Vácuo

Câmara de vácuo sendo aberta por engenheiro

Nafísica,vácuoé um espaço onde não existematéria.O vácuo perfeito, porém, não é possível na natureza, ainda que ocorram situações muito próximas dele (por exemplo, noespaço sideral) e também não pode ser criado por um ser humano, pois para criação do vácuo poderíamos pensar em retirar oarde um recipiente o que seria executável, porém nunca será possível a retirada de 100% do mesmo, pois não temos um equipamento capaz de reduzir a matéria a zero, em um certovolume.Nafísica clássica,um vácuo parcial em uma certa região do espaço pode ser quantificado referindo-se àpressãonaquela região (o vácuo perfeito teria pressão zero). NoSistema Internacional de Unidades(SI), a unidade para a pressão é opascal(Pa). A pressão também pode ser expressa como umaporcentagemdapressão atmosféricausando obarou a escala barométrica.

História

A tentativa de descobrir o significado do vácuo já é de longa data. Os primeiros relatos que temos é que tenham vindo com a filosofia naGrécia Antigaque debatia a existência de um vazio, um local sem matéria. Por volta do ano420 a.C.,dois gregos,Leucipoe seu alunoDemócrito,tentaram explicar o vácuo por meio de uma teoria atômica (atomismo), na qual, todos os corpos seriam compostos deátomosque não poderiam ser alterados e eram diferenciados por suas formas geométricas. A junção destes átomos criavam a matéria e, entre estas junções, não havia nada, ou seja, o vácuo.

Porém, anos após a teoria feita por Demócrito, chegou a vez deAristóteles,que queria negar a existência do vácuo, negando, assim, a teoria anterior.

Para provar a não existência do vácuo, Aristóteles utilizou a teoria da queda dos corpos. Tudo que deixamos cair de nossas mãos sofre umaresistênciado meio em que estão caindo: resistência do ar, da água, por exemplo, podendo ter uma resistência grande ou pequena fazendo com que o tempo de queda seja maior ou menor. Desta forma, ele tentou demonstrar que esta resistência sempre estaria presente, delimitando a velocidade de queda até que ela atingisse a zero, porém, se houvesse, mesmo, o vácuo, esta resistência deveria ser nula, pois, não haveria resistência, não delimitando a velocidade dos corpos, podendo, assim, chegar a um valor infinito.

Entretanto, uma nova discussão começou, referente ao movimento deplanetas,daLuae doSol.Aristóteles supôs que, de acordo com a teoria deEmpédocles,teoria dosquatro elementos,tudo ao nosso mundo seria composto por 4 elementos, sendo eles terra, água, fogo e ar, todavia, existia um quinto elemento, a "Quinta essência" (Quitessencia), que estaria presente em todo o universo e que não causaria resistência aomovimento circulardos corpos celestes. Logo, tudo em volta de planetas não deveria ser, necessariamente, vácuo, mas, sim, a quinta essência. Quando ocorreu a descoberta de que aluze asondas eletromagnéticasse propagavam no espaço entre os planetas, foi, novamente, utilizado esta mesma teoria, quinta essência, pois, as primeiras teorias ondulatórias nos mostraram que as ondas necessitavam de um meio para se propagarem. No século XIX,James Clerk Maxwell,o formulador dateoria eletromagnética,junto a outros cientistas, introduziram o "éter",que seria a matéria preenchedora de todo o universo, contudo, tudo isso foi dado como desnecessário após o século XX com ateoria da relatividadedeAlbert Einstein,onde o vácuo havia "renascido".

Bombas a vácuo

Ver artigo principal:Bomba de vácuo

Otto von Guericke,comoTorricelliePascal,queriam descobrir mais sobre o ar atmosférico, porém, no caso do primeiro, sua curiosidade estava mais relacionada à retirada do ar de um ambiente. A idealização de Von Guericke era bombear totalmente a água de um recipiente fechado utilizando uma bomba de água, porém, ele não esperava que, com a retirada da água, o ar preencheria o seu espaço por menor que fosse a fresta, logo, percebeu que um dos problemas da criação do vácuo seria a vedação do recipiente. Mais tarde, foi visto que bastava bombear ar com umpistão.Mesmo com a "falha" de Von Guericke, foi produzida a primeira bomba de vácuo.

