Diapositiva 1 - Dipartimento di Fisica

Si definisce Vuoto la situazione fisica in cui la pressione è inferiore a quella
atmosferica ( 1 atm= 1.01 105 Pa)
Il vuoto (più o meno spinto) esiste in natura (sulla superficie lunare la
pressione è di circa 10-6 Pa, mentre nello spazio interstellare la pressione è
talmente bassa che si preferisce dare la densità di molecole per m3, pari a
circa 1 molecola/cm3 )
Ma il vuoto può essere prodotto artificialmente per scopi industriali o
scientifici, e oggi i modi per produrre e misurare il vuoto hanno assunto
grande importanza nella moderna tecnologia in svariati campi (industria
microelettronica, alimentare, metallurgica, farmaceutica … )
I vantaggi che si ottengono compiendo certi processi in vuoto sono
molteplici:
a) impedire processi chimico-fisici causati dall’azione dei gas atmosferici
(per es. durante la fusione di particolari metalli reattivi, come il Ti; in tubi
termoionici per permettere un elevato cammino medio degli elettroni)
b) accrescere notevolmente il libero cammino medio delle molecole di gas o
vapori onde permettere alle molecole, atomi o ioni di raggiungere una
superficie o un bersaglio opportuno, senza urti con molecole estranee (ad es.
nei processi di metallizzazione sotto vuoto e nelle macchine acceleratrici di
particelle).
c) favorire l’isolamento termico (per es. dewars)
d) eliminare i gas disciolti o certe sostanze contenute in un dato materiale
(per es. degassazione di oli e liofilizzazione)
e) ridurre la concentrazione di uno o più gas particolari al di sotto di un
livello critico (per es. riduzioni di O2, H2O e idrocarburi in tubi elettronici).
f) simulare particolari situazioni fisiche (camere di simulazione spaziale per
prove su satelliti e navi spaziali).
Il livello di vuoto necessario dipende dal processo che si vuole realizzare
Esempi di applicazione del vuoto
Intervallo di pressione in cui si
opera comunemente (Pa)
Simulazione spaziale
105 – 10-4
Preparazione di film sottili
10-1 – 10-8
Tubi elettronici (cinescopi,valvole
termoioniche, collettori solari, ecc.)
10-1 – 10-6
Metallurgia (fusioni e leghe sotto vuoto,
metallizzazione, ecc.)
105 - 10-1
Macchine acceleratrici di particelle
10-4 – 10-11
Fisica dei plasmi e macchine per fusione
nucleare
105 - 10-8
Studio di superficie (struttura, composizione)
10-4 – 10-9
Catalisi eterogenea (studio di meccanismi di
reazione, studio di superfici)
10-4 – 10-9
Liofilizzazione
101 - 10-1
Isolamento termico
10-1 - 10-3
La condizione di vuoto si può raggiungere in un volume limitato dello spazio,
da qualche cm3 come nelle lampadine fino a qualche centinaio di m3 come nei
grandi acceleratori di particelle. Per ottenerlo, è necessario utilizzare
particolari dispositivi, detti pompe da vuoto, in grado di trasportare le
molecole di un gas da un posto all’altro. E’ da notare che il vuoto, specie se
molto spinto (P < 10-4 Pa), può essere creato solo utilizzando materiali
particolari, che abbiano una pressione di vapore sufficientemente bassa.
Comunemente, si utilizzano camere da vuoto costruite in acciaio o alluminio,
e tutti i materiali presenti in tali camere devono avere la stessa
caratteristica (pressione di vapore bassa). Sono quindi esclusi liquidi, molte
materie plastiche, materiali organici … ; vanno bene materiali metallici,
ceramiche, vetro …
Lo schema semplificato di un apparato da vuoto è il seguente:
Flusso del gas
Atmosfera
Camera da vuoto
Piniziale = 105 Pa
Pfinale = 10-5 Pa
Pompa 1
Pompa 2
Le molecole estratte dalla camera a vuoto vengono trasferite
all’atmosfera mediante il lavoro di 1 o più pompe.
Esistono diversi tipi di pompe che funzionano in diversi intervalli di pressione
e si basano su differenti principi fisici:
a) Pompe rotative:
dall’atmosfera fino a circa 10-1 Pa
b) Pompe turbomolecolari da 1 Pa fino a circa 10-7 Pa
Pompe a diffusione
c) Pompe ioniche
da 10-1 Pa a circa 10-7 Pa
da 10-4 Pa fino a circa 10-8 Pa
Pompe a sublimazione di Titanio
Criopompe …
per scendere fino a 10 -10 Pa
Ovviamente, accanto alla tecnologia per produrre il vuoto è necessario
svilupparne una per misurare il grado di vuoto raggiunto.
Anche in questo caso, non esiste un misuratore adatto a coprire tutto
l’intervallo di pressioni necessario, ma esistono differenti tipi di misuratori
adatti a particolari intervalli di pressione. Ad esempio, il manometro a
mercurio di Torricelli può essere utilizzato per pressioni sino a circa 1 Pa.
Per approfondimenti:
http://www.aiv.it/ita/vuoto/serve.asp
http://it.wikipedia.org/wiki/Vuoto_%28fisica%29
Sito Associazione Italiana Vuoto