IL VUOTO

IL VUOTO
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



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

L’atmosfera con il proprio peso
esercita una forza su tutti i corpi
della superficie terrestre.

Composizione dell’aria secca
a 101320 Pa.
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”.
0,95%
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;




Vuoto
Essa è uguale alla pressione esercitata da una colonna di Hg alta 760 mm
(Esperienza di E. Torricelli).
Forza Peso (Hg)
Patm.=
760 mm
S
Forza Peso (Hg) = Volume x densità = V x ρ = S x h x ρ
Sxhxρ
Press.
atm.
=hxρ
Patm. =
S
ρ(Hg) = 13.6 g/cm3
= 76 x 13.6 = 1033.60
Patm.=
1.033
Kg/cm2
Hg
g/cm2
= 1 atm
Esperienza di E. Torricelli
1.033 Kg/cm2 = 1 atm
Valore notevole
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
1.033 x 9.81
10-4
= 101337.3
(N)
(m2)
= 101337.3 Pa
1.033 Kg/cm2 = 1 atm = 101337.3 Pa
Altre unità di misura

mbar = 10-3 bar = 100 pascal

torr = 1 mm Hg
Tabella di conversione
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
Principali tipi di pompe per il vuoto
Pompe meccaniche
A membrana
Rotativa a palette
Roots
Filtro a senso unico
Turbomolecolare
A diffusione
Cattura fisica
Criopompe
Cattura chimica
Getter
Ione-getter
Adsorbimento
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
Principio di funzionamento:
a variazione di volume
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

Vantaggi



Eliminazione dei gas pompati verso l’esterno senza
problemi di saturazione.
Assenza di fluidi motori quindi pompaggio pulito.
Semplice manutenzione.



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.
Pompe Turbomolecolari
Zona bassa press.
Alla pompa preliminare
Zona alta press.
Rotore a doppio stadio
Pompe a diffusione
Principio di funzionamento:
Per trascinamento da parte di un fluido.

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: N L, Ne, H He, O .
2
2,
2
Inconvenienti
Vantaggi
1)
2)
3)
Vuoto pulito, esente da idrocarburi.
velocità di pompaggio molto elevate tranne per
He e H2
possibilità di recupero dei gas pompati.
1)
2)
3)
4)
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.
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
1)
2)
3)
4)
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.
1)
2)
3)
4)
5)
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.
Necessità di usare N2 liquido e sensibilità alle
variazioni di livello del refrigerante.
Vuoti limite non inferiori a 10-5 Pa (10-7
mbar) se usate con altre pompe preliminari.