IL VUOTOIL VUOTO

Definizione di “vuoto”;Definizione di “vuoto”; Come si produce;Come si produce; Come si misura;Come si misura; A cosa serve;A cosa serve; Limiti e problematiche.Limiti e problematiche.

Definiamo “VUOTO” quella regione di spazio in cui la Definiamo “VUOTO” quella regione di spazio in cui la pressione gassosa è minore di quella atmosferica.pressione gassosa è minore di quella atmosferica.

L’unità di misura della pressione stabilita dal S.I. è il L’unità di misura della pressione stabilita dal S.I. è il pascal (Pa).pascal (Pa).

Esso è uguale a:Esso è uguale a:1 Pa = 1Newton / 1m1 Pa = 1Newton / 1m22

Credits: Orazio Parasole, 2009Credits: Orazio Parasole, 2009

La pressione atmosferica e sua composizioneLa pressione atmosferica e sua composizione L’atmosfera con il proprio peso L’atmosfera con il proprio peso

esercita una forza su tutti i esercita una forza su tutti i corpi della superficie terrestre.corpi della superficie terrestre.

Il rapporto tra il peso esercitato Il rapporto tra il peso esercitato da una colonna d’aria e l’unità di da una colonna d’aria e l’unità di superficie su cui essa agisce è superficie su cui essa agisce è definito “definito “pressione pressione atmosfericaatmosferica”.”.

Composizione dell’aria secca a 101320 Composizione dell’aria secca a 101320 Pa.Pa.

78,10%78,10%

20,95%0,95%

Il valore della pressione atmosferica varia in funzione dell’altezza, Il valore della pressione atmosferica varia in funzione dell’altezza, della latitudine, della temperatura e dell’umidità.della latitudine, della temperatura e dell’umidità.

Qual è il valore della pressione atmosferica?Qual è il valore della pressione atmosferica?

Il luogo dei puntidell'atmosfera incui la pressione è,in un datoistante, costante,costituisce unasuperficie isobara.

Variazione di p in funzione della temperaturaVariazione 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 dellapressione al variare dellatemperatura:

Le variazioni giornaliere dipressione vanno attribuitealle maree atmosferiche eall'espansione dell'aria cheaccompagna l'aumento ditemperatura causato dallaradiazione solare.

Un set di misure di pressione atmosferica, effettuate a CT

(circa 2 settimane)

Si assume come valore della pressione atmosferica “normale” quella Si assume come valore della pressione atmosferica “normale” quella misurata nelle seguenti condizioni:misurata nelle seguenti condizioni:

A livello del mare;A livello del mare; Alla latitudine di 45°;Alla latitudine di 45°; A temperatura ambiente di 15 °C;A temperatura ambiente di 15 °C; In aria secca;In aria secca;

Essa è uguale alla pressione esercitata da una colonna di Hg alta Essa è uguale alla pressione esercitata da una colonna di Hg alta 760 mm (Esperienza di E. Torricelli). 760 mm (Esperienza di E. Torricelli).

1.033 Kg/cm2 = 1 atm

Valore della pressione atmosfericaValore della pressione atmosferica

SS

Forza Peso (Hg)Forza Peso (Hg)PPatmatm.=.=

S x h x S x h x ρρ

SS PPatmatm. = . = ==h x h x ρρ

= 76 x 13.6 = 1033.60 g/cm= 76 x 13.6 = 1033.60 g/cm22

Press.Press.atm.atm.

VuotoVuoto

760 mm760 mm

ρρ(Hg) = 13.6 (Hg) = 13.6 g/cmg/cm33

Forza Peso (Hg) = Volume x densità =Forza Peso (Hg) = Volume x densità = S x h x S x h x ρρ V x V x ρρ = =

HgHg

Esperienza di E. TorricelliEsperienza di E. TorricelliPPatmatm..==

Valore notevoleValore notevole

Superficie corpo umano Superficie corpo umano circa 1,5 circa 1,5 ÷ 2 ÷ 2 mm22

Forza totale Forza totale uniformemente distribuita uniformemente distribuita circa 15 circa 15 ÷÷ 20 t. ! 20 t. !

