O que é o vácuo?



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O que é o vácuo?
Vácuo é geralmente definido como espaço vazio, ou espaço absolutamente desprovido de matéria. No meio industrial vácuo é considerado um espaço parcialmente esvaziado (até o mais alto grau possível), através de meios artificiais, como por uma bomba de ar. Outra definição diz que é o grau de rarefação abaixo da pressão atmosférica.

Em 1643, Evangelista Torricelli criou o primeiro vácuo da história produzido pelo homem, enchendo um tubo de vidro de 1,20m, fechado em um dos lados, com mercúrio e emborcando-o em um recipiente cheio de mercúrio. Com isso 760 mm de mercúrio permaneceram no tubo.



Em um sistema de ar comprimido, o aumento da pressão do ar cria a força motriz. Em um sistema a vácuo, a pressão do ar é reduzida para níveis abaixo da pressão atmosférica, de modo que a pressão mais elevada da atmosfera vizinha é usada para criar a força motriz.

A pressão é reduzida para níveis de vácuo devido à remoção de porções de moléculas de ar de um sistema fechado. Ao evacuar o ar do sistema fechado, desenvolve-se uma pressão diferencial entre o sistema e a atmosfera vizinha. Pode-se dizer, então, que o volume disponível para as moléculas aumentou.



  • Pressão atmosférica é variável, mas padronizada em 101,325 kPa (760 Torr)

  • Baixo vácuo, também chamado de vácuo “grosseiro”, é aquele que pode ser atingido ou medido com equipamento rudimentar como aspirador de pó e manômetro de coluna líquida.

  • Médio vácuo é o que pode ser atingido com uma bomba simples, mas é muito baixo para ser medido através de um manômetro mecânico ou de coluna líquida. Pode ser medido usando um medidor McLeod, um medidor térmico ou capacitivo.

  • Alto vácuo é aquele onde o MFP (mean free path – que é a distância média que uma partícula se desloca entre colisões com outras partículas) dos gases residuais é maior do que o tamanho da câmara ou do objeto em teste. O alto vácuo geralmente requer bombeamento em multi-estágios e medidores iônicos. Alguns textos fazem diferenciação entre alto vácuo e muito alto vácuo.

  • Ultra alto vácuo requer aquecimento da câmara para remover traços de gases e outros procedimentos especiais.

  • Espaço sideral é geralmente muito mais vazio do que qualquer vácuo artificial que possa ser criado.

  • Vácuo perfeito é um estado ideal que não pode ser obtido em um laboratório, nem mesmo no espaço sideral.

Pressão atmosférica

760 Torr

101 kPa

Baixo vácuo

760 a 25 Torr

100 a 3 kPa

Médio vácuo

25 a 1×10-3 Torr

3 kPa a 100 mPa

Alto vácuo

1×10-3 a 1×10-8 Torr

100 mPa a 1 µPa

Ultra alto vácuo

1×10-9 a 1×10-12 Torr

100 nPa a 100 pPa

Extremamente alto vácuo

<1×10-12 Torr

<100 pPa

Espaço sideral

1×10-6 a <3×10-17 Torr

100 nPa a <3fPa

Vácuo perfeito

0 Torr

0 Pa

Exemplos:



Aspirador de pó

aproximadamente 80 kPa

(600 Torr)

Bomba a vácuo

aproximadamente 3,2 kPa

(24 Torr)

Secagem com congelamento

100 a 10 Pa

(1 a 0,1 Torr)

Bomba tipo vane

100 Pa a 100 µPa

(1 Torr a 10−6 Torr)

Lâmpada incandescente

10 a 1 Pa

(0,1 a 0,01 Torr)

Garrafa térmica

1 a 0,1 Pa

(10−2 a 10−3 Torr)

Espaço próximo à Terra

aproximadamente 100 µPa

(10−6 Torr)

Câmara de criogenia MBE

100 nPa a 1 nPa

(10−9 Torr a 10−11 Torr)

Pressão na Lua

aproximadamente 1 nPa

(10−11 Torr)

Espaço interestelar

aproximadamente 1 fPa

(10−17 Torr)

A pressão mais baixa atualmente atingida em laboratório é 10-13 Torr, onde há poucos átomos de hidrogênio por cm3.


Figura 1 – Uma grande câmara de vácuo



Usos


Figura 2 – Lâmpada incandescente


O vácuo é útil para uma infinidade de processos e equipamentos. Lâmpadas incandescentes contêm um vácuo parcial, geralmente preenchido com argônio, que protege o filamento de tungstênio da degradação química. Outros exemplos: solda eletrolítica; fabricação de semicondutores; solda a frio; por reduzir a convecção melhora o isolamento térmico em garrafas térmicas e vidros duplos de janelas; no processo de freeze drying; preparação de adesivos; destilação; metalurgia; ultracentrífugas; as propriedades elétricas do vácuo tornaram possível o microscópio eletrônico e os tubos de vácuo como os tubos de raios catódicos.

Todo o Universo observável é preenchido por uma grande quantidade de fótons, chamados de radiação cósmica de fundo, e provavelmente com um correspondente grande número de neutrinos. A temperatura local é de cerca de 3 Kelvin, bem próxima, portanto, do zero absoluto. Nem os prótons nem os neutrinos produzem uma interação significativa com a matéria, então, as estrelas, os planetas e as naves espaciais se movem livremente neste vácuo quase perfeito do espaço interestelar.


Bombeamento


A bomba d’água manual eleva a água de um poço criando um vácuo que faz a água escoar na tentativa de preenchê-lo. Dessa forma, a bomba age como para evacuar o poço, apesar do vazamento não permitir que haja um vácuo de alta qualidade durante muito tempo.

