Ciência e Tecnologia do Vácuo

Aula 5

O que é vácuo?• Vácuo é conseguido se numa região existir menos gás do que

existe à pressão atmosférica !• Entretanto vácuo não pode ser definido como um espaço

completamente desprovido de partículas de gás, pois mesmo o melhor nível de vácuo conhecido, ainda existem moléculas de gás.

• Um gás é composto de muitas e invisíveis partículas (moléculas), as quais movem-se rapidamente, com velocidades em torno de 1600 km/h.

• Na pressão atmosférica o número de moléculas contidas em 1 cm3 de ar é aprox. 25x1018.

• Na menor pressão já conseguida artificialmente em um recipiente este número é reduzido para aprox. 350 moléculas.

• Nas regiões intergalácticas o número é próximo de 4 moléculas/m3.

• Em tecnologia de vácuo estamos concentrados na pressão dentro de um determinado recipiente.– Quando o mesmo contiver muito gás, a pressão é

alta, e o vácuo é pobre (rough);– Quando contiver pouco gás, a pressão é baixa e o

vácuo é alto.

• A referência de pressão para o melhor vácuo é “pressão zero”, e toda outra condição de vácuo será de pressão positiva.

• Entretanto, em algumas aplicações, especialmente para baixo vácuo, a pressão é medida segundo a diferença entre a pressão atmosférica e a pressão do interior do recipiente.

• Neste caso é conveniente utilizar de medidores de pressão que medem zero quando a diferença é zero, mas fornecerá valor negativo quando o recipiente for evacuado e positivo quando pressurizado!

Composição do Ar

• O ar é composto de uma mistura de gases.• Quase 99% do ar atmosférico seco é

nitrogênio + oxigênio.• Todos outros gases juntos somam 1% do total.

Composição do Ar

Unidades de Pressão• A unidade de mmHg (milímetros de mercúrio) é resultado do

trabalho experimental do italiano Torricelli em 1644. • Um longo tubo, fechado numa extremidade, preenchido com

mercúrio, invertido e submerso num banho de mercúrio.• Ele descobriu que o mercúrio ficava suspenso, formando uma

coluna, quando o peso desta era contrabalanceado com a pressão exercida pela pressão atmosférica.

• A pressão atmosférica neste caso referia-se ao peso da coluna de ar, com mesmo diâmetro, deste a superfície do mercúrio do banho até o topo da atmosfera.

• A altura da coluna de mercúrio no tubo, quando ao nível do mar, era de 760 mm.

• Ao se deslocar para regiões mais elevadas a altura da coluna aumentava, enquanto para regiões menos elevadas a altura diminuia.

• Esta foi a invenção do barômetro, sendo padronizado que a pressão atmosférica, ao nível do mar, era de 760 mm de mercúrio, (mmHg).

• Até o século XVII não se conhecia equipamentos parecidos com bombas de vácuo.

• Em 1654 Otto von Guericke (prefeito da cidade de Magdeburg, Alemanha) realizou vários experimentos utilizando uma bomba que havia inventado.

• A bomba era similar ao que hoje conhecemos das bombas de pneu de bicicleta (invertido).

• Em um dos mais famosos experimentos ele removeu ar de dois hemisférios metálicos selados.

• O vácuo era tão bom para a época que dois grupos de 8 cavalos puxando os hemisférios em direções opostas não conseguiram desuní-los.

• A pressão obtida por von Guericke era próxima de 10 mmHg e com poucas modificações seu invento foi usado até o final do século XIX.

• O surgimento e evolução da lâmpada elétrica, no final do séc. XIX, estimulou a invenção de outros tipos de bombas.

• Em homenagem a Torricelli 1 mmHg foi definido como sendo 1 torr.

• Em janeiro de 1978 a Europa determina a troca do torr pelo Pascal ou pelo milibar (mbar).

• 1 bar = 1000 mbar = 760 torr

Níveis de vácuo

• Os níveis de vácuo já obtidos no planeta terra vão desde 1013 mbar até baixíssimas pressões, produzidas artificialmente, que são reivindicadas como sendo de 10-14 mbar (“reivindicadas” porque não é fácil medir pressões dessa magnitude)

• Entretanto tal valor não é o menor que existe na natureza, uma vez que se supõe ser de 10-16 no espaço interestelar e 10-22 no espaço intergalático.

Níveis de vácuo

• É conveniente separarmos os níveis de vácuo nos intervalos:– Baixo vácuo = 1013 a 1 mbar– Médio vácuo = 1 a 10-3 mbar– Alto vácuo = 10-3 a 10-7 mbar– Ultra alto vácuo = abaixo de 10-7 mbar

Aplicações de vácuo• 1900 – lâmpadas elétricas• Válvulas elétricas de rádio à vácuo• Confecção de lentes de alta transmissão de luz• Preparação de plasma sanguíneo• Fundição de titânio (explosivo)• Estudos de fissão nuclear – década de 1950 disparou a

produção em massa de bombas de vácuo• Indústria microeletrônica• Programas espaciais

Evolução contínua para solução de diversos problemas !!

Porquê usar vácuo?• Um processo ou medida física é feito em vácuo por um dos

seguintes motivos:– 1) Para remover constituintes atmosféricos que podem causar

reações químicas indesejadas (lâmpadas, derretimento de metais, embalagem de produtos alimentícios e encapsulamento de dispositivos eletrônicos...)

– 2) Para estabelecer diferenças de pressão (segurar, sugar e transportar, ou formar plásticos...)

