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¿Cómo se mide la presión de vacío?

Los rangos de presión en la tecnología de vacío y su caracterización

En el campo de la tecnología de vacío, es habitual dividir el rango de presiones general, que suele ser amplio y abarcar más de 16 potencias de 10, en regímenes más cortos. Estos suelen definirse conforme a las siguientes divisiones:

Vacío primario ("rough vacuum" o "VD"): 1000 – 1 mbar 

Vacío medio ("medium vaccum" o "MV"): 1 – 10-3 mbar 

Alto vacío ("high vacuum" o "HV") 10-3 – 10-7 mbar 

Ultra alto vacío ("ultrahigh vaccum" o "UHV"): 10-7 – (10-14) mbar

Tabla IX: Rangos de presión utilizados en la tecnología de vacío y sus características (cifras redondeadas a una potencia total de diez)

Esta división es, como cabría esperar, algo arbitraria. Los químicos en particular pueden referirse al espectro que resulta de mayor interés para ellos (de los 100 al 1 mbar) como "vacío medio". Algunos ingenieros no hacen mención alguna del vacío, sino que hablan de "baja presión" o incluso de "presión negativa". Sin embargo, los regímenes de presión indicados anteriormente pueden definirse de forma bastante correcta a partir de una observación de la situación cinética de los gases y de la naturaleza con la que circulan. Las tecnologías que se empleen en los distintos rangos también serán distintas. 

Aire atmosférico

Antes de la evacuación, todo sistema de vacío del planeta contiene aire y también está rodeado de este durante su funcionamiento. Por consiguiente, es necesario conocer las propiedades físicas y químicas del aire atmosférico. 

La atmósfera está compuesta de distintos gases, además de vapor de agua en las proximidades de la superficie terrestre. La presión que ejerce el aire atmosférico se calcula tomando el nivel del mar como referencia. La presión atmosférica media es de 1013 mbar (la equivalente una "atmósfera", una unidad de presión que se utilizaba anteriormente). En la Tabla VIII se indica la composición de la atmósfera normal a una humedad relativa del 50 % y una temperatura de 20 °C (68 °F). 

Leybold - Vacuum Fundamentals graphics

Tabla VIII: Composición del aire atmosférico. Nota: En la composición del aire atmosférico, la humedad relativa (HR) se indica por separado junto con la temperatura.

Por lo tanto, a la humedad relativa indicada, la presión del aire obtenida en la lectura del barómetro es de 1024 mbar.

Tabla XVII: Tabla de comparación y conversión de temperatura (redondeada a grados enteros)

En lo que respecta a la tecnología de vacío, es necesario prestar atención a las siguientes consideraciones relativas a la composición del aire: 

a) El vapor de agua contenido en el aire, que varía según el nivel de humedad, desempeña un papel importante al evacuar una planta de vacío (véase página sobre el bombeo de gases: proceso húmedo). 

b) Debe tenerse en cuenta la enorme cantidad de argón (un gas inerte) en los procedimientos de evacuación mediante bombas de sorción.  

c) A pesar del muy reducido contenido de helio de la atmósfera (de aproximadamente solo 5 ppm [partes por millón]), este gas inerte se hace de notar especialmente en sistemas de ultra alto vacío sellados con componentes de Viton o que incorporen componentes de vidrio o cuarzo. El helio es capaz de permear por estas sustancias en un grado considerable. 

La presión del aire atmosférico se reduce conforme incrementa la altitud con respecto a la superficie terrestre (véase la Fig. 9.3). El alto vacío suele ser habitual a altitudes de aproximadamente 100 km (328 083 pies) y el ultra alto, por encima de los 400 km (1 312 335 pies). La composición del aire cambia asimismo en función de la distancia a la superficie de la tierra (véase la Fig. 9.4). 

