VII. LAS APLICACIONES DE LAS T�CNICAS DE VAC�O

LA IMPORTANCIA del vac�o no estriba tanto en su generaci�n, ni en el significado f�sico que tiene, sino en su gran utilidad que lo hace acreedor de un n�mero enorme de estudios y usos. Dependemos del vac�o desde en el proceso fundamental de respirar, hasta en los m�s grandes adelantos industriales y cient�ficos. Debido a esto, en el presente cap�tulo nos proponemos dar una idea general de su amplio campo de aplicaci�n.

En la tabla II se presenta una descripci�n de las aplicaciones del vac�o, y a continuaci�n se exponen de manera breve varias de ellas con la finalidad de profundizar un poco en los respectivos temas.

LA MEC�NICA DE LA RESPIRACI�N

El acto respiratorio depende por completo del hecho de que la cavidad tor�cica, que es la caja formada por las costillas, es en efecto un compartimento cerrado, cuya �nica abertura al exterior es la tr�quea, que es el conducto que va a la garganta. Por consiguiente, cuando aumenta el volumen de la cavidad tor�cica, disminuye la presi�n en la misma, y el vac�o generado da lugar a que el aire sea aspirado hacia el interior por la tr�quea; cuando disminuye el volumen, aumenta la presi�n en la cavidad ocasionando la expulsi�n del aire. La respiraci�n consiste sencillamente en expansiones y contracciones peri�dicas de la cavidad tor�cica producidas por contracciones intermitentes de los m�sculos respiratorios y retracciones pasivas de los pulmones el�sticos.

TABLA II. Aplicaciones de las t�cnicas de vac�o.

Situación física	Objetivo	Aplicaciones
Baja presión	Obtener una diferencia de presión	Levitar, moldear, levantar, transportar
Baja densidad molecular	Remover constituyentes activos de la atmósfera	Lámparas (incandescentes, fluorescentes, tubos eléctricos), fundición, recocido, empaquetado, encapsulado, detección de fugas
	Remover gases ocluidos o disueltos	Secado, deshidratación, concentración, degasamiento, liofilización, impregnación
	Disminuir la transferencia de energía	Aislamiento térmico, aislamiento eléctrico, microbalanza de vacío, simulación espacial
Camino libre medio grande	Evitar colisiones	Tubo de electrones, rayos catódicos, televisión, fotoceldas, fotomultiplicadores, rayos X, aceleradores, espectrómetros de masas, separadores de isótopos, soldadura de haz de electrones, calentamiento, microscopio electrónico, recubrimiento, destilación molecular
Periodos largos para la formación de monocapas	Obtener superficier limpias	Fricción, adhesión, estudios de emisión, pruebas de materiales para uso especial

Ahora bien, los m�sculos respiratorios se clasifican en inspiratorios y expiratorios. Los inspiratorios van desde el cuello y brazos, hasta las costillas y desde una costilla hasta la siguiente. Cuando se contraen, levantan las costillas empleando la cavidad tor�cica. El descenso de la base del t�rax tambi�n provoca inspiraci�n; esta acci�n la realiza el m�sculo respiratorio m�s importante: el diafragma, que aunque a menudo se piensa que es s�lo un tabique que separa el abdomen del t�rax, en realidad es un �rgano de notable dise�o y prodigiosa actividad, capaz de mantener una respiraci�n adecuada cuando todos los otros m�sculos respiratorios est�n paralizados (Figura VII.1). Al contraerse la fibras del diafragma en la inspiraci�n, se aumenta la dimensi�n vertical de la cavidad tor�cica.

La expiraci�n es primordialmente un acto pasivo debido a la reacci�n el�stica de los pulmones. Los cambios de presi�n durante la respiraci�n tranquila son peque�os, pero suficientes para mover el aire hacia dentro y hacia fuera. Al final de la inspiraci�n, la tendencia de los pulmones a retraerse hace que la presi�n en la pleura, que es la bolsa que rodea a los pulmones, descienda de 760 torr hasta 751 torr y se genera con ello un vac�o ligero. La diferencia de presi�n es peque�a, pero el �rea es grande y la fuerza es suficiente para provocar los movimientos respiratorios.

La tecnolog�a de vac�o, por otro lado, ha contribuido al avance m�dico, y un ejemplo de esto es el equipo utilizado en la respiraci�n artificial. Cuando el acto de la respiraci�n ha cesado, se puede renovar el aire en los pulmones con este m�todo mec�nico, el cual comprende dos t�cnicas denominadas resucitadores y respiradores corporales ("pulmones de acero"). Un resucitador ventila los pulmones aplicando de manera alternada presiones positivas y negativas (con respecto a la presi�n ambiental) mediante una m�scara facial o una sonda traqueal. Este dispositivo es empleado a menudo por bomberos y salvavidas que atienden casos agudos de deficiencia respiratoria en sitios alejados de un hospital (Figura VII.2)

Figura VII.1. Pulmones humanos.

