórios em automóveis. O aplicativo mais conhecido é o servo a vácuo, usado para fornecer assistência de energia para os freios. As aplicações obsoletas incluem limpadores de pára-brisas a vácuo e bombas de combustível Autovac. Alguns instrumentos de aeronaves (indicador de atitude (IA) e o indicador de cabeçalho (HI)) são tipicamente movidos a vácuo, como proteção contra a perda de todos os instrumentos (elétricos), uma vez que as aeronaves iniciais geralmente não possuíam sistemas elétricos e, como existem dois Fontes prontamente disponíveis de vácuo em uma aeronave em movimento, o motor e uma indução externa de venturi.vacuum A fusão usa indução eletromagnética dentro de um vácuo.
Manter um vácuo no condensador é um aspecto importante da operação eficiente das turbinas a vapor. Um ejetor de jato a vapor ou bomba de vácuo de anel líquido é usado para esse fim. O vácuo típico mantido no espaço de vapor do condensador no escapamento da turbina (também chamado de backpressure do condensador) está na faixa de 5 a 15 kPa (absoluta), dependendo do tipo de condensador e das condições ambientais.
Supertasing
A evaporação e a sublimação em um vácuo são chamadas de engajamento. Todos os materiais, sólidos ou líquidos, têm uma pequena pressão de vapor, e sua desgosto se torna importante quando a pressão do vácuo cai abaixo dessa pressão de vapor. O Outgassing tem o mesmo efeito que um vazamento e limitará o vácuo alcançável. Os produtos superficiais podem se condensar em superfícies mais frias próximas, o que pode ser problemático se obscurecer instrumentos ópticos ou reagir com outros materiais. Isso é uma grande preocupação para as missões espaciais, onde um telescópio ou célula solar obscurecida pode arruinar uma missão cara.
O produto de saída mais prevalente em sistemas de vácuo é a água absorvida pelos materiais da câmara. Pode ser reduzido desiclando ou assando a câmara e removendo materiais absorventes. A água com entrevista pode se condensar no óleo das bombas rotativas de palhetas e reduzir drasticamente sua velocidade líquida se não for usado o lastro de gás. Os sistemas de alto vácuo devem estar limpos e livres de matéria orgânica para minimizar a saída.
Os sistemas de vácuo ultra-alto geralmente são assados, de preferência sob o vácuo, para aumentar temporariamente a pressão de vapor de todos os materiais superficiais e fervê-los. Uma vez que a maior parte dos materiais de gasolina é fervida e evacuada, o sistema pode ser resfriado para diminuir as pressões de vapor e minimizar a saída residual durante a operação real. Alguns sistemas são resfriados bem abaixo da temperatura ambiente por nitrogênio líquido para desligar a saída residual e simultaneamente criopump o sistema.
Bombeamento e pressão do ar ambiente
Os fluidos geralmente não podem ser puxados, portanto, um vácuo não pode ser criado por sucção. A sucção pode se espalhar e diluir um vácuo, deixando um fluido de pressão mais alto, mas o vácuo deve ser criado primeiro antes que a sucção possa ocorrer. A maneira mais fácil de criar um vácuo artificial é expandir o volume de um contêiner. Por exemplo, o músculo diafragma expande a cavidade torácica, o que faz com que o volume dos pulmões aumente. Essa expansão reduz a pressão e cria um vácuo parcial, que logo é preenchido por ar empurrado pela pressão atmosférica.
Para continuar evacuando uma câmara indefinidamente sem exigir um crescimento infinito, um compartimento do vácuo pode ser repetidamente fechado, exausto e expandido novamente. Este é o princípio por trás das bombas de deslocamento positivo, como a bomba de água manual, por exemplo. Dentro da bomba, um mecanismo expande uma pequena cavidade selada para criar um vácuo. Devido ao diferencial de pressão, algum fluido da câmara (ou do poço, em nosso exemplo) é empurrado para a pequena cavidade da bomba. A cavidade da bomba é então selada da câmara, aberta para a atmosfera e espremida de volta para um minuto.
A explicação acima é apenas uma introdução simples ao bombeamento de vácuo e não é representativa de toda a gama de bombas em uso. Muitas variações da bomba de deslocamento positivo foram desenvolvidas e muitos outros projetos de bombas dependem de princípios fundamentalmente diferentes. As bombas de transferência de momento, que têm algumas semelhanças com as bombas dinâmicas usadas a pressões mais altas, podem obter aspiradores de qualidade muito mais altos do que as bombas de deslocamento positivo. As bombas de aprisionamento podem capturar gases em um estado sólido ou absorvido, geralmente sem partes móveis, sem vedações e sem vibração. Nenhuma dessas bombas é universal; Cada tipo tem importantes limitações de desempenho. Todos eles compartilham uma dificuldade em bombear gases de baixo peso molecular, especialmente hidrogênio, hélio e neon.
