PREMESSA

Il presente documento ha lo scopo di fornire nozioni basilari sulla tecnologia del vuoto a coloro che per ragioni professionali o semplicemente per curiosità scientifica, si avvicina a questa disciplina.

Nasce da una collezione di informazioni pubblicate su vari testi scientifici e siti internet facilmente reperibili e dei quali indichiamo il link dove possibile, o il titolo, autore casa editrice dei testi utilizzati.

Il flusso di informazioni è colloquiale e si usano citazioni matematiche solo dove le stesse servono ad agevolare la comprensione delle informazioni.

Il testo è riservato ad operatori macchina, addetti alle manutenzioni e a tutto il personale che a diverso titolo opera con impianti da vuoto.

Può essere di valido supporto per l’approfondimento di concetti fisici nei licei scientifici e negli istituti tecnici professionali.

Nell’articolo ci sono alcuni filmati in lingua inglese, facilmente comprensibili con un minimo di conoscenza della lingua, che sono stati messi a disposizione dalla ATLAS COPCO Vacuum Division & Service

La diffusione è libera e non coperta da diritti.

Può essere copiata e distribuita senza alcuna limitazione

ATOMI E MOLECOLE

L’Atomo è la più piccola parte di un elemento chimico in cui può essere diviso e mantenendo tutte le caratteristiche fisico chimiche dell’elemento.

Possiamo parlare di un atomo di Ferro (Fe), di Rame (Cu), Idrogeno (H) e tanti altri.

Una Molecola può essere costituita da due o più atomi di uno stesso elemento chimico, per esempio una molecola di ossigeno, O₂, oppure di Idrogeno, H₂ e si identificano come Molecole di Sostanze Semplici, oppure Molecole di sostanze più o meno complesse come ad esempio l’acqua la cui formula chimica è H₂O, o l’anidride carbonica CO₂

Una molecola complessa è la minima parte in cui si può dividere una sostanza, ad esempio l’acqua senza che perda le caratteristiche della sostanza stessa. Quindi una sola molecola di H₂O, manterrà le stesse proprietà di 1 Kg di H₂O. (Vedi il link Atomi e Molecole)

La molecole così come gli atomi hanno delle caratteristiche specifiche che sono tipiche per ognuna di esse.

GLI STATI DELLA MATERIA BARIONICA

Dall’esperienza di tutti i giorni, siamo abituati ormai a conoscere l’acqua in quelli che sono i tre stati fisici in cui possiamo trovarla:

•Solido, il ghiaccio

•Liquido

•Vapore acqueo

Tutti noi sappiamo che la possibilità di trovare l’acqua in uno di questi stati è relata principalmente alla temperatura, al livello del mare:

•L’acqua solidifica diventando ghiaccio alla temperature di 0°C, (273,15°K)

•Per temperature superiore fino alla temperatura di 100°C, (373,15 °K) avremo acqua liquida

•Sopra ai 100 °C l’acqua si trasformerà in vapore.

Lo stato fisico dell’acqua è dovuto all’entità dei legami fisici degli atomi di Idrogeno ed ossigeno, e al livello di energia a cui si trovano.

Potremmo impropriamente definire questa energia come una forma di energia cinetica che le molecole hanno e che gli permettono quindi di interagire con le molecole vicine.

Il passaggio da uno stato fisico all’altro richiede la fornitura di energia, per esempio calore, che permette alla varie molecole di muoversi con velocità superiori e modificare le interazioni con le altre. Più si fornice energia, maggiori saranno queste interazioni trasformando come detto un cubetto di ghiaccio in acqua liquida e poi riscaldando ancora in vapore acqueo.

Una caratteristica dell’acqua è quella, insieme a pochi altri elementi chimici come l’Antimonio, il Gallio  il Bismuto, di aumentare il proprio volume solidificando, passando quindi dallo stato di liquido a quello di solido.

I passaggio di stato richiedono quindi una fornitura di calore che non fa aumentare la temperatura della sostanza, in questo caso l’acqua. Questa energia, necessaria alla transizione di stato, viene chiamata calore latente che per l’acqua è il più alto di ogni altra sostanza conosciuta.

A seconda della transazione di fase si parlerà di :

•Calore latente di Fusione, (Passaggio dallo stato solido a quello liquido)

•Calore latente di Vaporizzazione(Passaggio dallo stato liquido a quello gassoso)

•Calore latente di Sublimazione(Passaggio dallo stato solido a quelli gassoso senza passare dallo stato liquido)

Come detto questi passaggi richiedo un apporto di calore, è ovvio che il contrario di ognuno di essi comporterà la sottrazione di calore.

