Diez experimentos con vacio

Continuando con la serie Diez experimentos con… esta vez le toca al vacío.

Algunas de estas pruebas requieren bombas de vacío bastante poderosas como difusoras que logran alcanzar vacíos próximos a 10^-6 bar es decir 1 micra, otras pueden realizarse con relativamente poco, si se dispone de una bomba mecánica del tipo de las usadas en refrigeración de dos etapas prácticamente pueden realizarse todas las pruebas, ya que con estas se logran vacíos del orden de los 5 x 10^-5, las bochas de heladera alcanzan vacíos pobres del orden de los 10^-3 bar o peores, pero alcanzaran para realizar algunas de las pruebas propuestas



Una bocha de heladera, abajo a la izquierda se ve la salida de vacío.



Esta es una bomba mecánica para refrigeración , apta para casi todos los experimentos aquí expuestos



Una bomba difusora autoconstruida que acoplada a la mecánica permite vacíos de 10^-6 torr

Otro requisito para realizarlos es una campana de vacío, preferentemente de vidrio para poder ver lo que pasa en su interior, en este mismo blog, en ideas útiles se puede ver como con un viejo filtro de gasoil se fabricó una campana que dará buenos resultados en casi todos los experimentos Campana de vacío con filtro de gasoil



Campana de vacío con filtro de gasoil



En la actualidad he armado otra campana un poco mas elaborada, sin embargo no es nada fácil el eliminar las fugas



La campana y por debajo la bomba difusora, el caño corrugado es la conexión a la bomba mecánica de dos etapas. Los cables que se ven en el interior son un termopar que permite medir la temperatura interna de la campana y objetos que se coloquen en su interior.

Hay algunas pruebas que ya fueron presentadas en este blog, las que serán direccionadas para no ocupar lugar con lo mismo.

Para trabajar con vacío también es necesario un medidor, si se usa la bocha de heladera bastará con este simple instrumento, si trabajamos con bombas mas potentes necesitaremos al menos una sonda con una resistencia de platino como el que se propone acá en la página del PFDC de www.cientificosaficionados.com .

Las pruebas

1.   Los hemisferios de Magdeburgo

Elegí esta como primera prueba por su importancia histórica, se trata de dos semiesferas huecas unidas en su ecuador con una junta tórica, donde se realiza el vacío, Luego de realizado será muy difícil separar ambas partes ya que la presión atmosférica hará una gran fuerza que las mantendrá unidas. Este dispositivo fue inventado por Otto von Guericke quien demostró la existencia del vacío, algo que en su época no se suponía posible (u horror vacui)

Para fabricar el dispositivo partimos de una vieja garrafa para cargar sifones que buscamos en la chatarra, tiene paredes gruesas que permiten un surco donde se alojará la junta y el lugar para una canilla por donde se sacará el aire.



La garrafa conseguida en la chatarra

Ya cortadas

2.   El sonido en el vacío

Esta prueba es muy sencilla y muy educativa, en el vacío no se propaga el sonido, la prueba consiste en colocar un reloj despertador en la campana programándolo para que suene a los pocos minutos, se realiza el vacío y se constata el silencio absoluto.



3.  El Tubo de Crookes.

Este experimento ya fue descrito en este blog aquí.



4.   Los cambios de estado

Se coloca en la campana un recipiente con agua y se comienza a hacer el vacío, enseguida veremos como el agua comienza a hervir.  Cuando la presión de vapor se iguala a la presión atmosférica comienza a hervir.



5. La temperatura en el vacío

Por lo visto en el experimento anterior se podría pensar que algún cambio en la temperatura puede haber? Para este experimento colocaremos un termopar dentro de la campana que irá sumergido en un recipiente con agua.



A medida que se va haciendo el vacío la temperatura del agua comienza a disminuir, y es lógico, cuando un líquido hierve se requiere de una energía que se toma de la propia masa de del líquido que ira perdiendo su temperatura, si ahora sacamos la sonda del termómetro fuera del líquido encontraremos temperaturas asombrosamente bajas hasta -28 ºC logré medir.