Esperimento degli emisferi di Magdeburgo condotto nel 1654 dal fisico tedesco Otto von Guericke

1.033 Kg/cm2 = 1 atm

Valore della pressione atm. in pascalValore della pressione atm. in pascal

1 cm1 cm22 = 10 = 10-4-4 m m221 Kg=9.81 N;1 Kg=9.81 N;

Da Kg/cmDa Kg/cm22

1.033 x 9.811.033 x 9.81= 101337.3 = 101337.3

a N/ma N/m22

1010-4-4

(N)(N)

(m(m22))

1.033 Kg/cm2 = 1 atm

1.033 Kg/cm2 = 1 atm = 101337.3 Pa

Per trasformare il valore di p da Kg/cm2 in pascal bisogna convertire le unità di misura in N/m2

= 101337.3 Pa = 101337.3 Pa

Altre unità di misuraAltre unità di misura mbar = 10mbar = 10-3-3 bar = 100 pascal bar = 100 pascal

torr = 1 mm Hgtorr = 1 mm Hg

Tabella di conversioneTabella di conversione

Gradi di vuotoGradi di vuoto La misura del vuoto si riconduce quindi alla misura della La misura del vuoto si riconduce quindi alla misura della

pressione che un gas presenta rispetto alla pressione pressione che un gas presenta rispetto alla pressione atmosferica.atmosferica.

La pressione atmosferica viene pertanto assunta come valore La pressione atmosferica viene pertanto assunta come valore limite superiore.limite superiore.

Più il vuoto è “buono” più piccolo è il suo valore di pressione Più il vuoto è “buono” più piccolo è il suo valore di pressione rispetto a quello atmosferico.rispetto a quello atmosferico.

Denominazione del grado di vuotoDenominazione del grado di vuoto

Sulla superficie lunare si ha la presenza di gas come HSulla superficie lunare si ha la presenza di gas come H22, He, Ne, Ar ad una , He, Ne, Ar ad una pressione totale intorno ai 10pressione totale intorno ai 10-6-6 Pa (10 Pa (10-8-8 mbar). mbar).

Nello spazio interstellare la pressione è ancora più piccola tanto che siNello spazio interstellare la pressione è ancora più piccola tanto che si preferisce parlare di numero di atomi o molecole per cmpreferisce parlare di numero di atomi o molecole per cm33 o m o m3.3.

Vuoto naturale e vuoto artificialeVuoto naturale e vuoto artificiale

Produzione del vuoto artificialeProduzione del vuoto artificiale

Principali tipi di pompe per il vuoto

Pompe meccaniche Filtro a senso unico Cattura fisica

A membrana

Rotativa a palette

Cattura chimica

A diffusione

TurbomolecolareCriopompe

Adsorbimento

Getter

Roots

Ione-getter

Il vuoto artificiale si produce per mezzo di pompe per il vuotoIl vuoto artificiale si produce per mezzo di pompe per il vuoto

Pompa a membranaPompa a membrana

VantaggiVantaggi

Vuoto esente da Vuoto esente da idrocarburi.idrocarburi.

Scarico in atmosfera.Scarico in atmosfera. Funzionamento reversibile.Funzionamento reversibile. Impermeabilità per assenza Impermeabilità per assenza

di scorrimento tra le parti.di scorrimento tra le parti.

Limite di vuoto Limite di vuoto modesto (≥ 10modesto (≥ 1033 Pa Pa con pompa a doppio con pompa a doppio stadio).stadio).

Limitate velocità di Limitate velocità di pompaggio.pompaggio.

InconvenientiInconvenienti

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento: A variazione di volumeA variazione di volume

Pompa rotativa a palette, a secco e a bagno d’olio.Pompa rotativa a palette, a secco e a bagno d’olio.

Scarico diretto in atmosfera.Scarico diretto in atmosfera. Assenza di fenomeni di saturazione.Assenza di fenomeni di saturazione. Robuste e con costo relativamente basso. Robuste e con costo relativamente basso.

Possibile retrodiffusione di vapori Possibile retrodiffusione di vapori d’olio verso il sistema da vuoto.d’olio verso il sistema da vuoto.