IL DIAGRAMMA DI STATO DELL’ACQUA

Il diagramma di stato dell’acqua, dimostra come i vari stati sono funzione di temperatura e pressione e separati ognuno da delle linea di confine ben identificate.

Si vede come tutti sappiamo che a 100°C, e alla pressione di 760 mmHg, (corrispondenti alla pressione standard di 1013,26 mbar), l’acqua si trova nello stato di equilibrio tra vapore e liquido.

Da questo punto se si varia uno dei due paramenti, (temperatura o pressione), si po’ cambiare lo stato.

Esiste un punto particolare, identificato dall’incrocio delle tre linee di variazione di stato detto punto triplo che per l’acqua si manifesta alla temperatura di 0,01 °C e alla pressione di 4,58 mmHg.

In questo punto si ha coesistenza delle tre fasi contemporaneamente

COSA E’ IL VUOTO…

L’uso del termine Vuoto, anche se universalmente utilizzato per indicare lo stato di volume che si trova ad una Pressione inferiore a quella Ambiente, può considerarsi formalmente inesatto.

In effetti quando parliamo dello stato di un volume chiuso isolato dall’ambiente, identifichiamo le sue caratteristiche fisiche con il valore di Pressione, Temperatura, UR%, Densità, e altri parametri. Il termine pressione, viene infatti utilizzato anche quando il volume è ad una pressione superiore a quella ambiente.

Possiamo quindi dire che un volume chiuso e isolato dall’esterno, se si trova ad un valore di pressione inferiore a quella ambiente viene considerato in condizioni di Vuoto anche se al suo interno la pressione NON POTRA MAI ESSERE uguale a 0 mbar. (Quindi non sarà mai completamente vuoto).

Molto spesso si sente parlare di vuoto assoluto o valori di vuoto inferiori allo zero. (Tipicamente da chi si occupa di refrigerazione, abituati a leggere un manometro che indica una Pressione Relativa a quella ambiente), queste due definizioni anche se non scientificamente corrette sono accettate nell’ambito delle attività in cui si applicano.

UN PASSO ALLA VOLTA…

Cercheremo di definire il vuoto e le sue grandezze fisiche in maniera semplice e facilmente assimilabile alle nostre esperienze quotidiane.

Immaginiamo un cubo completamente isolato dall’ambiente, trasparente e posto in una stanza a temperatura controllata. Considereremo questo cubo come il SISTEMA dove andremo a fare i nostri esperimenti e nel linguaggio della tecnologia del vuoto lo identificheremo ancor meglio come il VESSEL , cioè una CAMERA DA VUOTO .

Possiamo dire che il vessel è a tenuta perfetta e non risente di variazioni di temperatura e pressione esterna, idealmente siamo al livello del mare e a 20 °C costanti.

Guardandolo dall’esterno, senza dubbio possiamo dire che il cubo è vuoto.

Ciò significa che al suo interno non vediamo alcuna traccia di materia barionica visibile, ma possiamo supporre che, nel momento in cui è stato chiuso, al suo interno è rimasta sicuramente aria atmosferica.

Se non ci sono state variazioni di temperatura, dal momento in cui il cubo è stato chiuso, possiamo dire che all’interno del cubo è presente aria atmosferica alla pressione atmosferica, quindi alle stesse condizioni di quella esterna

Immaginando di essere al livello del mare, possiamo dire che la pressione interna del cubo è di 1013,26 mbar. (Valore standard di pressione al livello del mare).

In questo momento il volume interno si trova alle stesse condizioni fisiche dell’esterno.

Accertato che all’interno del cubo ci sia aria atmosferica alla pressione atmosferica come definita precedentemente, possiamo rappresentare il contenuto del cubo come una miscela di particelle, atomi e molecole di gas e vapori che occupano completamente il volume chiuso.

Queste particelle e vapori sono di diversa natura e tipo, e si muovono liberamente all’interno del volume, causando collisioni tra di solo e con le superfici stesse del cubo.

Avendo queste molecole una massa, quando collidono rimbalzando casualmente con le superfici del cubo trasmettono una energia alle pareti.

Il quoziente tra la forza F ortogonale alla superficie superficie A esprime la pressione P esercitata sulle pareti.