Este asunto de poner agua dentro de la campana no es muy saludable si luego necesitamos hacer vacío buenos, ya que el vapor de agua queda dentro de la misma y se tardan varias horas para evacuarlo con la bomba y hasta se corre el riesgo de echar a perder el aceite de la misma.

6.  El astronauta sin traje espacial

Haremos la siguiente prueba y ruego a ecologistas y defensores de los animales abstenerse de comentarios, usaremos una lombriz de tierra, las que usan los pescadores (y para hacer hamburguesas según leí por ahí)

Colocamos la lombriz en un recipiente preferiblemente plástico (aislante termico), y a modo de anzuelo colocamos el termopar para monitorear la temperatura, luego comenzamos a hacer el vacío:

Que se ve, creen que va a explotar?



Nada de eso… Ocurre lo que ocurrió en el experimento anterior, el agua del interior del cuerpo comienza a hervir, y este pierde mas y mas temperatura hasta quedar  hecho hielo, Arnold sos un mentiroso!! (película Total recall 1990), en una persona, los pulmones posiblemente exploten en el caso que se quiera mantener la respiración, ya que serían como un globo. En efecto en un accidente ocurrido en la nasa un operario quedó expuesto al vacío por unos segundos y recordaba que la saliva le hervía, el accidente terminó bien ya que la presión le fue normalizada en forma inmediata y a las pocas horas estaba totalmente repuesto.

Unas fotos de la prueba





La temperatura a la que llega en unos minutos



Se ve rígida y blanquecina.

 

7.    Un tubo de rayos catódicos con una botella de penicilina.

Esta prueba esta detallada aquí



8.    Sputering.

Esta interesante técnica también fue descrita en este mismo blog y sirve para depositar metales sobre cualquier superficie. Los detalles aquí.



Una variante del sputering,   Evaporación de metales

Esta es una de las pruebas que requieren de mas vacío, para que salga mas o menos bien. La técnica es bastante simple,  si alcanzamos en la cámara una presión inferior a la presión de vapor de un metal este comenzará a evaporarse, si en el trayecto no se combina con nada, por eso el vacío se depositará en la primera superficie fría que encuentre. Esta técnica es utilizada en el plateado de espejos para telescopios.

Para realizar el evaporado de metales se requiere una bomba difusora, un transformador de baja tensión y alta corriente para poner incandescente un filamento que esta hecho de tungsteno, en mi caso cuatro hilos de 0.5 mm trenzados. También es necesario un variac para ir regulando la temperatura de este filamento sobre el cual se coloca el metal a evaporar. Se puede usar aluminio, que en formas de U se disponen sobre el filamento de tungsteno.

9.     La compresibilidad de los gases

Los gases poseen las siguientes propiedades únicas que los caracterizan:

• Compresibilidad:  la capacidad de reducir su volumen ante la acción de la presión (una fuerza externa).


• Elasticidad:  la habilidad de recuperar volumen ante la supresión de una presión externa.


• Capacidad de Difusión:  la expansión de un gas a través de todo el volumen de su contenedor.


• Dilatabilidad: el incremento en  volumen ante un aumento en temperatura.

Con un globo en la campana veremos como se expande el poco aire que tiene en su interior ocupando prácticamente toda la campana, comprobando la primera de las propiedades antes mensionada.

También puede hacerse la misma prueba con crema de afeitar que aumentará considerablemente su volumen

10.    Generando vacío con vapor

El vapor de agua desplaza al aire y enfriado bruscamente se contrae y provocando un vacío importante . prueba de ello es este experimento simple que puede hacerse en cualquier laboratorio.

Se toma un balón o un erlenmayer y se ponen unos pocos cm3 de agua, luego se lleva a ebullición sobre el mechero, inmediatamente se lo invierte sobre un recipiente con líquido, el resultado es espectacular, el agua del recipiente sube hasta llenar completamente el erlemayer.