A pressão mais baixa que pode ser alcançada em um sistema também depende de muitas coisas que não sejam a natureza das bombas. Várias bombas podem ser conectadas em série, chamadas de estágios, para obter aspiradores mais altos. A escolha de focas, geometria da câmara, materiais e procedimentos de bombeamento terá um impacto. Coletivamente, eles são chamados de técnica de vácuo. E às vezes, a pressão final não é a única característica relevante. Os sistemas de bombeamento diferem na contaminação do óleo, vibração, bombeamento preferencial de certos gases, velocidades de bomba, ciclo de trabalho intermitente, confiabilidade ou tolerância a altas taxas de vazamento.
Em sistemas de vácuo ultra alto, alguns caminhos de vazamento muito "ímpares" e fontes superficiais devem ser considerados. A absorção de água do alumínio e do paládio se torna uma fonte inaceitável de desgosto e até a adsortividade de metais rígidos, como aço inoxidável ou titânio, deve ser considerado. Alguns óleos e graxas vão ferver em aspiradores extremos. A permeabilidade das paredes da câmara metálica pode ter que ser considerada, e a direção dos grãos dos flanges metálicos deve ser paralela à face do flange.
As pressões mais baixas atualmente alcançáveis em laboratório são de cerca de 1 × 10-13 Torrs (13 PPA). No entanto, as pressões tão baixas quanto 5 × 10-17 Torrs (6,7 FPA) foram indiretamente medidas em um sistema de vácuo criogênico de 4 K (-269,15 ° C; -452,47 ° F). Isso corresponde a ± 100 partículas/cm3.
Efeitos em humanos e animais
Humanos e animais expostos ao vácuo perderão a consciência após alguns segundos e morrem de hipóxia em minutos, mas os sintomas não são tão gráficos quanto comumente retratados na mídia e na cultura popular. A redução da pressão reduz a temperatura na qual o sangue e outros fluidos corporais fervem, mas a pressão elástica dos vasos sanguíneos garante que esse ponto de ebulição permaneça acima da temperatura corporal interna de 37 ° C. Embora o sangue não ferva, a formação de bolhas de gás nos fluidos corporais a pressões reduzidas, conhecidas como ebulismo, ainda é uma preocupação. O gás pode inchar o corpo para o dobro do tamanho normal e a circulação lenta, mas os tecidos são elásticos e porosos o suficiente para evitar ruptura. Inchaço e ebulismo podem ser contidos por contenção em um traje de vôo. Os astronautas de ônibus usavam uma roupa elástica ajustada chamada de Caps (Crew Altitude Protection Suit (Caps), que impede o ebulismo a pressões tão baixas quanto 2 kPa (15 Torr). A ebulição rápida esfriará a pele e criará geada, principalmente na boca, mas esse não é um risco significativo.
Experimentos em animais mostram que a recuperação rápida e completa é normal para exposições menores que 90 segundos, enquanto as exposições mais longas de corpo inteiro são fatais e a ressuscitação nunca foi bem-sucedida. Um estudo da NASA em oito chimpanzés descobriu que todos sobreviveram a duas exposições e meio de minuto ao vácuo. Há apenas uma quantidade limitada de dados disponíveis nos acidentes humanos, mas é consistente com os dados de animais. Os membros podem ser expostos por muito mais tempo se a respiração não for prejudicada. Robert Boyle foi o primeiro a mostrar em 1660 que o vácuo é letal a pequenos animais.
Um experimento indica que as plantas são capazes de sobreviver em um ambiente de baixa pressão (1,5 kPa) por cerca de 30 minutos.
Atmosferas frias ou ricas em oxigênio podem sustentar a vida em pressões muito mais baixas que a atmosférica, desde que a densidade do oxigênio seja semelhante à atmosfera padrão do nível do mar. As temperaturas mais frias do ar encontradas em altitudes de até 3 km geralmente compensam as pressões mais baixas lá. Acima dessa altitude, o enriquecimento de oxigênio é necessário para evitar doenças de altitude em humanos que não sofreram aclimatação prévia, e os trajes espaciais são necessários para evitar o ebulismo acima de 19 km. A maioria dos trajes espaciais usa apenas 20 kPa (150 torr) de oxigênio puro. Essa pressão é alta o suficiente para evitar o ebulismo, mas a doença descompressiva e as emboliações a gás ainda podem ocorrer se as taxas de descompressão não forem gerenciadas.
A descompressão rápida pode ser muito mais perigosa do que a própria exposição a vácuo. Mesmo que a vítima não prenda a respiração, desabafar a traquéia pode ser muito lenta para impedir a ruptura fatal dos delicados alvéolos dos pulmões. Os tímpanos e os seios dos seios podem ser rompidos pela rápida descompressão, os tecidos moles podem machucar e infiltrar o sangue, e o estresse do choque acelerará o consumo de oxigênio, levando à hipóxia. As lesões causadas pela rápida descompressão são chamadas de barotrauma. Uma queda de pressão de 13 kPa (100 torr), que não produz sintomas se for gradual, pode ser fatal se ocorrer repentinamente.
Alguns microorganismos extremófilos, como tardigrados, podem sobreviver a condições de vácuo por períodos de dias ou semanas.