Baleiro

Para o baleiro en astronomía, véxase baleiro

Bomba de baleiro

En física clásica, o concepto de baleiro aplícase nun espazo sen aire ou outros fluídos e, en xeral, que carece de calquera tipo de materia, pero no cal se poden propagar os campos. Aínda así, en física relativista e en física cuántica, o concepto de baleiro non se corresponde co nada.

Na práctica, o "baleiro absoluto", a carencia total de materia, é imposible conseguir de maneira estrita. Os físicos discuten a miúdo os resultados de experimentos ideais en condicións de baleiro absoluto, pero utilizan o termo de "baleiro parcial" cando se refiren ás condicións reais que poden ser logradas nos laboratorios ou coas diferentes máquinas que permiten conseguir o baleiro. Tamén se utiliza o termo latino in vacuo para describir un obxecto que está no baleiro.

A cualidade do baleiro dependerá de canto se achega a un "baleiro absoluto"; nun "baleiro parcial", as poucas partículas que restan exercen unha determinada presión sobre as paredes do recipiente que as comprenden, por iso o baleiro parcial exprésase en unidades de presión e a miúdo compárase coa presión atmosférica normal (a presión que exerce a atmosfera a nivel do mar). A presión é unha maneira de medir en que grao se conseguiu crear o baleiro nun recipiente, é unha medida da cualidade do baleiro logrado. A unidade de presión do sistema internacional é o pascal (Pa), pero ás veces tamén pode ser expresada como porcentaxes da presión atmosférica en bares ou atm (atmosferas). Por exemplo, unha aspiradora produce suficiente succión como para reducir a presión de aire ao redor do 20%. Pero pódense lograr mellores cualidades de baleiro; así, fálase de baleiro elevado e de ultrabaleiro (UHV, das siglas inglesas de Ultra high vacuum); as cámaras de ultrabaleiro, habituais en química, física e enxeñaría, operan por baixo dunha bilionésima (10⁻¹²) da presión atmosférica, e poden chegar a aproximadamente 100 partículas/cm³. O espazo exterior é un baleiro de máis cualidade aínda; equivale a uns poucos átomos de hidróxeno por metro cúbico de media. Con todo, mesmo se todos os átomos e partículas puidesen ser sacados dun volume determinado, deixaría de ser "baleiro" debido ás flutuacións do baleiro debidas ás partículas virtuais, á enerxía escura e a outros fenómenos da física cuántica.

O baleiro foi un tema frecuente da filosofía desde a antiga Grecia, pero non foi estudado empiricamente ata o século XVII. Evangelista Torricelli creou o baleiro nun laboratorio por primeira vez en 1643; a partir das súas teorías sobre a presión atmosférica, desenvolvéronse algunhas técnicas experimentais. O baleiro volveuse unha valiosa ferramenta industrial durante o século XX coa introdución da lámpada incandescente, a válvula de baleiro, o tubo de raios catódicos da televisión e unha variada gama de tecnoloxía que utilizaba o baleiro. O desenvolvemento recente dos voos espaciais tripulados espertou interese sobre o impacto do baleiro sobre a saúde humana e sobre a vida en xeral.

Aplicacións do baleiro

O baleiro é útil nunha gran variedade de procesos e dispositivos; a xeneralización do seu uso chegou coa lámpada incandescente para protexer o filamento da degradación química. A inercia química producida polo baleiro tamén é útil na soldadura por raio de electróns, a soldadura en frío, o envasado ao baleiro ou a frixideira ao baleiro.

O ultrabaleiro utilízase no estudo dos substratos atomicamente limpos, posto que só un baleiro de moi boa calidade conserva limpas as superficies a escala atómica durante un tempo razoablemente longo (da orde dos minutos ata os días). O alto ou o moi alto baleiro elimina a obstrución do aire e permite que os raios de partículas depositen ou retiren material sen contaminación. Este é o principio que hai detrás de procesos como a deposición química de vapor, a deposición física en fase vapor ou o gravado seco, que son esenciais para a fabricación de semicondutores, o recubrimento óptico e a ciencia de superficies.