P= F/A  (1)

Questo valore potrà essere misurato in diversi modi ed espresso con unità di misura diverse a seconda del sistema utilizzato e alle applicazioni di questo dato. Nel nostro caso utilizzeremo i mbar.

1 mbar = alla millesima parte del bar, cioè della pressione atmosferica.

Definita quindi la pressione in un volume chiuso con la (1),

La pressione così definita viene indicata come:

P_abs= Pressione assoluta.

Nella tecnologia del vuoto parleremo sempre di pressione assoluta quindi se non strettamente necessario, il suffisso abs, viene spesso omesso. Si potrà anche chiamare pressione residua o pressione ultima…

Questo numero pur piccolissimo, sarà sempre maggiore di ZERO.

Se potessimo quindi misurare la pressione del cubo, utilizzando uno strumento adatto a tale esperimento, ci accorgeremo che lo strumento indicherebbe il valore 1013,26 mbar e se facessimo lo stesso esperimento misurando la pressione esterna ci accorgeremmo che il due valori coincidono.

Possiamo quindi dire che essendo le due pressioni uguali, la differenza di pressione è zero.

∆p=0

Dalla definizione di pressione P= F/A  (1) si evince che la pressione esercitata all’interno e quella dell’atmosfera esterna coincidono e si equilibrano, quindi non misuriamo alcuna differenza di pressione

PRESSIONE PARZIALE

Per sua natura, ogni gas o vapore occupa tutto lo spazio disponibile del volume in cui è contenuto miscelandosi con tutti gli altri.

Quindi definiamo la P_p (pressione parziale di un gas o vapore), come la pressione che eserciterebbe da solo all’interno del vessel senza la presenza degli altri.

Ne consegue che la pressione del cubo  P_t (pressione  totale) è definita come la somma di tutte le singole (pressioni parziali) P_p generate dai gas e vapori racchiusi in esso.

P_t= ∑_▒P_p  (2)

L’ATMOSFERA TERRESTRE

L’atmosfera del pianeta terra, è un insieme di diversi strati gassosi che circonda il pianeta attratti dalla forza di gravità.

L’atmosfera non è uno strato omogeneo e costante e viene per questo suddivisa in diversi livelli che hanno bene o male le stesse caratteristiche chimico fisiche.

Dal più vicino al più lontano sono cinque:

•Troposfera circa 15 km di altezza contiene circa il 75% della massa gassosa. E qui che avvengono tutti i fenomeni metereologici Qui è dove esiste la vita, e dove è pressoché presente tutto il vapore acqueo. Con l’aumentare della quota, la temperatura diminuisce fino a circa 12 Km dove raggiunge il minimo di -50 °C. Il gradiente termico va da una media di 6,5 fino a punte di 10 °C/Km. Nella zona di transizione tra la Troposfera e la successiva, Stratosfera viene identificata la Tropopausa nella quale la temperatura si stabilizza in torna ai -55°C.

• Stratosfera va dai 15 ai 50 km circa  di altezza. Qui la temperatura raggiunge il suo massimo di 3 °C avendo questo strato un gradiente positivo, cioè la temperatura aumenta all’aumentare della quota. Questo fatto è dovuto alla dissociazione dell’Ozono, O₃, a causa dei raggi ultravioletti provenienti dal sole che sono dannosi per la vita. La dissociazione porta ad una separazione dei tre atomi di ossigeno producendo calore in seguito alla dissociazione dell’ozono si ha l’effetto di riscaldare l’atmosfera circostante, per cui nella stratosfera la temperatura aumenta con la quota.

•Mesosfera va dai 50 agli 80 km circa di altezza, la temperatura diminuisce con l’aumentare dell’altezza. Il limite superiore della mesosfera è la mesopausa, etichettato come luogo più freddo a livello naturale sulla terra con temperature inferiori a  circa -143 °C.

•Termosfera fino a circa 500 km di altezza questa regione dell’atmosfera è caratterizzata infatti da un continuo aumento della temperatura con l’altezza. Secondo dati e calcoli teorici recenti tra i 110 e i 120 km essa dovrebbe essere già risalita a 0 °C, a 150 km si aggirerebbe intorno ad alcune centinaia di gradi sopra lo zero.

•Esosfera a partire da circa 500 km è il più alto strato identificato. Qui la temperatura è di circa 700 °C e varia a seconda dell‘attività solare. Le particelle gassose normalmente idrogeno ed elio, che superano la velocità di fuga (11,2 km/s)  si disperdono nello spazio.