Un "pulm�n de acero" difiere de un resucitador en que opera sobre el fuelle tor�cico, no mediante la aplicaci�n de presi�n sobre la nariz y la boca, sino mediante la aplicaci�n directa de presiones positivas y negativas alternadas sobre todo el t�rax. Para hacerlo, se coloca al sujeto en una c�mara cerrada, cil�ndrica, de presi�n, que deja salir s�lo la cabeza del individuo, con un collar de hule perfectamente ajustado al cuello. La presi�n dentro de la c�mara se aumenta y disminuye alternadamente por medio de una bomba el�ctrica. Las presiones alternas expanden y comprimen el t�rax, sustituyendo con �xito los movimientos respiratorios normales. Este tipo de aparato ha mantenido con vida a muchas personas durante a�os despu�s de una falla respiratoria.

Figura VII.2. Pulm�n artificial.

LA PRODUCCI�N DE AZ�CAR

Aproximadamente 85% del az�car de ca�a obtenida en el campo se produce en forma "cruda", la cual requiere un proceso de refinamiento (Figura VII.3). Dicho tratamiento se inicia al moler la ca�a y obtener el jugo, �ste se purifica mediante calentamiento, agregando una suspensi�n de hidr�xido de calcio. Acto seguido, se env�a a un clarificador continuo de jugo donde es separado en un jugo claro y uno turbio. El primero se manda a un evaporador y el segundo a un filtro continuo rotatorio de vac�o. Los filtrados son agregados al jugo claro y se env�a al evaporador. Esta nueva mezcla de miel cruda se concentra en un horno de vac�o hasta que se cristaliza la az�car formando un nuevo concentrado conocido como masacote. Por �ltimo, los cristales de az�car se separan del masacote por medio de un centrifugador. Es importante la producci�n de az�car "cruda" por el uso que tiene en la elaboraci�n de productos como comidas preparadas, alm�bares, bebidas, alcohol, az�car de uso casero y dulces.

Figura VII.3. Proceso de refinamiento del az�car.

Figura VII.4. Corte esquem�tico de un sistema de frenos de potencia activado mediante vac�o.

LOS FRENOS EN SISTEMAS AUTOMOTRICES

La mayor�a de los frenos automotrices constan de dos semic�rculos que tienen una superficie de fricci�n y son presionados contra el interior del tambor, al cual est� sujeto el aro de la llanta del veh�culo.

El incremento en la velocidad y peso de los veh�culos de los a�os cincuenta hizo dif�cil la operaci�n eficaz de los frenos hidr�ulicos, por lo que la mayor�a de los veh�culos fueron equipados con sistemas de frenos de potencia; �stos se diferencian de los frenos hidr�ulicos en que el pist�n del cilindro maestro es operado por un pist�n y cilindro entre los cuales existe vac�o, en lugar de la presi�n ejercida sobre el pedal del freno (v�ase la figura VII.4). El cilindro maestro y el cilindro de vac�o forman una unidad. Cuando el conductor empieza a oprimir el pedal del freno, la v�lvula de control cierra los puertos atmosf�ricos. Al seguir oprimiendo, el pedal abre el puerto que conecta la entrada del vac�o con el cilindro de vac�o a la izquierda del pist�n. La tuber�a de vac�o est� conectada a la entrada del m�ltiple de escape, y cuando la v�lvula de vac�o abre el puerto se forma un vac�o en el lado izquierdo del pist�n. La presi�n atmosf�rica que act�a en el lado derecho del pist�n causa que �ste se mueva hacia la izquierda, ejerciendo as� presi�n sobre el pist�n del cilindro esclavo, lo cual ocasiona que las llantas frenen.

LA CONSERVACI�N DE ALIMENTOS

El proceso de liofilizaci�n (secado mediante congelamiento) se usa para conservar ciertos productos qu�micos delicados, sustancias biol�gicas o tejidos. En este proceso, el material es congelado y en condiciones de alto vac�o se elimina el agua sublim�ndola a vapor mientras el material se mantiene congelado. Esto permite establecer condiciones de temperatura y presi�n espec�ficas para mantener el material s�lido en el mejor nivel para una exitosa deshidrataci�n y para favorecer una satisfactoria rehidrataci�n.

Durante el proceso de liofilizaci�n la estructura celular de muchos materiales se mantiene esencialmente intacta y se preserva la caracter�stica b�sica del producto; mientras que en el caso de otros productos, su forma cambia a la de un polvo, aunque se conservan sus caracter�sticas b�sicas. Este proceso es necesario para ciertos materiales en extremo delicados, pero tambi�n se usa en la elaboraci�n de comida procesada. Por ejemplo, el primer uso importante fue en la producci�n de un mejor caf� instant�neo, seguido por el desarrollo de comida preparada, como carne. �sta puede ser liofilizada y transformada en un material de apariencia esponjosa que cuando es reconstituido al agregar agua, tiene mucho de la apariencia y sabor del material original.

Por �ltimo mencionaremos la aplicaci�n en la transportaci�n de verduras, las cuales se enfr�an mediante un sistema de enfriamiento al vac�o, produciendo la r�pida evaporaci�n de peque�as cantidades de agua con el fin de evitar su pronta descomposici�n durante el transporte; algunos ejemplos de verduras que se someten a este proceso son: espinacas, lechugas y repollo.

EL TERMO

El termo es un recipiente de pared doble en el que el espacio entre ambas paredes es evacuado (est� al vac�o). Fue inventado por el f�sico y qu�mico James Dewar en la d�cada de 1890. Un recipiente se considera un termo cuando el envase de vidrio se protege con una cobertura met�lica.