A redución da convección térmica proporciona o illamento térmico nos termos. O baleiro diminúe o punto de ebulición dos líquidos e promove a desgasificación a baixa temperatura que se utiliza na liofilización, a preparación de adhesivos, a destilación ao baleiro, a metalurxia, ou nos procesos de depuración. As propiedades eléctricas do baleiro fan posible o funcionamento dos microscopios electrónicos, as válvulas de baleiro, ou os tubos de raios catódicos. A eliminación da fricción do aire é útil para o funcionamento da batería inercial e as ultracentrifugadora.

O baleiro utilízase habitualmente para producir aspiración, e esta característica utilízase nunha gran variedade de aplicacións. Por exemplo, a máquina de Newcomen utiliza baleiro no canto de presión para impulsar un pistón. No século XIX, o baleiro foi utilizado para a tracción nun ferrocarril experimental polo enxeñeiro británico Isambard Kingdom Brunel, ao facer o baleiro a un tubo o vehículo era aspirado. Os freos sen carga foron utilizados no ferrocarril a partir de medios do século XIX, pero hoxe en día foron substituídos polos freos pneumáticos de aire comprimido.

Graos do baleiro

• presión atmosférica = 760 torr ou 100 kPa
• aspirador = cerca de 300 torr ou 40 kPa
• bomba de baleiro mecánica = cerca de 10 millitorr ou 1,3 Pa
• próximo do espazo = cerca de 10⁻⁶ torr ou 130 μPa
• presión na Lúa = cerca de 10⁻⁸ torr ou 1.3 μPa
• cámara de baleiro cryopump MBE (molecular bean epitaxy) = 10⁻⁹ - 10⁻¹¹ torr
• espazo interestelar = cerca de 10⁻¹⁰ torr ou 13 nPa

Crear o baleiro

Para crear o baleiro dunha maneira sinxela, pártese dun certo volume, pechado hermeticamente, e expándese, creando un baleiro parcial dentro do volume. Exemplos deste sistema danse: nos pulmóns ao respirar, que se expanden e crean un certo baleiro dentro (a diferenza de presión dentro e fóra dos pulmóns fai entrar aire), e tamén para aspirar, absorber ou succionar. O mesmo principio úsase en máquinas como a aspiradora ou bombas de aire.

Tamén se pode facer uso dunha bomba de aire para extraer o aire dentro dunha cámara de baleiro. A medida que se vai extraendo o aire, quedan menos moléculas que empuxen contra as paredes da cámara, co cal redúcese a presión do seu interior. Deste xeito, pódese conseguir un bo baleiro, pero debido aos escapes, efectos de evaporación e sublimación nas paredes da cámara e outros elementos, este nunca será perfecto. Nesta altura, o sistema entrou nun estado chamado de baleirado molecular, onde a velocidade de cada molécula é aproximadamente aleatoria. Entre os métodos para retirar o gas restante están os seguintes:

1. Pasar as moléculas de gas ao seu estado sólido conxelándoas: método crioxénico ou cryotrap
2. Pasándoas ao estado sólido ao combinalas electricamente con outros materiais: método de compresión iónica (en inglés: ion pump/ion pumping)
3. Uso doutra bomba especializada. Exemplos son a bomba turbomolecular ou bomba de difusión.

O baleiro de Torricelli creábase enchendo un recipiente de vidro alongado e pechado nun extremo con mercurio e inverténdoo e introducíndoo noutro recipiente que tamén contiña mercurio.

Outros tipos sen carga

Artigo principal: Espazo exterior.

O espazo exterior non é un baleiro perfecto porque contén un plasma débil con partículas cargadas, campos electromagnéticos, e estrelas.