– 3) Para diminuir a transferência de energia térmica ou elétrica– 4) Para remover gases ou líquidos, dissolvidos ou incrustrados

(degaseificação de óleos, liofilização...)– 5) Para aumentar o livre caminho médio (deposição de filmes à

vácuo, tubo de raios catódicos, tubo de raios X, tubo de televisão, implantação iônica, aceleradores de partículas, ...)

Pressão de Vapor

• Algumas moléculas tem energia suficiente para escapar da superfície de sólidos ou líquidos e tornar-se parte da atmosfera residual.

• A taxa de escape das moléculas de uma superfície é aumentada com a elevação da temperatura.

Pressão de Vapor

• Por exemplo: um prato com água se deixado ao ar, evaporará. Entretanto, se o prato for colocado num recipiente fechado existe alta probabilidade de que a molécula desprendida colidirá com a superfície do líquido sendo recapturada (vapor saturado).

• Desde que a taxa de evaporação diminui com o decréscimo da temperatura, o vapor saturado também diminui.

Pressão de Vapor

• Superfícies refrigeradas são frequentemente usadas em sistemas de vácuo para que os vapores condensem nelas agindo como bombas de vácuo, que podem ser chamadas de “armadilha fria” ou “criobombas”.

Um vapor saturado é aquele que está em equilíbrio com seu líquido

Pressão de Vapor

• Sob vácuo a taxa de evaporação aumenta.• Se a pressão é progressivamente reduzida a

partir da atmosférica, a taxa de evaporação gadualmente aumenta, até que, em certo valor de pressão a evaporação torna-se muito mais violenta.

Como exemplo: a água a 20 ºC ferve quando a pressão de 23 mbar for atingida

Pressão de Vapor

• Se existir água, mesmo à temperatura de 20 ºC, em algum canto de um sistema de vácuo, a mínima pressão que se consiguirá atingir será de 23 mbar, que é a pressão de vapor da água a 20 ºC.

• A rápida evaporação da água resulta no abaixamento da temperatura da mesma e ela congelará. Em 0 ºC a pressão de vapor diminui para 6 mbar, mas a evaporação continua por sublimação !

Pressão de Vapor

• O mesmo é válido para todo e qualquer líquido presente num sistema de vácuo.

• Isto implica que deve-se ter muito cuidado ao manusear peças internas de um sistema de vácuo de modo a não contaminá-lo com gordura (impressão digital), vapores da respiração e transpiração, graxas, etc...

Pressão de Vapor

• Metais que exibem altas pressões de vapor devem ser evitados para compor peças de sistemas de vácuo.

• Ligas que contém zinco, cádmio e chumbo, possuem altas pressões de vapor e não devem ser utilizados em sistemas de vácuo.

Princípios de bombeamento

• A tecnologia de vácuo se estende à vários ranges de pressão, e ainda não foi inventada uma bomba que consiga bombear um recipiente a partir da pressão atmosférica até alto ou ultra-alto vácuo.

• Ainda que todas as bombas de vácuo tenham com objetivo principal diminuir o número de moléculas presentes na fase gasosa, vários diferentes princípios estão envolvidos em diferentes tipos de bombas.

Princípios de bombeamento• As bombas de vácuo são baseadas em um ou mais dos seguintes

princípios:– Compressão / Expansão do gás:

• Bombas a pistão, coluna líquida, rotativas e root´s– Arraste por efeito viscoso:

• Bombas de ejeção de vapor– Arraste por efeito de difusão:

• Bombas de difusão de vapor– Arraste molecular:

• Bombas moleculares– Efeitos de ionização

• Bombas iônicas– Sorção Física e Química

• Bombas de sorção, criogênicas, e aprisionamento

Parâmetros e classificação• A seleção (escolha) da bomba ou do princípio de

bombeamento a ser utilizado é definido por seus parâmetros específicos:

• Os principais parâmetros são:– A pressão mínima– O intervalo de pressões– A velocidade de bombeamento– A pressão de exaustão

• Em ultra alto vácuo dois outros parâmetros são considerados:– Seletividade– Tipo de gás residual

Pressão Mínima e Intervalo de pressões

• A menor pressão que pode ser alcançada por uma bomba na sua “boca” é determinada tanto pelo seu vazamento interno como pela pressão de vapor dos fluidos utilizados na bomba.

• A pressão mínima determina o intervalo no qual o bombeamento dos vários tipos de bomba são efetivos

Pressão Mínima e Intervalo de pressões

Velocidade de Bombeamento• O intervalo de pressão de uma única bomba significa o intervalo

no qual a velocidade de bombeamento (S) da bomba pode ser considerado útil.

• A velocidade de bombeamento das bombas não é constante, mas uma função da pressão.

• A curva de velocidade de bombeamento vs. pressão de bombas mostra que a partir da pressão atmosférica a velocidade diminui com a diminuição da pressão (bombas mecânicas) e para alguns sistemas a velocidade aumenta, atinge um máximo e depois diminui com a diminuição da pressão.

Velocidade de Bombeamento

Pressão de exaustão

• A pressão de exaustão é a pressão que deve ser mantida na saída de exaustão de gás para que a bomba possa ser operada.

• Por esse ponto de vista as bombas de vácuo podem (grosseiramente) ser dividida em três classes de Bombas que :– Expelem gás para a atmosfera (mecânicas)– Expelem gás em pressões sub-atmosféricas (roots, difusora)– Imobilzam gases e vapores dentro do próprio sistema e não requerem

exaustão (sorção, ionização)