Necessità di trappole se si vogliono Necessità di trappole se si vogliono bloccare i vapori d’olio.bloccare i vapori d’olio.

Pericolo di risalita dell’olio in caso di Pericolo di risalita dell’olio in caso di spegnimento.spegnimento.

Possibile danneggiamento dell’olio in Possibile danneggiamento dell’olio in caso di gas reattivi.caso di gas reattivi.

Vuoto limite dell’ordine di 10Vuoto limite dell’ordine di 10-1-1 Pa. Pa.

VantaggiVantaggi

InconvenientiInconvenienti

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento: a variazione di volumea variazione di volume

AvvioAvvio

AspirazioneAspirazioneScaricoScarico

PalettaPaletta

Pompe rotativePompe rotative

Pompe RootsPompe Roots

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento:

Elevata portata (da qualche centinaio a Elevata portata (da qualche centinaio a 50.000 m50.000 m33/h)/h)

Con giochi sufficienti possono funzionare Con giochi sufficienti possono funzionare senza olio quindi come pompe “a secco”.senza olio quindi come pompe “a secco”.

Funzionamento reversibile.Funzionamento reversibile.

Necessità di pompa preliminare.Necessità di pompa preliminare. Vuoto modesto: p ≥ 10Vuoto modesto: p ≥ 10-3-3 Pa. Pa.

VantaggiVantaggi

InconvenientiInconvenienti

a variazione di volumea variazione di volume

Pompe RootsPompe Roots

Pompe turbomolecolari (filtro a senso unico)Pompe turbomolecolari (filtro a senso unico)

Le molecole che urtano una superficie in rapido movimento ricevono da essa un impulso che ne 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.modifica il percorso verso una direzione tendente a quella della stessa superficie.

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento:

Eliminazione dei gas pompati verso l’esterno Eliminazione dei gas pompati verso l’esterno senza problemi di saturazione.senza problemi di saturazione.

Assenza di fluidi motori quindi pompaggio pulito.Assenza di fluidi motori quindi pompaggio pulito. Semplice manutenzione.Semplice manutenzione.

Necessità di pompaggio preliminare Necessità di pompaggio preliminare (possibilmente pulito).(possibilmente pulito).

Vuoto limite 10Vuoto limite 10-7-7÷÷1010-8-8 Pa dovuto a scarso Pa dovuto a scarso pompaggio di Hpompaggio di H22 e He. e He.

Struttura meccanica delicata specie per Struttura meccanica delicata specie per pompe di grande dimensione.pompe di grande dimensione.

Costo di acquisto relativamente elevato.Costo di acquisto relativamente elevato.

VantaggiVantaggi

InconvenientiInconvenientiPrincipio di funzionamentoPrincipio di funzionamento

Pompe TurbomolecolariPompe Turbomolecolari

Zona bassa press.Zona bassa press.

Zona alta press.Zona alta press.Alla pompa preliminareAlla pompa preliminare

Rotore a doppio stadioRotore a doppio stadio

Pompe a diffusionePompe a diffusione

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento:Per trascinamento da parte di un fluido.Per trascinamento da parte di un fluido.

Assenza di saturazione.Assenza di saturazione. Velocità di pompaggio poco Velocità di pompaggio poco

dipendente dalla natura del gas.dipendente dalla natura del gas. Robustezza e facile manutenzione.Robustezza e facile manutenzione. Assenza di campi magnetici o Assenza di campi magnetici o

elettrici elevati.elettrici elevati. Costo di acquisto e manutenzione Costo di acquisto e manutenzione

relativamente modesto.relativamente modesto.

Presenza di olio , quindi Presenza di olio , quindi contaminazione da parte di contaminazione da parte di idrocarburi.idrocarburi.

Vuoti limite 10Vuoti limite 10-8-8 Pa. Pa. Necessità di uso di trappole per Necessità di uso di trappole per

scendere al di sotto di 10scendere al di sotto di 10-8-8 Pa. Pa. Necessità di raffreddamento ad Necessità di raffreddamento ad

acqua.acqua. Pericolo di danneggiamento Pericolo di danneggiamento

dell’olio in caso di perdite.dell’olio in caso di perdite. Necessità di pompa preliminare Necessità di pompa preliminare

con prevuoto intorno a 1 Pa.con prevuoto intorno a 1 Pa.