Á parte do baleiro creado artificialmente, hai tamén baleiros creados pola natureza. Este é o caso do baleiro no espazo exterior. A presión no espazo é moi pequena e pódese dicir que o baleiro é case perfecto. Aínda así, hai moitas partículas no espazo e non se pode dicir, polo tanto, que sexa perfecto. Dentro do sistema solar, a maior parte destas partículas proveñen do Sol; é o que se denomina vento solar. Este vento solar componse maioritariamente de fotóns, pero tamén de protóns e helio, compoñentes principais da coroa solar.

As estrelas, planetas e lúas manteñen as súas atmosferas con atracción gravitatoria, e, como tal, non hai ningún límite de atmosferas claramente deliñadas: a densidade do gas atmosférico simplemente diminúe coa distancia do obxecto. A presión atmosférica da Terra cae preto de 3.2 × 10^-2 Pan a 100 km de altitude, a liña de Kármán é unha definición común da fronteira co espazo exterior. Máis aló desta liña, a presión do gas isotrópico convértese rapidamente en insignificante en comparación coa presión de radiación do sol e a presión dinámica do vento solar, de forma que a definición de presión vólvese difícil de interpretar. A termosfera neste rango ten grandes gradientes de presión, temperatura e composición, e varía en gran medida debido ao clima espacial. Os astrofísicos prefiren utilizar a densidade numeral para describir estas contornas, en unidades de partículas por centímetro cúbico.

Pero, a pesar de que cumpre coa definición do espazo ultraterrestre, a densidade da atmosfera dentro dos primeiros centenares de quilómetros por encima da liña de Kármán continúa sendo suficiente para producir importantes resistencias nos satélites artificiais. A maioría dos satélites artificiais operan nesta rexión chamada órbita terrestre baixa e teñen que por en marcha os motores cada día para manter a órbita. A resistencia aquí é suficiente baixa, e en teoría podería ser superada pola presión da radiación en velas solares, un sistema de propulsión proposto para as viaxes interplanetarias. Os planetas son demasiado grandes nas súas traxectorias para que se poidan ver significativamente afectadas por estas forzas, a pesar de que as súas atmosferas son erosionadas polos ventos solares.

Todo o universo observable está cheo dun gran número de fotóns, tamén chamada radiación cósmica de fondo, e moi probablemente un número correspondentemente grande de neutrinos. A temperatura actual desta radiación é de aproximadamente 3 K, ou -270 graos Celsius ou tamén -454 graos Fahrenheit.

Historia

Historicamente, houbo moita controversia sobre se unha cousa como o baleiro podía existir; na antiga Grecia, os filósofos non admitían a existencia dun baleiro, preguntábanse como o "nada podía ser algo". Platón, que atopaba a idea do baleiro inimaxinable, pensaba que todas as cousas físicas eran instancias de formas ideais, e non podía concibir unha forma "ideal" para o baleiro. Do mesmo xeito, Aristóteles tamén consideraba imposible a creación do baleiro. Máis tarde, os filósofos gregos chegaron a pensar que o baleiro podía existir fóra do cosmos, pero non dentro. Herón de Alexandría foi o primeiro a cuestionar esta crenza no século I, pero non vai triunfar no seu intento de crear o baleiro artificial.

Na cidade romana de Pompeia, atopouse unha bomba de succión de dobre acción, cousa que demostra que os romanos coñecían este tipo de tecnoloxía. Utilizábase para elevar a auga: a bomba tiña dous cilindros que eran accionados alternativamente. Durante a fase de succión, unha válvula inferior abríase permitindo a entrada da auga no cilindro, mentres que a válvula superior permanecía pechada. Cando o pistón ía cara a abaixo, a válvula inferior pechábase e abríase a superior.

