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Tecnologia Do Vacuo

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Por:   •  22/1/2015  •  3.148 Palavras (13 Páginas)  •  551 Visualizações

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO

CCT – Centro de Ciências e Tecnologias

MICHELE DE FREITAS MOURA RANGEL

TECNOLOGIA DO VÁCUO

MÉTODOS EXPERIMENTAIS DA FÍSICA MODERNA

Campos dos Goytacazes - RJ

2012

1

Sumário

1. Introdução .......................................................................................................... 2

2. A importância do vácuo ...................................................................................... 4

3. Conceitos Físicos associados a Vácuo .............................................................. 4

3.1 Pressão e Caminho livre médio ......................................................................... 5

3.2 Viscosidade ....................................................................................................... 7

3.3 Fluxo dos Gases .............................................................................................. 8

3.4 Condutividade ................................................................................................. 10

4. Bombas de Vácuo ............................................................................................ 10

4.1 Exemplos de bombas de Vácuo ...................................................................... 11

5. Aplicações Tecnológicas do Vácuo .................................................................. 12

6. Conclusão ........................................................................................................ 14

7. Referências Bibliográficas ................................................................................ 14

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1. Introdução

Durante alguns séculos o conceito de vácuo foi discutido e debatido inicialmente no campo da Filosofia e, mais tarde, no das Ciências Naturais.

Aristóteles não aceitava a existência do vácuo, então, para provar a inexistência do vácuo, usou a experiência de queda dos corpos. Para ele, os corpos ao caírem, sofriam uma resistência do meio em que caem. Alguns meios oferecem maior resistência, outros menor resistência, limitando a velocidade. Logo, se houvesse vácuo, os corpos não encontrariam resistência alguma e sua velocidade cresceria indefinidamente chegando a uma velocidade infinita, portanto o vácuo não poderia existir [1].

Foi com os trabalhos pioneiros de Galileu e de seu aluno Torricelli que a realização do vácuo tornou-se uma tarefa científica. Porém apenas anos mais tarde que foi construída a primeira bomba à vácuo por Otto Von Gëricke, na qual era necessária para evacuar o ar dos volumes dos hemisférios [2].

Figura 1. Primeira bomba à vácuo

Atualmente, o conceito de vácuo como sendo o nada absoluto deveria tornar-se muito mais rigoroso, implicando não somente na ausência de matéria como de toda e qualquer partícula, com ou sem massa, inclusive todo tipo de radiação eletromagnética. Quando se fala em tecnologia do vácuo, refere-se a conhecer e dominar os mecanismos, processos e métodos necessários para retirar todo o gás do interior de um recipiente e o manter neste estado.

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O vácuo pode ser natural ou artificialmente produzido. Vácuo natural, por exemplo, ocorre na superfície lunar ou no espaço interestelar. O vácuo artificial é o produzido por bombas de dentro de um recipiente [3].

A unidade de medição de pressão no sistema internacional SI é chamado de Pascal (Pa), onde, Pa = Newton/m2. Um Pa corresponde a um pressão muito pequena.

O vácuo pode ser dividido em três regiões, de acordo com a pressão do gás:

 Baixo vácuo é caracterizado a partir da pressão atmosférica até cerca de 1 Pa.

 Alto vácuo é caracterizado entre 1 Pa e 10-4 Pa.

 Ultra Vácuo é caracterizado com a pressão abaixo de 10-4 Pa.

Na faixa de baixo vácuo, o número de moléculas no volume é muito maior do que adsorvido sobre a superfície interna do recipiente, na faixa do alto vácuo, o caminho médio livre das moléculas é da ordem ou maior do que as dimensões do recipiente e, a maioria das moléculas estão sobre as paredes do recipiente interior e, na faixa do ultra- vácuo, o fluxo de moléculas para uma superfície limpa é tão baixa que não há tempo suficiente para realizar experiências antes de ser coberta por uma camada monomolecular de gás. Um recipiente é dito estar sob vácuo quando a pressão no interior é menor do que a exterior, geralmente a pressão atmosférica. Se nenhum recipiente existe, é uma região de vácuo espaço numa pressão inferior à pressão atmosférica [3].