Otto von Guericke (1602 – 1686)

Foi, então, possível a criação de vácuo, não que fosse um vácuo perfeito, mas que poderia ser utilizado para fazer demonstrações, como: a extinção da chama de uma vela pela ausência de ar, a não propagação do som e a mais importante e conhecida experiência dessa época foi a dos "Hemisférios de Magdeburgo", no qual, dois hemisférios metálicos com suas juntas vedadas de couro eram justapostas. A separação das mesmas era quase que impossível após a retirada do ar interior das esferas. Quando o pistão chega no fundo, a válvula do cilindro é fechada e o pistão retirado, reduzindo, assim, a pressão. Ou pode-se utilizar a técnica de Torricelli, de esvaziar um tubo que contenhamercúriopara outro recipiente produzindo vácuo.

Mais tarde vieram as máquinas chamadas de "máquinas pneumáticas".Robert Boylefoi um dos principais cientistas a construir e aperfeiçoar um desses equipamentos. Outro cientista muito importante foiDenis Papin,que trabalhou junto com Boyle e foi, também, assistente deRobert Hooke,que, em 1674, acoplou um segundo cilindro à bomba, de modo a produzir vácuo continuamente sem necessidade de finalização e início de um novo processo.

Há outros tipos de bombas, como a criogênica, no qual o ar é condensado pelo frio e as moléculas não mais se locomovem pelo volume, no qual agora é vácuo. Há, também, as bombas turbo-moleculares, onde há uma espécie de turbina que arrasta as moléculas.

Graus do vácuo ou Energia

• pressão atmosférica= 760 torr ou 100 kPa
• aspirador= cerca de 300 torr ou 40 kPa
• bomba de vácuomecânica = cerca de 10 millitorr ou 1,3 Pa
• próximo doespaço= cerca de 10⁻⁶torr ou 130 μPa
• pressão naLua= cerca de 10⁻⁸torr ou 1,3 μPa
• câmara de vácuo cryopump MBE (molecular beam epitaxy) = 10⁻⁹- 10⁻¹¹torr
• espaço interestelar= cerca de 10⁻¹⁰torr ou 13 nPa

Tabela - Graus de vácuo

Grau de Vácuo	Intervalo de Pressão (Pa)
Baixo	105>p> 3,3x103
Médio	3,3x103≥ p> 10-1
Alto	10-1≥ p> 10-4
Muito Alto	10-4≥ p> 10-7
Ultra-Alto	10-7≥ p> 10-10
Extremo Ultra-Alto	10-10>p

Criando um vácuo de energia

Ao criar-se um vácuo parcial de energia, a matéria no volume sendo evacuada flui diferentemente sob pressões diferentes, numa forma baseada nateoria de gases rarefeitos.Inicialmente, umabomba de vácuopode ser usada para remover o material. Como as moléculas interagem entre si, elas empurram as suas vizinhas naquilo que se designa por fluxoviscoso.Quando a distância entre as moléculas aumenta, as moléculas interagem com as paredes da câmara mais frequentemente do que outras moléculas e a extração por compressão já não é efetiva.

Nesta altura, o sistema entrou num estado chamado de regime molecular, onde avelocidadede cada molécula é aproximadamente aleatória. Métodos para remover o gás permanecente incluem os seguintes:

1. Converter as moléculas de gás ao seu estado sólido congelando-as, chamadocriogênico.
2. Convertendo-as aoestado sólidoao combiná-las eletricamente com outros materiais, chamado decompressão iônica(em inglês: ion pump/ion pumping).
3. Uso de outra bomba especializada. Exemplos são abomba turbomolecularoubomba de difusão.

