IL VUOTO Definizione di “vuoto”; Come si produce; Come si misura; A cosa serve; Limiti e problematiche. Definiamo “VUOTO” quella regione di spazio in cui la pressione gassosa è minore di quella atmosferica. L’unità di misura della pressione stabilita dal S.I. è il pascal (Pa). Esso è uguale a: 1 Pa = 1Newton / 1m2 Credits: Orazio Parasole, 2009

La pressione atmosferica e sua composizione Composizione dell’aria secca a 101320 Pa. L’atmosfera con il proprio peso esercita una forza su tutti i corpi della superficie terrestre. 0,95% 20,95% 78,10% Il rapporto tra il peso esercitato da una colonna d’aria e l’unità di superficie su cui essa agisce è definito “pressione atmosferica”.

Qual è il valore della pressione atmosferica? Il valore della pressione atmosferica varia in funzione dell’altezza, della latitudine, della temperatura e dell’umidità. Il luogo dei punti dell'atmosfera in cui la pressione è, in un dato istante, costante, costituisce una superficie isobara.

Variazione di p in funzione della temperatura All’aumentare della temperatura l’aria si dilata, diminuisce la sua densità: in generale una colonna d’aria calda pesa meno di una uguale colonna d’aria fredda. Oscillazioni diurne della pressione al variare della temperatura: Le variazioni giornaliere di pressione vanno attribuite alle maree atmosferiche e all'espansione dell'aria che accompagna l'aumento di temperatura causato dalla radiazione solare.

Un set di misure di pressione atmosferica, effettuate a CT (circa 2 settimane)

Valore della pressione atmosferica Si assume come valore della pressione atmosferica “normale” quella misurata nelle seguenti condizioni: A livello del mare; Alla latitudine di 45°; A temperatura ambiente di 15 °C; In aria secca; Essa è uguale alla pressione esercitata da una colonna di Hg alta 760 mm (Esperienza di E. Torricelli). Vuoto Forza Peso (Hg) Patm.= 760 mm S Forza Peso (Hg) = Volume x densità = V x ρ = S x h x ρ Press. atm. S x h x ρ S Patm. = = h x ρ ρ(Hg) = 13.6 g/cm3 Hg = 76 x 13.6 = 1033.60 g/cm2 Esperienza di E. Torricelli Patm.= 1.033 Kg/cm2 = 1 atm

Valore notevole 1.033 Kg/cm2 = 1 atm Esperimento degli emisferi di Magdeburgo condotto nel 1654 dal fisico tedesco Otto von Guericke Superficie corpo umano circa 1,5 ÷ 2 m2 Forza totale uniformemente distribuita circa 15 ÷ 20 t. !

Valore della pressione atm. in pascal 1.033 Kg/cm2 = 1 atm Per trasformare il valore di p da Kg/cm2 in pascal bisogna convertire le unità di misura in N/m2 Da Kg/cm2 a N/m2 1 Kg=9.81 N; 1 cm2 = 10-4 m2 (N) 1.033 x 9.81 = 101337.3 = 101337.3 Pa 10-4 (m2) 1.033 Kg/cm2 = 1 atm = 101337.3 Pa

Altre unità di misura Tabella di conversione mbar = 10-3 bar = 100 pascal torr = 1 mm Hg Tabella di conversione

Denominazione del grado di vuoto Gradi di vuoto La misura del vuoto si riconduce quindi alla misura della pressione che un gas presenta rispetto alla pressione atmosferica. La pressione atmosferica viene pertanto assunta come valore limite superiore. Più il vuoto è “buono” più piccolo è il suo valore di pressione rispetto a quello atmosferico. Denominazione del grado di vuoto

Vuoto naturale e vuoto artificiale Sulla superficie lunare si ha la presenza di gas come H2, He, Ne, Ar ad una pressione totale intorno ai 10-6 Pa (10-8 mbar). Nello spazio interstellare la pressione è ancora più piccola tanto che si preferisce parlare di numero di atomi o molecole per cm3 o m3.

Produzione del vuoto artificiale Il vuoto artificiale si produce per mezzo di pompe per il vuoto

Pompa a membrana Principio di funzionamento: A variazione di volume Vantaggi Vuoto esente da idrocarburi. Scarico in atmosfera. Funzionamento reversibile. Impermeabilità per assenza di scorrimento tra le parti. Inconvenienti Limite di vuoto modesto (≥ 103 Pa con pompa a doppio stadio). Limitate velocità di pompaggio.