El termo se cre� para preservar gases licuados y evitar la transferencia de calor del medio ambiente al l�quido. El espacio entre las paredes de vidrio pr�cticamente no conduce el calor; la radiaci�n se reduce a un m�nimo mediante el aluminizado de las paredes internas del termo. La v�a principal por la cual se puede comunicar calor al interior de la botella es por el cuello, que es la �nica uni�n entre las paredes, el cual, en consecuencia, se hace del menor tama�o posible (Figura VII.5).

El aislamiento t�rmico se aplica tanto para conservar el fr�o como el calor, y por este medio es posible mantener la temperatura de un l�quido por un periodo largo de tiempo.

LOS ENVASES

Los envases se fabrican dependiendo de las caracter�sticas del producto que se va a envasar; al dise�arlos se toman en cuenta cuatro aspectos importantes: el tipo de producto, su mercado, el problema de la producci�n y el costo de operaci�n.

Figura VII.5. Envase al vac�o.

En la industria alimenticia, el empaquetado y embotellado de los diferentes alimentos requiere varios tipos de envases para los productos resultantes del procesamiento, la esterilizaci�n, la pasteurizaci�n, as� como deshidrataci�n y congelamiento r�pido.

Los envases met�licos o "latas", como com�nmente se conocen, y los contenedores de pl�stico como botellas y tarros se llenan al vac�o (entre otras t�cnicas de llenado). Esto se hace con la intenci�n de conservar las propiedades qu�micas y f�sicas del producto y evitar un crecimiento microbiol�gico contaminante en el mismo.

El llenado al vac�o es la forma m�s limpia, eficiente y econ�mica de manejar muchos productos. Por ejemplo, a pesar del cuidado que se tiene en la fabricaci�n y en la limpieza de las botellas, siempre existe un porcentaje de agujeros, astillas y agrietamientos. Las m�quinas para llenar al vac�o detectan de manera autom�tica estos defectos.

El sistema de vac�o requiere de un tanque de alimentaci�n que se encuentra por debajo del nivel de las botellas que ser�n llenadas; del tanque de alimentaci�n sale la tuber�a que se une al conector que har� contacto con la boca de la botella, as� como la l�nea del receptor de sobreflujo. Cuando la m�quina se enciende, se crea un vac�o en el receptor de sobreflujo y hace succi�n sobre el conector. Cuando la boca de la botella entra en contacto con el conector se forma un vac�o dentro de la botella (siempre y cuando la botella no tenga imperfecciones). El vac�o succiona el l�quido del tanque de alimentaci�n a trav�s del conector, llenando la botella. Al llegar el l�quido al receptor de sobreflujo, autom�ticamente se corta el vac�o, causando la detenci�n inmediata del l�quido. Entonces, el conector se separa de la botella y �sta pasa a la siguiente etapa. Con este sistema no es necesario lavar o limpiar la parte externa de las botellas antes de etiquetarlas, ya que pone la cantidad correcta de producto sin derramarlo.

LOS CONCRETOS

El concreto es un producto endurecido creado al mezclar material granular (arena, grava o piedra) qu�micamente inerte, con cemento y agua. Ha sido empleado como material de construcci�n durante siglos, pues en la mayor�a de las civilizaciones han existido dep�sitos naturales de cemento. En vestigios encontrados de civilizaciones de la zona mediterr�nea se descubrieron restos de concreto del tipo usado en las construcciones romanas, los cuales se consideran los primeros indicios de construcciones de concreto.

Los diversos tipos de concretos para prop�sitos estructurales diferentes se identifican por la naturaleza del agregado, el cemento y ciertos atributos especiales o tratamientos. Entre los tipos de concreto existentes se encuentra uno que es elaborado en condiciones de vac�o, llamado "concreto tratado al vac�o".

Este concreto es sometido a una succi�n inmediatamente despu�s de haber sido puesto en un molde. En tal proceso se extrae parte de la humedad dejando un concreto m�s seco que, pasado un tiempo, alcanzar� una dureza mucho mayor que la del concreto com�n. Esto hace que se use ordinariamente un proceso de vac�o en la fabricaci�n de losas de concreto y productos similares hechos con prensas hidr�ulicas.

LA CER�MICA INDUSTRIAL

La cer�mica industrial comprende todo tipo de materiales s�lidos, que no sean met�licos u org�nicos, usados en la industria. Dentro de las diferentes estructuras qu�micas de las cer�micas est�n: policristalinas, vidrios, combinaciones de multicristales con fases cristalinas, o cristales simples. Algunas de las propiedades de la cer�mica que la hacen tan �til son su durabilidad qu�mica (a temperaturas normales y elevadas) adem�s de su bajo deterioro por agua l�quida o vapor, ox�geno, �cidos, bases, sales en altas concentraciones y solventes org�nicos, as� como la posibilidad de ser decorada con una amplia gama de colores, texturas y dibujos.

Los materiales primarios que se usan para hacer la cer�mica se preparan por lo general mediante reacciones qu�micas que involucran precipitaci�n, filtraci�n, calcinaci�n y reacciones de estado s�lido, as� como mediante la t�cnica de secado por congelamiento. Esta �ltima t�cnica supone un procesamiento al vac�o, similar al que se explic� con anterioridad para el caso de la conservaci�n de alimentos. La cer�mica ha sido de gran utilidad en la industria qu�mica, el�ctrica, nuclear, automotriz, aeroespacial y electr�nica.