As técnicas de vácuo são necessárias, por exemplo, para eliminar a convecção do gás em criostatos, para diminuir a pressão acima da superfície de um líquido ao baixar a sua temperatura, ao circular hélio em refrigeradores de diluição, para o propósito de detecção de vazamento, entre outras. Os sistemas de vácuo têm inúmeras formas e dimensões devido às diferentes tarefas e quantidades de gases a serem bombeados [2].

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2. A importância do vácuo

Diversos processos industriais e de pesquisas em tecnologia e em ciência básica são realizados em baixas pressões. Há ainda os processos nos quais se remove os gases ativos, por meio da realização do vácuo, e posteriormente, introduz-se um gás inerte recuperando a pressão atmosférica. Quando se altera a pressão em uma câmara de vácuo, as seguintes grandezas físicas mudam de valor: a densidade do gás, o caminho livre médio, o tempo de formação de uma camada de moléculas em uma superfície e o fluxo de moléculas incidindo em uma superfície [2].

Algumas das principais razões para a utilização do vácuo são [2]:

 Remover os gases ativos presentes na atmosfera da câmara de vácuo do processo a ser realizado. Os gases e vapores ativos são prejudiciais ou inconvenientes para uma série de processos industriais e experiências científicas.

 Diminuir a transferência de calor por condução e por convecção entre o meio interno e o meio externo à câmara de vácuo.

 Aumentar o trajeto ou o caminho livre de partículas elementares, átomos, elétrons, íons e moléculas para que não colidam com as moléculas da atmosfera da câmara de vácuo.

 Remover vapores ou gases absorvidos em materiais líquidos ou sólidos.

 Pressão final a ser atingida e pressão trabalho.

3. Conceitos Físicos associados a Vácuo

Uma das grandes aplicações de vácuo corresponde à retirada de gás de câmara na qual se quer realizar um processo industrial ou científico. Isto é realizado acoplando-se a esta câmara uma ou mais bombas de vácuo, utilizando-se tubulações, válvulas e conexões [4].

O sistema mais simples de vácuo consiste de uma câmara de vácuo, um tubo de interligação (linha de vácuo ou tubo) e uma bomba de vácuo, que

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produz um gradiente de pressão ao longo do tubo. Como é mostrado de forma esquemática, na figura 1.

3.1 Pressão e Caminho livre médio

A teoria cinética dos gases é a base teórica para o estudo dos sistemas de vácuo. Além do comportamento geral dos gases e vapores, deve-se ainda considerar fenômenos importantes dos gases em baixas pressões [1].

Na Teoria Cinética dos Gases os parâmetros mais importantes são: quantidade de moléculas por unidade de volume, a temperatura, a velocidade média e a distância média que as moléculas percorrem sem colidir umas com as outras. O comportamento do gás é descrito pela equação dos gases perfeitos:

PV=nRT ou PV= NkT (1)

Onde, P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols, R é a constante universal dos gases, T é a temperatura, N é o número de moléculas e k é a constante de Boltzmann.

Câmara de Vácuo

Linha de Bombeamento

Sistema de Bombeamento de Vácuo

Figura 2: Configuração Genérica de Sistemas de Vácuo

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Na maioria dos caos em vácuo, as equações acima são suficientes para tratar

do comportamento dos gases no volume.

A pressão é definida como sendo a força exercida por unidade de área. No

caso da pressão de um gás essa pressão é produzida pelo choque das

moléculas do ar com as paredes do recipiente. Quanto maior a temperatura,

maior é a agitação das moléculas e maior é o número de choques que essas

moléculas têm com as paredes do recipiente.

Por mais eficiente quem seja o sistema, sempre sobram moléculas do gás

originalmente existente no recipiente. A quantidade de moléculas que restam,

por unidade de volume, pode ser utilizada para caracterizar o vácuo. À medida

que o vácuo se torna mais perfeito, isto é, quanto menor a pressão há um

número cada vez menor de moléculas por unidade de volume. A pressão do

gás está relacionada com os choques por unidade de tempo que essas

moléculas têm com as paredes do recipiente. Quanto melhor o vácuo essas

colisões se tornam menos freqüentes e, da mesma forma, as colisões entre as

próprias moléculas acontecem menos. Estas colisões, entre duas moléculas,

são caracterizadas pela distância que as moléculas podem percorrer, em

média, entre duas colisões sucessivas, chamada de caminho livre médio [1].