VantaggiVantaggi

InconvenientiInconvenienti

Pompe a diffusione Pompe a diffusione di varie portatedi varie portate

Pompe a cattura fisica (pompe criogeniche)Pompe a cattura fisica (pompe criogeniche)

1)1) Vuoto pulito, esente da idrocarburi.Vuoto pulito, esente da idrocarburi.2)2) velocità di pompaggio molto elevate velocità di pompaggio molto elevate

tranne per He e Htranne per He e H22

3)3) possibilità di recupero dei gas pompati.possibilità di recupero dei gas pompati.

Principio di funzionamento:Principio di funzionamento:fissaggio delle molecole del fissaggio delle molecole del gas per condensazione su una parete fredda. per condensazione su una parete fredda.

VantaggiVantaggiInconvenientiInconvenienti

1)1) Fenomeni di saturazione.Fenomeni di saturazione.2)2) Necessità di scendere a temperature minori di Necessità di scendere a temperature minori di

4,2 °K per ottenere pressioni inferiori a 104,2 °K per ottenere pressioni inferiori a 10-8-8 Pa Pa (10(10-10-10 mbar). mbar).

3)3) Costi elevati e problemi di approvvigionamento Costi elevati e problemi di approvvigionamento dei refrigeranti.dei refrigeranti.

4)4) Struttura della pompa abbastanza complessa.Struttura della pompa abbastanza complessa.

NN22L, Ne, HL, Ne, H2,2, He, O He, O22..Principali refrigeranti utilizzati:Principali refrigeranti utilizzati:

Pompe ad adsorbimento fisicoPompe ad adsorbimento fisico

Principio di Principio di funzionamentofunzionamento:: Adsorbimento fisico dei gas su grandi superfici a bassa temperaturaAdsorbimento fisico dei gas su grandi superfici a bassa temperatura

Zeoliti:Zeoliti:minerali con una struttura minerali con una struttura cristallina regolare e microporosa cristallina regolare e microporosa caratterizzati da una enorme caratterizzati da una enorme quantità di volumi vuoti interni ai quantità di volumi vuoti interni ai cristalli.cristalli.Superficie Superficie ≈ 300 ≈ 300 ÷ ÷ 700 m700 m22/g/g

La bassa temperatura favorisceLa bassa temperatura favoriscel’adsorbimento fisicol’adsorbimento fisico

Modello di strutturaModello di strutturamolecolare microporosamolecolare microporosadelle zeolitidelle zeoliti

1)1) Vuoto pulito.Vuoto pulito.2)2) Velocità di pompaggio elevate Velocità di pompaggio elevate

soprattutto per molecole pesanti.soprattutto per molecole pesanti.3)3) Possibilità di partire da pressione Possibilità di partire da pressione

atmosferica quindi con vuoto atmosferica quindi con vuoto preliminare pulito sino a circa 0,1 Pa preliminare pulito sino a circa 0,1 Pa (10(10-3-3 mbar). mbar).

4)4) Basso costo e facile realizzazione.Basso costo e facile realizzazione.

1)1) Bassa velocità di pompaggio per i gas Bassa velocità di pompaggio per i gas leggeri (H2, He, Ne)leggeri (H2, He, Ne)

2)2) Fissaggio del gas nella pompa quindi con Fissaggio del gas nella pompa quindi con effetto di saturazione.effetto di saturazione.

3)3) Rigenerazione periodica a 200 - 300 °C.Rigenerazione periodica a 200 - 300 °C.4)4) Necessità di usare N Necessità di usare N22 liquido e sensibilità liquido e sensibilità

alle variazioni di livello del refrigerante.alle variazioni di livello del refrigerante.5)5) Vuoti limite non inferiori a 10 Vuoti limite non inferiori a 10-5-5 Pa (10 Pa (10-7-7

mbar) se usate con altre pompe mbar) se usate con altre pompe preliminari.preliminari.

VantaggiVantaggiInconvenientiInconvenienti

Pompe ad adsorbimentoPompe ad adsorbimento