No mundo islámico medieval, o científico e filósofo medieval persa Al-Farabí (872-950) levou a cabo un pequeno experimento relativo á existencia do baleiro, no cal investigou con émbolos manuais en auga e chegou á conclusión de que o volume de aire podíase expandir ata encher o espazo dispoñible, e suxeriu que o concepto baleiro perfecto era incoherente. Con todo, o físico musulmán Ibn al-Hàytham (965-1040) e os teólogos mutazilistas non estiveron de acordo con Aristóteles e Al-Farabí e apoiaron a idea da existencia do baleiro. Utilizando a xeometría, Ibn Al-Hàytham demostrou matematicamente que un lugar (al-makan) é o baleiro tridimensional imaxinario entre as superficies internas dun corpo que o contén. Al-Biruní tamén dicía que "non hai evidencia observable que exclúa a posibilidade do baleiro". A bomba de baleiro foi descrita en 1206 polo científico, enxeñeiro e inventor kurdo Al-Jazarí; este aparello non aparecería en Europa ata o século XV. Taqi al-Din (1526 - 1585) inventou unha bomba de seis cilindros que era capaz de crear un baleiro parcial.

Durante o Idade media, a Igrexa católica consideraba a idea do baleiro como contraria a natura e mesmo herética, a ausencia de calquera cousa implicaba tamén a ausencia de Deus. Os experimentos mentais medievais sobre a idea do baleiro buscaban determinar se o baleiro estaba presente entre dúas placas planas cando eran separadas rapidamente, aínda que só fóra por un instante. Houbo moita discusión sobre se o aire se movía con tanta rapidez como as placas ao separarse ou, como postulaba Walter Burley, se era un axente celestial quen impedía a aparición do baleiro. A opinión xeneralizada era que a natureza aborrecía ó baleiro e este foi denominado horror vacui. As especulacións sobre que Deus non podía crear o baleiro foron condenadas en 1277 polo bispo de París Etienne Tempier, xunto con todo un conxunto de doutrinas (219 teses) coa axuda de Henri de Gante, e establecendo o artigo 49 da condena que Deus podía crear o baleiro se quería. René Descartes tamén argumentou en contra da existencia do baleiro: "O espazo é idéntico á extensión, pero a extensión está relacionada cos corpos, de forma que non hai espazo sen corpos e por tanto non hai espazo baleiro". A oposición á idea do baleiro na natureza continuou durante a Revolución científica, con académicos como Paolo Casati que tomaban unha posición antibaleiro.

A crenza no horror vacui foi descartada durante o século XVII. O deseño das bombas de auga mellorou moito dende aquel tempo, ata o punto que o baleiro que producen é medible, pero isto non se entendeu inmediatamente. O que se sabía era que as bombas non podían sacar auga a partir dunha certa altura, e este límite era un problema que preocupaba o Gran Ducado de Toscana debido aos proxectos de irrigación, drenaxe das minas e fontes decorativas que previra, por iso o duque encargou a Galileo investigar o problema. Galileo comunicou o problema a outros científicos, como Gasparo Berti, que o reproduciu construíndo o primeiro barómetro de auga en Roma no ano 1639.

O barómetro de Berti produciu un baleiro por encima da columna de auga, pero Berti non o explicou. O mérito do descubrimento foi para Evangelista Torricelli en 1643, que baseándose nas notas de Galileo construíu o primeiro barómetro de mercurio e escribiu un argumento convincente para explicar por que na parte superior había un baleiro. A altura da columna de mercurio está limitada polo peso da presión atmosférica. Algunhas persoas cren que, a pesar de que o experimento de Torricelli foi crucial, foron os experimentos de Blaise Pascal os que demostraron que o espazo superior realmente era baleiro.

En 1654, Otto von Guericke inventou a primeira bomba de baleiro e realizou o seu famoso experimento dos hemisferios de Magdeburgo, que demostrou que un grupo de cabalos non podía separar dous hemisferios dentro dos cales o aire fora (parcialmente) evacuado. Robert Boyle mellorou o deseño de Guericke e experimentou coas propiedades do baleiro. Robert Hooke axudou a Boyle a crear unha bomba para producir o baleiro. O estudo do baleiro decaeu ata que, en 1850, Augusto Toepler inventou a bomba que leva o seu nome. Despois, en 1855, Heinrich Geissler inventou a bomba de desprazamento de mercurio e conseguiu un baleiro duns 10 pascais. Neste nivel de baleiro, puidéronse observar varias propiedades eléctricas, cousa que renovou o interese polo baleiro, o cal levou ao desenvolvemento da válvula de baleiro e, en 1865, Hermann Sprengel inventaba a bomba que leva o seu nome.