O caminho livre médio das moléculas λ é:

(2)

Onde, d é o diâmetro de esfera rígido equivalente da molécula e n é o número

de molécula de unidade de volume [3].

760 Torr

Figura 3: Pressão de Vapor

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No caso de um gás ideal:

(3)

Onde, kB é a constante de Boltzmann e p é a pressão do gás. A Figura 2 mostra o caminho livre médio de λ a 293 K para alguns gases de interesse em tecnologias do vácuo.

Figura 4. Caminho livre médio em função da Pressão.

3.2 Viscosidade

A viscosidade está relacionada com a transferência de momentum de uma placa para outra. A eficiência deste processo dependerá do número de moléculas [5].

Supondo uma relação linear entre as forças dissipativas (viscosas) e a velocidade (fluidos Newtonianos), tem-se para os gases ideais:

(3)

ou segundo Kennard (4) com γ = 0, 4999.

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Para Gases rarefeitos adota-se:

(5)

3.3 Fluxo dos Gases

O escoamento do gás em altas pressões é viscoso, ou seja, pode-se observar o fenômeno de dissipação interna. Por outro lado, em baixas pressões é chamado de escoamento molecular.

Usa-se o conceito de caminho livre médio para caracterizar estes regimes de escoamento. No caso viscoso, em que a pressão é alta, dizemos que o caminho livre médio é pequeno comparado com as dimensões da câmara e das tubulações em que o gás se move. No caso do regime molecular, o caminho livre médio é maior que essas dimensões. Por extensão, quando o caminho livre médio for da ordem das dimensões da câmara e das tubulações, diz-se que o regime é intermediário [2].

Quando um gás é removido de um recipiente através de um tubo, o tipo de fluxo de gás depende da pressão. Na faixa de baixo vácuo, o fluxo de gás é controlado pelas colisões entre moléculas (fluxo viscoso). Se algumas moléculas são removidas a partir de uma região (por uma bomba), outras moléculas preencherão a região “vazia”. Nesta situação, o diâmetro da linha de bombeamento não é importante. Na faixa de ultra-vácuo (faixa molecular), a o caminho médio livre é maior do que as dimensões do recipiente, e as interações entre as moléculas ocorre raramente. O diâmetro do tubo de bombeamento deve ser grande para aumentar a probabilidade de que as moléculas atinjam a bomba. Para um tubo de raio r, o fluxo viscoso se < 10-2 e é molecular se > 1 [3].

No regime laminar, o fluxo é muito lento e superficial, e as forças viscosas dominam: a velocidade do gás é constante ao longo do tubo, sem qualquer componente ortogonal. Quando ocorre a diminuição da pressão, as forças viscosas desaparecem, e o fluxo é controlado pela colisão com as paredes. No fluxo molecular, o percurso do caminho livre médio é maior do que a distância entre as superfícies do tubo. Neste regime, todas as superfícies, são, na

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realidade, cobertas com as projeções que são as dimensões atômicas ou moleculares e irregularmente distribuídas sobre a superfície. Por conseguinte, uma molécula de gás, que atinge a superfície, é repelido numa direção que é totalmente independente da direção de incidência [3].

Figura 5. Esquema do Fluxo de Gás

A razão na qual um gás flui através de um dado plano, por exemplo, ao longo de uma tubulação ou na bomba, é descrito em termos do chamado fluxo volumétrico que é definido como o volume do gás, a uma dada temperatura e pressão, cruzando este plano por unidade de tempo, ou seja [5]:

[litros/s] ou [m³/h] (6)

A velocidade de bombeamento, ou vazão, depende intimamente das características da bomba e do gás que está sendo bombeado. É normalmente especificada para N2. Para outros gases usa-se a expressão:

(7)

Abafado

Laminar

Transição

Molecular

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3.4 Condutividade

A resistência oferecida ao fluxo de gás pelos componentes do sistema possui uma influencia na velocidade de bombeamento e na pressão final obtida. Define-se condutividade como o quociente:

=> (8)

Que proporciona uma avaliação quantitativa da resistência oferecida pela tubulação ao fluxo gasoso [5].

A condutividade de uma dada tubulação está intimamente conectada com sua geometria e com as condições instantâneas de operação da bomba [5].