LAS CENTR�FUGAS

Una centr�fuga es una m�quina en la cual se separan part�culas s�lidas o l�quidas con diferentes densidades, por rotaci�n a alta velocidad en un recipiente cil�ndrico. En la actualidad est� muy extendido el uso de estas m�quinas para la concentraci�n y purificaci�n de materiales en suspensi�n o disueltos en fluidos.

La concentraci�n de materiales en suspensi�n se logra debido a que las part�culas s�lidas son, en general, m�s densas que las l�quidas. Al girar el recipiente, el l�quido tiende a viajar a la periferia en donde encuentra el r�pido desalojo del sistema, mientras que las part�culas s�lidas se agrupan en el centro de rotaci�n.

En t�rminos generales, las centr�fugas se clasifican en tres categor�as dependiendo de si la escudilla del vaso rotatorio tiene pared s�lida, perforada o si es una combinaci�n de ambas. En la industria hay varias clases de centr�fugas, como las centr�fugas de botella, las centr�fugas tubulares, las centr�fugas tipo disco, las de filtro, y las ultracentr�fugas al vac�o.

Las centr�fugas industriales funcionan mediante el giro de un rotor, estando el material a presi�n atmosf�rica. Al aumentar la velocidad del rotor, la temperatura puede llegar a aumentar por arriba del punto de ebullici�n del agua, lo que afecta el sistema y la sustancia con que se est� trabajando. Esto hace que se usen a velocidades moderadas.

Las ultracentr�fugas, que es el caso que ata�e a nuestro estudio, funcionan al vac�o. La presi�n que rodea al rotor es ahora menor que 10^-6 torr y por medio de un termostato en la c�mara de vac�o se controla la baja temperatura existente (~ 1.5°C), por lo que la c�mara queda libre de gradientes t�rmicos. Este tipo de ultracentr�fugas es indispensable en laboratorios donde se necesita purificar sustancias de importancia en bioqu�mica, biof�sica, biolog�a y medicina. La ultracentr�fuga presentada en la figura VII.6 puede tener dos usos: para determinar pesos moleculares de varias proteínas y para purificar materiales biol�gicos que no pueden ser separados con facilidad por medio de otras t�cnicas.

Figura VII.6. Utracentr�fuga de tipo vac�o.

LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado es una combinaci�n de elementos electr�nicos interconectados, tales como transistores y diodos, que est�n inseparablemente asociados con una base continua de material (sustrato). Generalmente los elementos de un circuito son de tama�o microsc�pico, por lo que tambi�n se usa el t�rmino de microcircuitos. Los beneficios de los circuitos el�ctricos incluyen: menor tama�o, bajo consumo de energ�a, mayor velocidad de operaci�n y reducci�n de costo.

Los tres tipos b�sicos de circuitos integrados que existen son: el circuito integrado monol�tico, el circuito integrado multichip y los circuitos integrados en pel�cula, cuyos elementos son pel�culas formadas sobre sustratos aislados. Las pel�culas se hacen evaporando el material que la formar� en un sistema aislado, al vac�o, que tambi�n contendr� al sustrato. El material se vaporiza y se condensa sobre el sustrato. Este tipo de circuitos se utilizan para la fabricaci�n de componentes para electr�nica pasiva; por ejemplo, arreglos de resistencias (partes que impiden el flujo de corriente el�ctrica) y capacitores (partes para restaurar la carga el�ctrica). Este tipo de circuitos puede ser de pel�culas gruesas o de pel�culas delgadas, dependiendo principalmente de la t�cnica empleada para el dep�sito (Figura VII.7).

EL MOTOR DE GASOLINA

La m�quina de combusti�n interna surgi� en el siglo XIX, un siglo despu�s de las primeras m�quinas de vapor que impulsaron la Revoluci�n Industrial. La m�quina de gasolina es una forma especializada de la m�quina de combusti�n interna, obtiene su potencia al quemar una mezcla de vapor de gasolina y aire. Por sus aplicaciones y usos ha sido la m�quina de combusti�n interna de m�s �xito a trav�s del tiempo, y el motor de los autom�viles es su aplicaci�n m�s importante. La potencia que se obtiene con este tipo de motores va desde poco menos de un caballo de potencia, hasta equipos que pueden producir arriba de los 35 000 caballos de potencia.

Figura VII.7. Secci�n transversal de un circuito integrado hecho a base de pel�culas delgadas en un sistema al vac�o.

De las diferentes t�cnicas para recobrar la potencia de un proceso de combusti�n, la m�s importante ha sido el ciclo de cuatro tiempos, el cual se ilustra en la figura VII.8. Con la v�lvula de entrada abierta, primero desciende el pist�n durante el tiempo de entrada. Entonces, debido al vac�o parcial creado, se introduce al cilindro una mezcla explosiva de vapor de gasolina y aire. Se comprime la mezcla cuando el pist�n asciende durante el tiempo de compresi�n con ambas v�lvulas cerradas. Casi al final de este proceso, se enciende la carga mediante una chispa el�ctrica. Esto inicia el tiempo de potencia, que contin�a con ambas v�lvulas cerradas fijamente, y la presi�n del gas, creada por la expansi�n del gas encendido, que presiona sobre la cabeza del pist�n. Durante el tiempo de evacuado, al ascender el pist�n obliga a los productos de la combusti�n a salir a trav�s de las v�lvulas de evacuado abiertas. El proceso se vuelve a repetir requiriendo de los cuatro tiempos del pist�n (entrada, compresi�n, potencia y evacuado).