A pesar de que o espazo exterior foi asimilado ao baleiro, as primeiras teorías sobre a natureza da luz baseáronse na existencia dun medio invisible, etéreo, a través do cal se transmitían as ondas da luz. Isaac Newton baseouse nesta idea para explicar a refracción e a irradiación de calor. Esta idea evolucionou sobre o concepto do éter do século XIX; aínda así, era coñecido que a idea tiña deficiencias importantes, en concreto, se a Terra se movía a través dun medio material, este medio tería que ser á vez moi tenue (polo feito de que non se detecta un retardo da Terra ao longo da súa órbita), e moi ríxido (para explicar por que as vibracións se propagan tan rapidamente). En 1887, o experimento de Michelson-Morley, utilizando un interferómetro para tratar de detectar o cambio na velocidade da luz causado polo movemento da Terra respecto ao éter, obtivo un dos resultados nulos máis famosos da historia da ciencia. Moitos interpretaron os resultados incorrectamente, que nin demostraban nin refutaban a existencia do éter, senón que mostraban que, en realidade, non había medio estático, omnipresente en todo o espazo e a través do cal se movía a Terra coma se tratase dun vento. Como simplificación, pódese asumir que non hai éter, e non se necesita ningunha entidade para a propagación da luz. Ademais das diferentes partículas que compoñen a radiación cósmica, hai unha radiación cósmica de fondo de fotóns (radiación electromagnética), como o fondo cósmico de microondas (CMB, do inglés Cosmic microwave background), o remanente térmico do big-bang ao redor de 2,7 K. Aínda así, ningún destes achados afecta o resultado do experimento de Michelson-Morley nun grao significativo.

Albert Einstein argumentou que os obxectos físicos non se atopan no espazo, senón que teñen unha extensión espacial. Visto así, o concepto de espazo baleiro perde o seu significado. O espazo sería máis ben unha abstracción baseada nas relacións entre os obxectos locais. Con todo, a teoría da relatividade xeral admite un campo gravitacional xeneralizado que, en palabras de Einstein, pode ser considerado como un éter, con propiedades que varían dun lugar a outro. Pero hai que hai que ter coidado de non atribuírlle propiedades materiais como a velocidade.

En 1930, Paul Dirac propuxo un modelo para o baleiro como un mar infinito de partículas con enerxía negativa denominado mar de Dirac. Esta teoría axudou a afinar as predicións da ecuación de Dirac que formulara antes, en 1928, e que foi utilizada para predicir a existencia do positrón, que sería descuberto dous anos despois da predición, en 1932. A pesar deste éxito inicial, a idea foi abandonada pronto en favor da teoría cuántica de campos.

O desenvolvemento da mecánica cuántica complicou a interpretación moderna do baleiro ao esixir unha indeterminación. O principio de incerteza de Niels Bohr e Werner Heisenberg e a interpretación de Copenhaguen, formuladas en 1927, predín unha incerteza fundamental na mensurabilidade instantánea da posición e a cantidade de movemento de calquera partícula e que, de maneira non moi diferente ao campo gravitatorio, cuestiona o baleiro do espazo entre as partículas. A finais do século XX, considerouse que este principio tamén predí unha incerteza fundamental no número de partículas que hai nunha rexión do espazo, cousa que levou á predición de partículas virtuais que xorden espontaneamente do nada. Noutras palabras, habería un límite inferior no baleiro, ditado polo estado de menor enerxía posible dos campos cuantizados en calquera rexión do espazo.