4. Bombas de Vácuo

Os principais componentes de um sistema de vácuo são as bombas. As bombas de vácuo podem se classificar de um modo geral em bombas com deslocamento de gás que retiram os gases do sistema expelindo-os para a atmosfera e bombas de fixação que retêm os gases dentro da própria bomba. As primeiras subdividem-se ainda em bombas que trabalham a pressões subatmosféricas e que requerem a ligação a uma bomba de vácuo primário para remover os gases para a atmosfera (bombas roots e bombas de vapor) [6].

Os tipos de bombas comumente usados em experimentos à baixa temperatura são:

Bombas de desbate: pressão na faixa 105 Pa:

 Bombas Rotary;

 Bombas booster.

Bombas de deslocamento:

 Bombas de sorção (criostálicas).

Bombas de alto vácuo: faixa de pressão 10-6 Pa:

 Bombas de difusão a óleo;

 Bombas turbo moleculares;

 Bombas moleculares de arrasto.

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Para Alcançar pressões muito baixas (alto vácuo), pelo menos duas bombas (uma bomba de desbaste e uma bomba de alto vácuo) estão ligadas em série. Para obter a velocidade de bombeamento elevada, um paralelo de bombas, tanto em bruto com em alto vácuo é por vezes utilizado. Hoje em dia, o vácuo industrial oferece sistemas de vácuo integrados que contêm várias bombas de vácuo, a fim de cobrir uma vasta gama de pressão de operação com um aparelho compacto [6].

4.1 Exemplos de bombas de Vácuo

 Bombas Roots ou Booster Mecânicas

Uma bomba do tipo roots é formada por dois rotores em forma de oito em que rodam em eixos paralelos e em sentidos contrários. Durante o ciclo da bomba os rotores entram um no outro ajustando-se sem se tocarem.

Nestas bombas não existe óleo de vedação o que permite aos rotores velocidades muito elevadas, da ordem de 500 a 3000 rotações por minuto, conforme o tamanho da bomba. A velocidade de bombeamento e o vácuo final vão depender da condutância da zona de alta pressão para a de baixa pressão, correspondente ao espaço entre os rotores e entre os rotores e o estator, sendo desprezível a condutância entre as bases dos rotores e a parede [6].

 Bombas Criogênicas

Embora o princípio de bombeamento criogênico fosse a muito utilizado nas trapas de azoto líquido, só recentemente se começou a usar extensivamente este método de bombeamento. Este processo permite bombear grandes volumes com custos relativamente baixos, apresentando ainda a vantagem de poderem obter pressões muito baixas.

O funcionamento dessas bombas baseia-se na introdução de uma superfície arrefecida a temperaturas muito baixas no volume a bombear. Os gases existentes nesse volume são condensados até se atingirem pressões da ordem das suas tensões de vapor à temperatura da superfície.

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A 20 K todos os gases são bombeados com exceção do hidrogênio, néon e hélio, que têm que ser retirados por sistemas auxiliares com bombas de difusão ou iônicas.

Em sistemas de ultra-alto vácuo utilizam-se bombas criogênicas, neste caso usando o hélio líquido. A temperatura de 4,2 K do hélio líquido permite condensar também o néon, embora a eficiência para o bombeamento do hidrogênio seja baixa. A temperatura pode ainda ser reduzida para 2,3 K bombeando o hélio com uma bomba pré-vácuo. A uma pressão inferior à atmosférica o hélio evapora-se a uma temperatura mais baixa, sendo então bombeados todos os gases exceto o hélio. Neste tipo de sistema, é necessário entrar em linha de conta com o custo do hélio que é consumido [6].

 Bombas moleculares

As bombas moleculares baseiam-se na transferência de momento linear de um rotor a grande velocidade para as moléculas de gás situadas entre o rotor e o estator. Ás moléculas é comunicados movimento de modo que saiam do sistema a evacuar.

As bombas moleculares podem-se dividir em:

a. Bombas de arrastamento molecular;

b. Bombas turbo moleculares.

Uma maior velocidade de bombeamento é obtida nas bombas turbo moleculares baseadas no mesmo princípio das bombas de arrastamento molecular, mas em que existem vários estágios associados. Os primeiros estágios (d0 lado do volume a evacuar) são projetados de modo a obterem-se altas velocidades de bombeamento e pouca compressão e os últimos para se obter alta compressão embora com menor velocidade de bombeamento. O aumento de pressão nos últimos estágios permite bombear a mesma quantidade de gás (Q= Sp) embora a velocidade de bombear seja menor [6].