Figura VII.8. Pasos de un ciclo de cuatro tiempos.

LA METALURGIA

Se denomina procesos metal�rgicos a los procesos relacionados con la purificaci�n de los materiales extra�dos de los minerales. Los procesos metal�rgicos constan de una serie de pasos por los cuales las impurezas minerales que tienen que ser aisladas se reducen a metales, refinamientos o aleaciones. La separaci�n se logra ya sea por extracci�n o por revestimiento mineral, haci�ndolos disponibles con ciertas especificaciones. La manera antigua de hacerlo era por medio de cambios qu�micos que romp�an o descompon�an las impurezas minerales dentro de sus componentes met�licas y no met�licas. Los pasos que se siguen para recobrar metales de los minerales son normalmente seleccionados con base en varias consideraciones, entre ellas, la naturaleza qu�mica de los propios minerales, los cuales pueden ser sulfitos, �xidos, carbonatos, silicatos u otras especies. Existen tres clases de m�todos: 1) la pirometalurgia, que hace uso del calor; 2) la electrometalurgia, que usa la electricidad, y 3) la hidrometalurgia, que hace uso del agua.

Analizaremos una parte del proceso de la pirometalurgia que involucra t�cnicas de vac�o en su desarrollo, como es el fundido inducido por vac�o. La pirometalurgia es cualquier proceso metal�rgico extractivo en que se utilizan altas temperaturas, resultantes de la acci�n del calor de alg�n combustible como gasolina, aceite o energ�a el�ctrica.

A continuaci�n explicamos la t�cnica de fundido inducido por vac�o. Primero que nada, diremos que la preparaci�n de metales en el estado l�quido es una fase distinta en la mayor�a de los procesos metal�rgicos. El fundido es el inicio de una serie de operaciones por las cuales el metal se lleva hasta su forma final. El fundido inducido por vac�o se usa principalmente en tratamientos de metales reactivos, como el titanio, que debido a su afinidad con gases de nitr�geno, ox�geno e hidr�geno, debe ser fundido y tratado bajo condiciones de vac�o o en presencia de un gas inerte.

En el fundido inducido por vac�o, la carga con que se calienta el material, previamente puesto al vac�o, se aplica de forma externa. Iniciado el proceso los gases son removidos de la c�mara, sosteniendo as� la presi�n establecida para el tratamiento. La c�mara tiene a su vez un sistema de circulaci�n de agua fr�a que limita la contaminaci�n entre el fundido y las paredes de la c�mara. Este m�todo se usa mucho en la consolidaci�n de metales reactivos y refractarios, as� como en la producci�n de altas temperaturas y energ�as para la formaci�n de aleaciones.

LOS ACELERADORES DE PART�CULAS

Un acelerador de part�culas es un sistema que produce un haz de r�pido movimiento, el�ctricamente cargado, con part�culas at�micas y subat�micas. La efectividad de un acelerador se caracteriza por la energ�a cin�tica con que se mueven las part�culas. La unidad de energ�a que se emplea es el electr�n voltio (eV), trabajando con energ�as desde 1.2 MeV (millones de eV) hasta 1.2 GeV (miles de millones de eV), seg�n el acelerador. Una caracter�stica importante de las part�culas aceleradas es que son de masa muy peque�a, por lo que la energ�a cin�tica en este rango corresponde a velocidades muy altas. Por ejemplo, la velocidad de un haz peque�o de iones acelerados es de aproximadamente 8 000 kil�metros por segundo. Las part�culas que son aceleradas son los electrones, positrones o �tomos ionizados, tales como hidr�geno ionizado y helio ionizado.

Los aceleradores de part�culas se utilizan en la investigaci�n cient�fica de la estructura del n�cleo, la naturaleza de las fuerzas nucleares y las propiedades del n�cleo que no se encuentran en elementos naturales; como los presentes en los elementos inestables. En medicina los aceleradores se usan en la producci�n de radiois�topos, terapias contra el c�ncer, esterilizaci�n de materiales biol�gicos; mientras que en la industria se aplican en la obtenci�n de radiograf�as industriales y polimerizaci�n de pl�sticos. Se tienen, por sus diferentes usos, aceleradores de distintas caracter�sticas, como el betatr�n, ciclotr�n, acelerador lineal de electrones o protones, microtr�n, etc�tera.

Un acelerador de part�culas tiene tres componentes esenciales: una fuente de las part�culas que ser�n aceleradas, una c�mara de vac�o donde se acelerar�n, y una fuente de campo el�ctrico necesaria para el efecto de aceleraci�n (Figura VII.9).

Figura VII.9. a) Acelerador de part�culas; b) forma distinta de colimar un haz.

LA DESTILACI�N DEL PETR�LEO AL VAC�O

El petr�leo se encuentra en la naturaleza y consiste en una mezcla compleja de hidrocarburos, que son compuestos que contienen hidr�geno y carb�n. En el proceso de refinamiento de petr�leo se obtiene gasolina, aceite de motor y petroqu�micos, entre una gran variedad de sustancias.