A pressões extremamente baixas, a saída do gás (dessorção) do vasilhame em vácuo ocorre ao longo de algum tempo. Mesmo se um alto vácuo é gerado num contentor hermeticamente selado, não há garantia de que uma adequadamente baixa pressão irá continuar, a não ser que se assegure que haja uma saída. Esta dessorção é geralmente pior a temperaturas maiores, além de estar presente em todos os materiais, em maior ou menor grau dependendo de sua constituição física. Ovapor de águaé um componente de dessorção primário, mesmo em vasilhames de metal duro (tais comoaço inoxidáveloutitânio).

A dessorção gasosa pode ser reduzida peloaquecimentoanteriormente à produção do vácuo. Vasilhames confeccionados com um material altamente gás-permeável tal como opaládio(que é uma esponja dehidrogêniode alta capacidade) criam especiais problemas de dessorção do gás.

Efeitos colaterais ao ser humano no espaço

Oespaço sideralé considerado um local perigoso, pois sabemos que se umastronautapor exemplo sair de uma espaçonave como aEstação Espacial Internacionale não estiver utilizando um traje espacial terá várias consequências:

• Qualquer ser humano ficaria inconsciente em cerca de aproximadamente 15 segundos, devido à ausência de oxigênio.
• Todos os fluidos e sangue do seu corpo entrariam em "ebulição" e seriam congelados, pois não existiria a pressão atmosférica que os mantém em estado líquido. O processo de ebulição acarretaria uma perda muito rápida deenergia térmica,fazendo com que seus fluidos fossem congelados antes que evaporassem totalmente. Este processo levaria de 30 segundos até 1 minuto.
• Seria exposto a radiação, tal como provenientes deraios cósmicoscomo de partículas carregadas emitidas do Sol.
• Todos os tecidos do corpo se dilatariam, tal como coração, pele e outros órgãos internos, devido ao processo de ebulição.
• Sofreria de altas temperaturas causadas pela luz solar (1200ºC).
• Sofreria de baixas temperaturas causadas pela falta de recebimento de luz e sombra (-100ºC)

As flutuações quânticas no vácuo

Segundo ateoria quântica de campos,mesmo na ausência total de átomos ou de qualquer partícula elementar, o espaço não pode ser considerado totalmente vazio. A razão disso é que parespartícula-antipartículavirtuais estão sendo formados e aniquilados o tempo todo no "vácuo",fenômeno chamado deflutuação quântica do vácuo.Aspartículas virtuaisdistinguem-se das "reais" por serem indetectáveis individualmente;porém, podem produzir efeitos mensuráveis, como oefeito Casimir.

Aplicações industriais

O vácuo pode ser usado para fechar embalagens de produtos alimentícios, dando maior tempo de validade enquanto a embalagem estiver fechada. Usa-se muito esse processo em embalagens de pó decafé,e também nos aspiradores usados na limpeza doméstica, onde nele há um ventilador que "empurra" o ar interno para a parte de "trás" do aspirador. Com isso ele diminui o número de moléculas de ar interno, provocando uma redução na pressão, a qual fica, então, menor que a pressão do ar externo. Desse modo, a pressão atmosférica "empurra" o ar para dentro do aparelho.

Os processos em vácuo também estão presentes:

• Na metalurgia, na fundição de metais;
• Em crescimento de cristais;
• Fusão de feixe de elétrons(Electron beam melting);
• Deposição física a vapor(Physical vapor deposition);
• Deposição química a vapor(Chemical vapor deposition);
• Medicina (tubos de raios-X, esterilização de equipamentos);
• Reciclagem;
• Processos de fabricação da tecnologia de chips de semicondutores;
• Biotecnologia;
• Fusão nuclear;
• Metrologia;
• Nanotecnologia;
• Pesquisas em plasmas;
• Simulações espaciais
• Crescimento de filmes finos;
• Radiação síncrotron.

Ver também

• Absorção
• Bomba de vácuo
• Efeito Unruh
• Motor a vácuo
• Otto von Guericke
• Pressão

Ligações externas

• Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo
• «Journal of Vacuum Science and Technology A»(em inglês)
• A Ciência e a Tecnologia Do Vácuo,Roberto A. Stempniak.pdf
• How Stuff Works
• Biografias DenisPapim