Descubrimentos en tecnoloxía do baleiro

Autor	Descubrimento ou traballo	Ano
Evangelista Torricelli	O baleiro nunha columna de 760 mm de mercurio	1643
Blaise Pascal	Variación da columna de mercurio coa altura	1650
Otto von Guericke	Bombas de baleiro de pistón. Hemisferio de Magdeburgo	1654
Robert Boyle	Lei da presión e o volume dos gases ideais	1662
Edme Mariotte	Lei da presión e o volume dos gases ideais	1679
Antoine Lavoisier	O aire formado por unha mestura de O2 e N2	1775
Daniel Bernoulli	Teoría cinética dos gases	1783
J.Charles-L. J. Gay-Lussac	Lei do volume e a temperatura dos gases ideais	1802
William Henry	Lei de Henry: a unha temperatura constante, a cantidade de gas disolta nun líquido é directamente proporcional á presión parcial que exerce este gas sobre o líquido	1803
George Medhurst	Propón a primeira liña pneumática de baleiro para oficinas de correos	1810
Amedeo Avogadro	A densidade molecular dos gases é normal	1811
August Toepler	Bomba de baleiro mediante unha columna de mercurio	1850
J. K. Maxwell	Leis da distribución de velocidades nun gas molecular	1859
Hermann Sprengel	Bomba de baleiro pola caída de mercurio	1865
Herbert McLeod	Vacuómetro de compresión de mercurio (Vacuómetro de McLeod)	1874
T. A. Edison	Lámpada de incandescencia con filamento de C	1879
W. Crookes	Tubo de raios catódicos	1879
J. Van der Waals	Ecuación de estado dos gases reais	1881
James Dewar	Illamento térmico no baleiro	1893
Wilhelm Röntgen	Raios X	1895
J. A. Fleming	Díodo de baleiro	1902
Arthur Wehnelt	Cátodo recuberto por óxido	1904
Wolfgang Gaede	Bomba de baleiro rotativa	1905
Marcello Pirani	Vacuómetro de condutividade térmica	1906
Lee de Forest	Tríodo de baleiro	1907
W. A. B. Coolidge	Lámpada de filamento de tungsteno	1909
Martin Knudsen	O fluxo molecular dos gases	1909
Wolfgang Gaede	Bomba de baleiro molecular	1913
W. A. B. Coolidge	Tubos de raios X	1915
W. Gaede	Bomba difusora de mercurio	1915
Irving Langmuir	Lámpada incandescente chea de gas inerte	1915
Irving Langmuir	Bomba difusora de condensación de mercurio	1916
Oliver Ellsworth Buckley	Galga de ionización de cátodo quente	1916
Fernand Holweck	Bomba molecular	1923
W. Gaede	O gas-balastro nas bombas rotativas	1935
Kenneth Hickman	Bomba difusora de aceite	1936
Frans Michel Penning	Vacuómetro de ionización de cátodo frío	1937
R. T. Bayard e D. Alpert	Galga de ionización para ultrabaleiro	1950
H. J. Schwarz, R. G. Herb	Bombas iónicas	1953

O baleiro mecano-cuántico

A física cuántica revela que mesmo un baleiro ideal, cunha presión medida de cero torr, non está verdadeiramente baleiro. Unha razón para isto é que as paredes da cámara de baleiro emiten luz baixo a forma de radiación de corpo negro (black-body radiation): luz visíbel se elas estiveren a unha temperatura de milleiros de graos, luz infravermella se estiveren máis frías. Esta sopa de fotóns estará en Equilibrio Termodinámico coas paredes e consecuentemente pódese dicir que o baleiro ten unha determinada temperatura. Na Mecánica Cuántica hai flutuacións no baleiro. Isto poderá ser responsábel do valor observado da constante cosmolóxica.^{[Cómpre referencia]}

Véxase tamén

Outros artigos

• Bomba de baleiro
• Presión
• Absorción

Ligazóns externas

• Journal of Vacuum Science and Technology A (en inglés)
• Vacuum Technology in Food Preservation (en vietnamita)