Seg�n la regi�n de donde se obtiene el crudo, se ha encontrado que cada petr�leo es diferente y, por lo tanto, puede utilizarse para distintos prop�sitos. Por ejemplo, el petr�leo mexicano es pesado por ser rico en asfalto, mientras que el crudo argelino es ligero comparado con �ste.

La separaci�n del petr�leo en sus componentes se hace por medio de la destilaci�n fraccional, conocida como proceso primario de refinamiento, a cual puede ser seguida por otros m�todos de separaci�n f�sica. La extracci�n de solventes es un ejemplo de ello, donde una cantidad de lubricantes son extra�dos por medio de un solvente.

En la figura VII.10 vemos los principios de operaci�n de una unidad de destilaci�n fraccional. Una unidad de destilaci�n fraccional es de forma cil�ndrica y tiene aproximadamente 45 m de alto. Tiene entre 30 y 40 placas perforadas que la dividen en intervalos rectangulares, donde el petr�leo es primero bombeado hasta la cima del destilador, y despu�s desciende dentro de �l, expuesto a diferentes temperaturas durante el descenso. Los hidrocarburos que forman el petr�leo tienen distintos puntos de ebullici�n, y cada uno de �stos determina el producto que se obtiene. Por ejemplo, el punto de ebullici�n de la gasolina es de 25-95°C; el de la naftalina es de 95-150°C; el del keroseno, 150-230°C, y el del aceite, 230-340°C. El residuo de esta destilaci�n es el asfalto.

La destilaci�n al vac�o se hace utilizando un destilador del tipo fraccional pero con menor di�metro en la columna para mantener comparable la velocidad de vapor a presi�n reducida. El vac�o se produce mediante expulsores de vapor en la destilaci�n al vac�o. Esta t�cnica es importante dentro de los procesos de destilaci�n, pues por medio de ella se ha logrado que componentes menos vol�tiles puedan ser destilados sin aumentar la temperatura al intervalo en el que ocurre el rompimiento, como suceder�a a presi�n atmosf�rica. Esto significa que podemos destilar sin exponer el destilador a altas temperaturas, lo cual trae consigo ahorros considerables en el gasto de energ�a.

Figura VII.10. Unidad de destilaci�n fraccional.

LA MANUFACTURA Y FABRICACI�N DE PL�STICOS

El procesamiento de pl�sticos requiere de materiales de diversos tipos, �stos se pueden dividir en: 1) componentes naturales, como la celulosa, los productos derivados del petr�leo y el hule; 2) componentes qu�micos, y 3) aditivos, como estabilizadores, antioxidantes y colorantes.

Las t�cnicas b�sicas para el procesamiento de pl�sticos suponen un equipo especial para su fabricaci�n y terminado. Las m�quinas para este tipo de operaci�n son m�quinas mec�nicas, soldadoras, proceso de radiaci�n, metalizaci�n al vac�o, electroplateado, impresos, pintura y decoraci�n.

La metalizaci�n al vac�o es uno de los m�todos m�s sencillos para hacer recubrimientos met�licos sobre pl�sticos. B�sicamente consiste en la evaporaci�n del metal, usualmente aluminio, sobre la superficie del pl�stico dentro de una c�mara de alto vac�o. Una c�mara com�n mide 2 m de di�metro y contiene manipuladores para rotar las piezas de pl�stico con la finalidad de obtener un recubrimiento uniforme. Se utiliza un filamento de tungsteno para la evaporaci�n del metal. En el filamento se deposita el material a evaporarse, se calienta y con esto se provoca la evaporaci�n. La metalizaci�n al vac�o se lleva a cabo en un ambiente de muy baja presi�n atmosf�rica, entre 10^-7 y 10^-10 torr (Figura VII.11). El metalizado de pl�sticos se usa en procesos de decoraci�n, en la formaci�n de capacitores el�ctricos y cortes finos para placas met�licas.

LA MANUFACTURA DE SAL

Desde hace mucho tiempo, la sal comercial se ha producido por medio de la evaporaci�n de agua de mar o usando rocas de sal (las rocas de sal se forman en sitios cercanos al mar donde el clima es seco y el verano largo). Actualmente tambi�n se puede obtener mediante salmueras (aguas que son introducidas en lugares altamente salinos y que al procesarlas sueltan la sal). En la manufactura de sal a partir de la salmuera o el agua de mar se usa la evaporaci�n; �sta se logra por medio del Sol o por calentamiento artificial, que es el caso que interesa al tema de nuestro estudio.

Figura VII.11. Equipo para recubrimientos met�licos.

El calentamiento artificial se lleva a cabo a partir de efectos m�ltiples en evaporadores al vac�o, y el producto obtenido forma cristales de sal, que son utilizados en la industria para el procesamiento de alimentos. La salmuera o el agua de mar es bombeada a tanques de asentamiento, donde los componentes de calcio y magnesio son removidos mediante tratamientos qu�micos, y despu�s se pasa a otro dep�sito donde es evaporada. La evaporaci�n al vac�o ocurre sobre la superficie del l�quido, form�ndose entonces el cristal de sal. La evaporaci�n al vac�o es un proceso similar al de liofilizaci�n de alimentos. La forma de aumentar la eficacia de la evaporaci�n es colocar tres tanques para evaporaci�n; la caracter�stica principal es que el vapor del primer tanque sea lo suficiente para provocar la ebullici�n de la salmuera o agua de mar, la cual se env�a al segundo tanque, y el vapor del segundo, suple el calor para operar el tercer recipiente (Figura VII.12).