Pompa rotativa a palette, a secco e a bagno d’olio. Principio di funzionamento: a variazione di volume Vantaggi Scarico Aspirazione Scarico diretto in atmosfera. Assenza di fenomeni di saturazione. Robuste e con costo relativamente basso. Inconvenienti Possibile retrodiffusione di vapori d’olio verso il sistema da vuoto. Necessità di trappole se si vogliono bloccare i vapori d’olio. Pericolo di risalita dell’olio in caso di spegnimento. Possibile danneggiamento dell’olio in caso di gas reattivi. Vuoto limite dell’ordine di 10-1 Pa. Paletta Avvio

Pompe rotative

Pompe Roots a variazione di volume Principio di funzionamento: Vantaggi Elevata portata (da qualche centinaio a 50.000 m3/h) Con giochi sufficienti possono funzionare senza olio quindi come pompe “a secco”. Funzionamento reversibile. Inconvenienti Necessità di pompa preliminare. Vuoto modesto: p ≥ 10-3 Pa.

Pompe Roots

Pompe turbomolecolari (filtro a senso unico) Principio di funzionamento: Le molecole che urtano una superficie in rapido movimento ricevono da essa un impulso che ne modifica il percorso verso una direzione tendente a quella della stessa superficie. Principio di funzionamento Inconvenienti Necessità di pompaggio preliminare (possibilmente pulito). Vuoto limite 10-7÷10-8 Pa dovuto a scarso pompaggio di H2 e He. Struttura meccanica delicata specie per pompe di grande dimensione. Costo di acquisto relativamente elevato. Vantaggi Eliminazione dei gas pompati verso l’esterno senza problemi di saturazione. Assenza di fluidi motori quindi pompaggio pulito. Semplice manutenzione.

Pompe Turbomolecolari Zona bassa press. Zona alta press. Alla pompa preliminare Rotore a doppio stadio

Pompe a diffusione Principio di funzionamento: Per trascinamento da parte di un fluido.

Pompe a diffusione di varie portate Vantaggi Assenza di saturazione. Velocità di pompaggio poco dipendente dalla natura del gas. Robustezza e facile manutenzione. Assenza di campi magnetici o elettrici elevati. Costo di acquisto e manutenzione relativamente modesto. Inconvenienti Presenza di olio , quindi contaminazione da parte di idrocarburi. Vuoti limite 10-8 Pa. Necessità di uso di trappole per scendere al di sotto di 10-8 Pa. Necessità di raffreddamento ad acqua. Pericolo di danneggiamento dell’olio in caso di perdite. Necessità di pompa preliminare con prevuoto intorno a 1 Pa. Pompe a diffusione di varie portate

Pompe a cattura fisica (pompe criogeniche) Principio di funzionamento: fissaggio delle molecole del gas per condensazione su una parete fredda. Principali refrigeranti utilizzati: N2L, Ne, H2, He, O2. Inconvenienti Vantaggi Fenomeni di saturazione. Necessità di scendere a temperature minori di 4,2 °K per ottenere pressioni inferiori a 10-8 Pa (10-10 mbar). Costi elevati e problemi di approvvigionamento dei refrigeranti. Struttura della pompa abbastanza complessa. Vuoto pulito, esente da idrocarburi. velocità di pompaggio molto elevate tranne per He e H2 possibilità di recupero dei gas pompati.

Pompe ad adsorbimento fisico Principio di funzionamento: Adsorbimento fisico dei gas su grandi superfici a bassa temperatura La bassa temperatura favorisce l’adsorbimento fisico Zeoliti: minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa caratterizzati da una enorme quantità di volumi vuoti interni ai cristalli. Superficie ≈ 300 ÷ 700 m2/g Modello di struttura molecolare microporosa delle zeoliti

Pompe ad adsorbimento Inconvenienti Vantaggi Bassa velocità di pompaggio per i gas leggeri (H2, He, Ne) Fissaggio del gas nella pompa quindi con effetto di saturazione. Rigenerazione periodica a 200 - 300 °C. 4) Necessità di usare N2 liquido e sensibilità alle variazioni di livello del refrigerante. 5) Vuoti limite non inferiori a 10-5 Pa (10-7 mbar) se usate con altre pompe preliminari. Vantaggi Vuoto pulito. Velocità di pompaggio elevate soprattutto per molecole pesanti. Possibilità di partire da pressione atmosferica quindi con vuoto preliminare pulito sino a circa 0,1 Pa (10-3 mbar). Basso costo e facile realizzazione.