Os líquidos não podem ser puxados, então é tecnicamente impossível criar vácuo por sucção. Sucção é o movimento dos fluidos no vácuo sob o efeito de uma grande pressão externa, mas o vácuo tem que ser criado antes. O modo mais simples de criar um vácuo artificial é expandindo o volume de um recipiente.



Figura 3 – Bomba d’água manual


Medição


O vácuo é medido em unidades de pressão. No Sistema Internacional de Unidades em pascal (Pa), mas também é medido em Torricelli (Torr). Um Torr é igual ao deslocamento de um milímetro de mercúrio (mmHg) em um manômetro, portanto, 1 Torr = 133.3223684 Pa sob zero de pressão absoluta. O vácuo também pode ser medido em micrômetros de mercúrio (pressão barométrica), ou como uma porcentagem da pressão atmosférica, bar ou atm. Outras unidades são as polegadas de mercúrio (inHg) abaixo da atmosférica, o que significa que a pressão absoluta é igual à pressão atmosférica (29,92 inHg) menos a pressão do vácuo em inHg. Então, o vácuo de 26 inHg equivale à pressão absoluta de (29,92 − 26) ou 4 inHg.

Figura 4 – Medidor McLeod sem o mercúrio.



Muitos equipamentos são utilizados para medir a pressão no vácuo, dependendo da intensidade de vácuo.

Medidores hidrostáticos (como a coluna de mercúrio ou manômetro) consiste em uma coluna vertical de líquido em um tubo, cujas extremidades estão expostas a diferentes pressões. A coluna irá subir ou descer até que seu peso esteja em equilíbrio com a pressão diferencial entre as duas extremidades do tubo. O modelo mais simples é um tubo fechado em forma de U, tendo uma extremidade conectada conectada à região de interesse. Qualquer fluido pode ser usado, mas o mercúrio é o preferido devido à sua alta densidade e baixa pressão de vapor. Os medidores hidrostáticos simples podem medir pressões de 1 Torr (100 Pa) até valores acima da atmosférica. Uma importante variação é o medidor McLeod que isola um volume conhecido de vácuo e o comprime até multiplicar a variação de altura da coluna líquida. O medidor McLeod pode medir vácuo de 10−6 Torr (0,1 mPa), que é a menor medida de vácuo obtido diretamente com a tecnologia atual. Outros medidores de vácuo podem medir pressões menores, mas indiretamente, através de outras propriedades relacionadas com a pressão. Estas medidas indiretas tem que ser calibradas no SI de unidades por medida direta, o que é comumente realizado com um medidor McLeod.

Medidores mecânicos são do tibo tubo de Bourdon, diafragma ou cápsulas, geralmente feitos de metal, que mudam sua forma de acordo com a pressão exercida na região de interesse. Uma variante desta ideia é o manômetro capacitivo, no qual um diafragma faz parte do sistema junto com o capacitor. Uma mudança na pressão comprime o diafragma que resulta em uma mudança na capacitância. Esses medidores são eficientes na faixa de 10−3 Torr a 10−4 Torr.

Medidores por condutividade térmica se baseiam no fato de que a habilidade de um gás conduzir calor diminui com a pressão. Neste tipo de medidor, um filamento metálico é aquecido pela passage de uma corrente elétrica através dele. Um par termelétrico ou um detector de temperature por resistência elétrica (RTD) podem ser usados para medir a temperatura do filamento. Esta temperatura depende da taxa na qual o filamento perde calor para o gás no seu entorno, e, portanto, da condutividade térmica. Um variante comum é o medidor Pirani que usa um único filamento de platina tanto como elemento aquecido como RTD. Esses medidores são precisos de 10 Torr a 10−3 Torr, mas são sensíveis à composição química dos gases de medição.

Medidores iônicos são usados em ultra alto vácuo. São de dois tipos: cátodos a quente e a frio. Na versão de cátodo a quente um filamento aquecido eletricamente produz um feixe de elétrons. Os elétrons atravessam o medidor e ionizam as moléculas do gás em torno deles. Os íons resultantes são captados no eletrodo negative. A corrente depende do número de ions, que depende da pressão no medidor. Esse tipo de medidor é preciso de 10−3 Torr a 10−10 Torr. O princípio de funcionamento do cátodo a frio é o mesmo, exceto que os elétrons são produzidos por uma descarga criada por um alta voltagem elétrica. Esse tipo de medidor é preciso de 10−2 Torr a 10−9 Torr. A calibração dos medidores iônicos depende do modelo construtivo do aparelho, da composição química dos gases de medição, da corrosão e dos depósitos sobre as superfícies. A calibração pode ser inválida para medidas na pressão atmosférica ou em baixo vácuo. A composição dos gases em alto vácuo é geralmente imprevisível, porque um espectrômetro de massa tem que ser usado juntamente com o medidor iônico para medições precisas.

Propriedades


Muitas propriedades do espaço se aproximam de valores não-zero em um vácuo próximo ao perfeito. Estas constantes físicas ideais são comumente chamadas de constantes do espaço livre. Algumas estão listadas a seguir:

  • Velocidade da luz: próxima de 299,792,458 m/s, mas é sempre mais lenta

  • Índice de refração: se aproxima de 1,0, mas é sempre maior

  • Permissividade elétrica (): se aproxima de 8.8541878176x10-12 farads por metro (F/m).

  • Permeabilidade magnética (μ0): próxima de 4π×10−7 N/A2.

Tradução do Wikipedia


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