Figura VII.12. Procesamiento de sal.

La diferencia entre estos m�todos de evaporaci�n es la siguiente: mientras en la evaporaci�n por medio del Sol se requiere alrededor de 4 500 a 5 400 kg de vapor para producir 900 kg de sal, en la evaporaci�n por medio de tanques al vac�o la cantidad de vapor se reduce a 630 kg para obtener una tonelada de sal.

En nuestro pa�s no tenemos necesidad de evaporar por medio de la t�cnica al vac�o, ya que contamos con la salina natural m�s grande del mundo, situada en Guerrero Negro, Baja California, la cual no s�lo abastece nuestro territorio sino que proporciona un producto para la exportaci�n. El problema para otros pa�ses no es, empero, trivial. Imagine el lector la dificultad que supondr�a obtener sal en un pa�s alejado del mar, donde la producci�n de sal se limitara a la explotaci�n minera y este recurso no fuera suficiente a sus necesidades; ser�a necesaria una planta para evaporar de manera artificial, lo que implica la necesidad de alta tecnolog�a y grandes costos.

LOS HACES MOLECULARES O AT�MICOS

Un haz molecular o at�mico es un grupo de mol�culas o �tomos movi�ndose a altas velocidades y viajando en la misma direcci�n. Se generan en mecanismos al vac�o y viajan dentro de un sistema tambi�n al vac�o. El estudio de estos haces se lleva a cabo para obtener un conocimiento m�s amplio acerca del comportamiento molecular o at�mico del haz, as� como de las interacciones entre el haz y materiales s�lidos, gases y campos el�ctricos o magn�ticos.

La deflexi�n del haz en campos el�ctricos o magn�ticos nos da informaci�n acerca de la estructura y propiedades (como rotaci�n y esp�n) de las mol�culas, o �tomos, en el haz. El estudio de la interacci�n del haz con la materia se conoce como espectroscop�a de haz molecular. Mediante haces moleculares podemos limpiar imperfecciones en superficies, o conocer su constituci�n qu�mica y f�sica.

LA PRODUCCI�N DE ACERO INOXIDABLE

El horno el�ctrico tiene un uso muy extendido en la producci�n de aceros con un alto porcentaje de cromo, especialmente en la de acero inoxidable, que contiene arriba del 5% de dicho elemento. Las temperaturas ordinarias para fabricar el acero son alrededor de 1 600°C. Este tipo de horno no es pr�ctico por la p�rdida de cromo que sufre el acero durante su manufactura. Otra manera m�s eficaz de procesar el acero inoxidable que con el horno el�ctrico es mediante su procesamiento al vac�o, que se explica a continuaci�n.

Si el acero l�quido viene en contacto con humedad o agua, el hidr�geno del agua se puede disolver en el metal debido a la reacci�n resultante. El nivel usual de hidr�geno encontrado es una porci�n de una a diez partes por mill�n de su peso. Cuando el acero se sobreenfr�a, la solubilidad del hidr�geno en el acero disminuye; y si el acero es enfriado muy r�pidamente, el hidr�geno emigra a la superficie y escapa, debido a lo cual se pueden presentar peque�as rupturas en la superficie del acero.

Para eliminar el hidr�geno y con �l las rupturas en el acero inoxidable cuando se solidifica, se necesita poner el acero l�quido en una c�mara de vac�o, lo cual permite que el hidr�geno sea bombeado y reducido de 1.5 a 2 partes por mill�n. Si el acero no entra en contacto con humedad antes de ser solidificado, el problema de las rupturas internas puede ser eliminado.

El ox�geno tambi�n disminuye por el bombeo en la c�mara de vac�o, ya que en combinaci�n con el carb�n forma mon�xido de carbono, que es un gas y se bombea. Adem�s, de esta forma evitamos las p�rdidas de cromo que puede haber durante el proceso en el horno el�ctrico debido a la combinaci�n del cromo con el desoxidante.

LOS EXPULSORES DE VAPOR

El expulsor de vapor hace uso de la energ�a cin�tica desarrollada mediante una descarga de vapor a trav�s de un conector, para producir vac�o. En las plantas modernas de energ�a, los expulsores de vapor se utilizan para remover gases no condensables de las superficies condensadoras. Los expulsores de vapor tambi�n se usan en las operaciones donde el producto debe ser expuesto al vac�o.

El agua puede ser refrigerada por el uso de un expulsor de vapor. Para esto se roc�a el agua dentro de la zona de vac�o generada por el expulsor de vapor, y despu�s puede ser empleada en sistemas de aire acondicionado o procesos de enfriamiento.