Una Definizione più precisa del valore di Pressione Atmosferica

UNA DEFINIZIONE PIU’ PRECISA DEL CONCETTO DI PRESSIONE ATMOSFERICA

Ora che conosciamo meglio la struttura dell’atmosfera, e abbiamo compreso che la pressione che misuriamo sulla terra dipende proprio da essa, ne daremo una definizione maggiormente esaustiva.

In meteorologia la pressione atmosferica è una grandezza fisica che esprime il rapporto tra la forza peso della colonna d’aria che grava su una superficie, presente in un qualsiasi punto dell’atmosfera terrestre. Nella maggior parte dei casi il valore di tale grandezza è equivalente alla pressione idrostatica esercitata dal peso della colonna d’aria presente al di sopra del punto di misura e si misura nel sistema internazionale in pascal e con uno strumento di misura noto come barometro. https://it.wikipedia.org/wiki/Pressione_atmosferica

Ovviamente questa definizione non esprime un valore ben preciso, perché in ogni punto della terra ci possiamo trovare a diverse altezze, e a diverse condizioni di temperatura e condizioni atmosferiche, tali che il numero misurato potrà differire notevolmente da una misurazione all’altra, per cui viene definita la pressione atmosferica cosi come segue:

La Pressione atmosferica normale

…(o standard) è quella misurata alla latitudine di 45°, sul livello del mare e ad una temperatura di 0 °C su una superficie unitaria di 1 cm2, che corrisponde alla pressione di una colonnina di mercurio di 760 mm. (Vedi esperimento di Torricelli)

In alternativa è possibile affermare che la pressione atmosferica di 1 atm coincide, con buona approssimazione, con la pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 760mm che si trova alla temperatura di 0°C in un luogo in cui l’accelerazione di gravità g= 9.80665 mt/sec2 

1 atm = 760 torr (mmHg) = 101325 Pa= 1013,25 mbar = 10,33 mca.

IL BAROMETRO DI TORRICELLI

L’esperimento fu fatto per primo dallo scienziato Evangelista Torricelli (1608-1647), e fu il primo strumento costruito per la misurazione della pressione atmosferica.

Un tubo in vetro, chiuso nella parte superiore, riempito completamente di mercurio viene rovesciato in una vaschetta contenente anch’essa mercurio, (ovviamente senza far uscire quello contenuto nel tubo), e aprendo l’apertura dello stesso si nota il fenomeno rappresentato nel disegno.

La colonna di mercurio scende, e si stabilizza ad una altezza ben precisa h_Hg che se misurata risulta essere al livello del mare, di 760 mm.

Torricelli dedusse che il peso di questa colonna era in equilibrio con una forza. Ipotizzò che la forza che sostiene il liquido mercurio, fosse da ricercare non all’interno del vaso, ma all’esterno, ossia nel peso esercitato dall’aria sulla superficie del liquido, deducendo che il peso dell’aria controbilancia quello del mercurio.

La misurazione fatta da Torricelli era in accordo con quella dell’esperimento fatto con l’acqua da Galileo Galilei, e vista la differenza di densità, del mercurio, 13,6 volte maggiore della densità dell’acqua, la colonnina di mercurio si ferma ad un’altezza 13,6 volte più in basso della colonnina dell’acqua usata da Galileo. Se si moltiplica 0,760×13,6 si ottiene 10,33 Mt che è la colonna di liquido che si avrebbe se si utilizzasse acqua invece di mercurio.

COSA SIGNIFICARE FARE IL VUOTO

Appare ormai evidente, che per fare il vuoto, dovremmo estrarre dal nostro cubo, che come abbiamo detto contiene aria atmosferica, l’aria in esso contenuta.

Per la definizione di pressione P= F/A  (1), lasciando inalterato il cubo, quindi non andremo a modificarne la geometria e nemmeno la temperature, per fare il vuoto, quindi per diminuire la pressione P, dovremo nell’equazione diminuire il fattore al numeratore, diminuire quindi le forze dovute agli urti degli particelle, (atomi e molecole) in esso contenute.

E’ evidente che diminuendo il numero degli urti contro le pareti del tubo, il quoziente F/A diminuirà.