Fundamentas of Vacuum graphics

Fig. 9.3: Disminución de la presión del aire (1) y cambio de temperatura (2) en función de la altitud

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Fig. 9.4 Cambio en la composición gaseosa de la atmósfera en función de la altitud

Unidades de presión y su definición

Presión p (mbar)

Presión de líquidos (gases y líquidos). (Cantidad: presión; símbolo: p; unidad de medida: milibares; abreviatura: mbar.) La presión se define en la norma DIN 1314 como el cociente de la fuerza estandarizada aplicada a una superficie y la extensión de dicha superficie (fuerza por área de superficie). A pesar de que el Torr ha dejado de utilizarse como unidad de medida de presión, no obstante, resulta útil, en aras de la transparencia, hacer presión a él: 1 Torr es la presión del gas que puede elevar una columna de mercurio en 1 mm a 0 °C (32 °F). (La presión atmosférica estándar es de 760 Torr o 760 mm Hg.) La presión p se puede definir con mayor exactitud mediante subíndices: 

Presión absoluta pabs

En la tecnología de vacío siempre se habla de "presión absoluta", por lo que es normalmente es posible omitir el subíndice "abs".

Presión total pt

La presión total de un depósito es la suma de las presiones parciales de todos los gases y vapores de este. 

Presión parcial pi

La presión parcial de un determinado gas o vapor es la presión que ese gas o vapor ejercería si estuviera solo presente en el recipiente. Nota importante: En particular en la tecnología de vacío primario, la presión parcial de una mezcla de gases y vapores se entiende a menudo como la suma de las presiones parciales de todos los componentes no condensables presentes en dicha mezcla; por ejemplo, es el caso de la "presión final parcial" en una bomba de paletas rotativa. 

Presión de vapor de saturación ps

La presión del vapor saturado se denomina "presión de vapor de saturación" o "ps". La indicación "ps" será una función de la temperatura en cualquier sustancia dada. 

Presión de vapor pd

Presión parcial de los vapores que pueden licuarse a la temperatura del nitrógeno líquido (LN2).

Presión típica pn

La presión típica pn se dispone en la norma DIN 1343 como un valor de presión de pn= 1013,25 mbar. 

Presión final pend

La presión más baja que puede alcanzarse en un depósito de vacío. La denominada "presión final" o "pend" depende no solo de la velocidad de aspiración de la bomba, sino también de la presión de vapor pd de los lubricantes, sellantes y propelentes empleados en ella. Si el contenido de un recipiente se evacúa sencillamente mediante una bomba de vacío de paletas rotativas sellada con aceite (de desplazamiento positivo), la presión final que puede alcanzarse se determina principalmente por la presión de vapor del aceite de la bomba que se utilice y, en función de la limpieza del depósito, también de los vapores expulsados por las paredes de este, además de, como cabría esperar, de la impermeabilidad del propio depósito de vacío. 

Presión ambiental pamb

o presión atmosférica (absoluta)

Sobrepresión pe o presión manométrica

(Subíndice de "exceso")

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En este caso, los valores positivos de pe indican sobrepresión o presión manométrica; los valores negativos son característicos de un vacío. 

Presión de trabajo pw

Durante una evacuación se extraen los gases, vapores o ambos de un depósito. Se presupone que los gases se encuentran en estado gaseoso, y que tampoco se condensan a la correspondiente temperatura de funcionamiento o trabajo. También se da por sentado que el vapor se encuentra en estado gaseoso, pero sí que es capaz de licuarse a temperatura ambiente en caso de incrementarse la tensión. Por último, el vapor saturado se encuentra en estado gaseoso a temperatura ambiente en equilibrio con la fase líquida de la misma sustancia. 

Tabla I: Unidades de presión admisibles, incluido el torr 1) y su conversión.

  1. El torr figura en la tabla únicamente con el fin de facilitar el paso de esta unidad conocida a las unidades reglamentarias: N · m-2, mbar y bar. En un futuro puede que dejen de utilizarse las unidades presión torr, mm de columna de agua, mm de columna de mercurio (mm Hg), % de vacío, atmósfera técnica (at), atmósfera física (atm), atmósfera absoluta (ata), presión por encima de la atmosférica y presión por debajo de la atmosférica. En este contexto, se hace referencia a la norma DIN 1314.
  2. La unidad "newton por metro cuadrado" (N m-2) también se denomina "pascal" (Pa): 1 N · m-2 = 1 Pa. El newton por metro cuadrado o pascal es la unidad del SI para designar la presión de los líquidos.
  3. 1 torr = 4/3 mbar; fl torr = 1 mbar.
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Referencias

Símbolos de vacío

Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo

 

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Glosario de unidades

Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas

 

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Referencias y fuentes

Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío

 

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