INNOVACIONES A LOS TRANSPORTES FERROVIARIOS

El ferrocarril ha sido uno de los transportes colectivos m�s usados durante el presente siglo. Ya en los umbrales del siglo XXI, se han propuesto varias ideas para el mejoramiento del sistema ferroviario con la finalidad de aumentar su comodidad y, a�n m�s importante, la seguridad del viaje y la rapidez de su realizaci�n. Una de estas ideas ha venido tomando forma por la accesibilidad a nuevas tecnolog�as: el sistema de tubo gravedad-vac�o. Este nuevo modelo supone un concepto que data del siglo XIX: un tren que pueda ser acelerado y frenado por una combinaci�n de gravedad y presi�n atmosf�rica. El tren habr� de tener una secci�n transversal circular y ser� mucho m�s largo que la mayor�a de los actuales. Con las ruedas ubicadas entre los carros, un tren de este tipo formar� una especie de empaque para sellar con las paredes del tubo, el cual podr� descender de cada estaci�n y ascender a la siguiente. La gravedad reforzar� la fuerza ejercida por la presi�n atmosf�rica mientras se genera vac�o en la porci�n del tubo enfrente del tren. El bajo costo de construcci�n del tren hace atractivo el proyecto, aunque el problema a enfrentar es la elaboraci�n de frenos �ptimos para el sistema. La figura VII.13 ilustra un prototipo.

Figura VII.13. Transporte ferroviario.

Figura VII.14. Diagrama de un tubo de rayos cat�dicos.

EL TUBO DE RAYOS CAT�DICOS

Los tubos de rayos cat�dicos est�n al vac�o y contienen un circuito el�ctrico para la emisi�n de electrones. El circuito consta de un c�todo, un �nodo y un filamento conectados a una fuente de voltaje. En algunos casos, en vez de vac�o se emplea un gas a baja presi�n.

El tubo de rayos cat�dicos es de gran utilidad en la industria y sus aplicaciones son muy variadas. Con �l se ha creado la televisi�n, que sirve para amplificar se�ales d�biles de radio o audio, generando oscilaciones el�ctricas para radiofrecuencias o tonos de audio. Tambi�n se usan para la producci�n de rayos X, as� como en los osciloscopios, etc. Agregando un gas al tubo de rayos cat�dicos podemos obtener l�mparas incandescentes, las l�mparas de ne�n, por ejemplo.

Los electrones en los tubos de rayos cat�dicos se producen por emisi�n termoi�nica de un c�todo. En este proceso se calienta un metal (c�todo) a altas temperaturas, lo cual provoca que los electrones de dicho metal se exciten, adquiriendo la energ�a necesaria para escapar de la superficie met�lica. La direcci�n que toma el haz de electrones se controla con el �nodo (Figura VII.14).

Algunas aplicaciones del tubo de rayos cat�dicos

Televisi�n. La pantalla de la televisi�n se encuentra en la parte interna de uno de los extremos del tubo de rayos cat�dicos (secci�n transversal mayor), y est� compuesta de dos materiales fluorescentes, los cuales brillan con luz amarilla o azul por el choque de electrones sobre la pantalla. Dichos electrones provienen del extremo delgado del tubo. Para un viaje m�s eficiente de los electrones desde su fuente a la pantalla se necesita que el ambiente se encuentre a presiones mucho menores que la atmosf�rica, de otra forma chocan con las mol�culas de gas y se desv�an. El mismo principio se emplea en pantallas de computadora, y de una forma un poco m�s compleja, en la televisi�n a colores (Figura VII.15).

Figura VII.15. Elementos b�sicos de una pantalla monocrom�tica.

L�mparas incandescentes. Cuando se le agrega un gas a un envase despu�s de haber estado al vac�o, es conveniente conocer la especie del gas de que se trata para aprovechar las caracter�sticas espec�ficas del gas. Al aplicar una corriente el�ctrica al filamento localizado dentro del envase, se puede crear en �l una peque�a corriente de electrones que al chocar con el gas contenido en el envase produce iones. Los iones producidos viajan en direcci�n del c�todo (que se mantiene a temperatura alta por el calentador), y el impacto de los iones con el c�todo nos produce la emisi�n de electrones termoi�nicos que al chocar con las part�culas del gas producen nuevamente iones. Cuando la cantidad de electrones termoi�nicos es suficiente para producir los iones necesarios que generar�n a su vez electrones suficientes para sostener el proceso, el gas en el tubo comienza a brillar obteni�ndose as� la descarga incandescente (Figura VII.16).

Figura VII.16. L�mparas incandescentes.

LA SIMULACI�N ESPACIAL

El vac�o en el espacio

Sabemos que la presi�n atmosf�rica a nivel del mar es de 760 torr, y que la presi�n decrece con la altitud. Cerca de los 90 km de altitud la presi�n decrece a 10^-3 torr (troposfera y estrat�sfera). A los 1 000 km, la presi�n es de aproximadamente 10^-10 torr. Se calcula que despu�s de esta altura la presi�n decrece en proporciones peque�as, por lo que a los 10 000 km la presi�n es = 10^-13 torr. Por esta raz�n son importantes para la tecnolog�a espacial las t�cnicas de ultra alto vac�o, que ayudan en las pruebas de naves espaciales, trajes, materiales, sat�lites, autotransportes, equipo y herramienta en condiciones extremas de baja presi�n y microgravedad. La simulaci�n espacial se hace en c�maras especiales, proporcionando un conocimiento m�s claro de los efectos obtenibles en el espacio y de la confiabilidad en el equipo con que se cuenta para este campo (Figura VII.17).

Figura VII.17. Simulaci�n espacial.