A questo punto dobbiamo definire una nuova grandezza…

IL NUMERO DI PARTICELLE

In accordo con la teoria cinetica dei gas, il numero di particelle contenute in un volume chiuso, e funzione della pressione al suo interno e alla temperatura termodinamica, (espressa quindi in gradi Kelvin °K), legate dalla seguente relazione:

P = n × K × T  (3)

K= costante di Boltzmann https://it.wikipedia.org/wiki/Costante_di_Boltzmann

T= temperatura termodinamica

n= densità del numero di particelle

Si può facilmente comprendere che a una data temperatura la pressione dipende solo dal numero di particelle e non dalla natura delle stesse.

DENSITA’ DI UN GAS

Il prodotta tra il numero di particelle e la massa di ognuno di esse, viene definita come densità di un gas dalla relazione:

La densità = n×m_T  (4)  g/cm³

m_T = massa di una particella

n= densità del numero di particelle

Dalla (4) si deduce che diminuire la pressione significa diminuire la densità delle particelle contenute in un dato volume.

LA LEGGE DEI GAS PERFETTI

La legge dei gas perfetti, per la quale non andremo a scrivere per semplicità di esposizione  tutti i passaggi intermedi, è sintetizzata dalla seguente relazione:

P × V = n × R × T  (5)

R= costante dei gas perfetti

T= temperatura termodinamica

n= numero di Moli (numero di molecole di un gas contenute in una MOLE sono definite dalla legge di Avogadro

Se nella (5) consideriamo una sola Mole di gas, possiamo scrive la seguente relazione:

P × V ≅ R × T

Già da qui si possono dedurre che:

Esiste una dipendenza diretta tra volume, temperatura e pressione a parità di quantità di gas.

Esempio numerico

Abbiamo quindi detto che la pressione in un volume chiuso a parità di temperatura termodinamica dipende dal numero di particelle in esso contenuto.

Utilizzando la (5)  P × V= n × R × T 

Esempio 1: In un volume V di 10 Litri, vengono introdotti 15 g di Helio (He), con massa molecolare M 4 g/mol.

Facendo i calcoli otteniamo che;  P= (n x R x T)/(V x M) =  (10×83,14×293,16)/(10×4) = 609,0 mbar

Esempio 2: In un volume V di 10 Litri, vengono introdotti 15 g di Argon (Ar) con massa molecolare M 40 g/mol.

Facendo i calcoli otteniamo che;  p= (n x R x T)/(V x M) =  (10×83,14×293,16)/(10×40) = 60,90 mbar

Come si vede dai i risultati, la stessa massa di due gas con un rapporto di massa molecolare 10, (He=4 AR= 40), sviluppano una pressione con lo stesso rapporto tra di loro, He 609,0 mbar Ar 60,9 mbar)

Questo perché un gas più pesante a parità di massa contiene meno particelle di uno più leggero, e come visto in precedenza la pressione è funzione della densità di particelle e non dalla natura del gas. E’ quindi evidente che diminuire la densità di un volume chiuso corrisponde a diminuirne la pressione.

RANGE DI PRESSIONE NELLA TECNOLOGIA DEL VUOTO

Durante l’evacuazione di una camera da vuoto si incontrano situazioni fisiche nelle quali i comportamenti dei gas e vapori aspirati modificano il proprio comportamento.

La tabella riporta i range di pressione e la densità caratteristica per ogni range.

Range di Pressione	Pressione / mbar	Densità / cm3
Basso Vuoto	103-100	1019– 1016
Medio Vuoto	100-10-3	1016– 1013
Alto Vuoto	10-3-10-7	1013– 109
Ultra Alto Vuoto	10-7-10-12	109– 104

CONVERSIONE DELLE UNITA’ DI MISURA DELLA PRESSIONE

	Pascal	Bar	Millibar	Microbar	Tott	Micron
	Pa (N/m2)	bar	mbar	ubar (dyn/cm2)	Torr (mm/Hg)	micron (mTorr)
Pa	1	1,00E-05	1,00E-02	1,00E+01	7,50E-03	7,50E+00
bar	1,00E-05	1	1,00E-03	1,00E-06	7,50E+02	7,50E-05
mbar	1,00E+02	1,00E-03	1	1,00E+03	7,50E-01	7,50E+02
ubar	1,00E-01	1,00E-06	1,00E-03	1	7,50E-04	7,50E-01
Torr	1,33E-02	1,33E-03	1,33E+00	1,33E+00	1	1,00E+03
micron	1,33E-01	1,33E-06	1,33E-03	1,33E+00	1,00E-03	1