5. Aplicações Tecnológicas do Vácuo

A tecnologia do vácuo está presente em uma grande área de aplicação na indústria, na ciência e na tecnologia. Seja para tecnologias simples ou complexas o vácuo se torna indispensável. O propósito principal da realização

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do vácuo é alterar a atmosfera de um recipiente. Essa alteração dá-se tanto no valor da pressão como também em composição gasosa [4].

Uma das primeiras aplicações tecnológicas do vácuo referente a isolamento térmico foi a garrafa térmica, no qual consiste essencialmente de um frasco de vidro de paredes duplas onde se faz vácuo para reduzir a possibilidade de transferência de calor por condução [1]. Outra aplicação da tecnologia do vácuo com o propósito de isolar, tem-se os simuladores espaciais. Os satélites e outros artefatos a serem usados no espaço sideral são ensaiados e estudados em câmaras de vácuo de laboratório [4].

Na fabricação de bulbos para iluminação elétrica, das lâmpadas incandescentes até as lâmpadas que fazem uso de descargas elétricas, a tecnologia do vácuo é necessária para produzir atmosferas rarefeitas e inertes. Desta forma não ocorrerá a forte oxidação do filamento ou é possível haver descarga elétrica controlada em gases, dependendo do tipo de lâmpada [4].

As lâmpadas atuais apresentam um vácuo reduzido pela presença de uma mistura de nitrogênio e argônio.

Outra importante aplicação do vácuo, no qual requer atmosferas quimicamente neutras, temos a metalurgia a vácuo. Desta forma, os metais durante a fundição estarão protegidos da oxidação ou da formação de bolsões gasosos internos. O vácuo também é empregado na sinterização, recozimento e outros tratamentos térmicos em metais.

No empacotamento e no encapsulamento de alguns produtos perecíveis ou sensíveis à oxidação, o uso do vácuo tem-se mostrado muito eficiente [1].

No processo de secagem e mesmo de extração de umidade, a tecnologia pode ser usada em diferentes formas, pode ser realizado em temperatura ambiente ou em baixas temperaturas, muitas vezes criogênicas e os que ocorrem em altas temperaturas.

Uma grande quantidade de equipamentos e processos em vácuo, mais precisamente em alto-vácuo e ultra-vácuo, fundamenta-se nas propriedades do comprimento do caminho livre médio, para evitar as colisões dos átomos e moléculas entre si. Como principais aplicações têm-se os tubos acelerados de partículas elementares, os microscópios eletrônicos, tubos de raios-X, mostradores de informação por efeito de campo, anéis de armazenagem, além dos equipamentos em geral de deposição de filmes finos, no qual é produzido

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quando se provoca a evaporação de um material, em alto-vácuo, e o vapor vai se condensar numa superfície mais fria, em camadas muito finas, com espessuras da ordem de nanometros [1].

6. Conclusão

Este seminário abordou de forma resumida os conceitos relacionados à Tecnologia do vácuo, mostrando a importância dos estudos sobre a mesma, para as diversas pesquisas e aplicações tecnológicas, nas quais facilitam o dia-a-dia das pessoas.

O assunto abordado é muito extenso, principalmente as bombas de vácuo, no qual neste seminário, foram citadas algumas delas, de forma que se possa ter um conhecimento sobre o assunto.

7. Referências Bibliográficas

[1] STEMPNIAK, A. Roberto, A ciência e a Tecnologia do Vácuo- Resumo Histórico e Algumas Aplicações – FACAP/CDT – SBV, 2002.

[2] DEGASPERI, T. Francisco, Modelagem e Análise Detalhadas de Sistemas de Vácuo – UNICAMP, 2002.

[3] RISEGARI, Lara e VENTURA, Guglielmo; The Art of Cryogenics- Low- Temperature Experimental Techiniques; Elsevier, 2008.

[4] GAMA, Sérgio, Introdução à Ciência e Tecnologia do Vácuo. UNICAMP, 2002.

[5] Working with turbo molecular pumps, ed. Pfeiffer Vacuum.

[6] MOUTINHO, M. C. Augusto, SILVA, S. F. Maria Eugênia, CUNHA, C.M. I. Maria Áurea, Tecnologia de Vácuo – Universidade Nova de Lisboa.

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