Torr

Definición Formal

El torr (símbolo: Torr) es una unidad de presión definida como exactamente 1/760 de una atmósfera estándar. Dado que una atmósfera estándar equivale a 101,325 pascales, un torr equivale exactamente a 101,325/760 pascales, o aproximadamente 133.322 Pa. El torr lleva el nombre de Evangelista Torricelli, el físico italiano que inventó el barómetro de mercurio en 1643.

El torr es muy casi igual a un milímetro de mercurio (mmHg), pero las dos unidades no son idénticas. Un mmHg se define como la presión ejercida por una columna de 1 mm de mercurio a 0°C bajo la aceleración gravitacional estándar, que equivale aproximadamente a 133.322 387 415 Pa. Un torr equivale exactamente a 133.322 368 421 Pa. La diferencia es menor al 0.000015% —negligible para todos los propósitos prácticos— pero existe porque el torr se define algebraicamente (1/760 atm) mientras que el mmHg se define físicamente.

Dominio Principal

El torr se utiliza principalmente en la ciencia del vacío, donde sirve como una unidad conveniente para presiones muy por debajo de la atmosférica. La presión atmosférica equivale a 760 Torr, y los sistemas de vacío típicamente operan en el rango de cientos de torr hasta 10⁻¹⁰ Torr o menos. El amplio rango dinámico del torr y su asociación histórica con la tecnología de vacío lo han convertido en la unidad dominante en este campo.

Nombrado en Honor a Torricelli

La unidad lleva el nombre de Evangelista Torricelli (1608-1647), un matemático y físico italiano que estudió bajo Galileo Galilei en los últimos meses de la vida de Galileo. La mayor contribución de Torricelli fue la invención del barómetro de mercurio en 1643, que demostró que la atmósfera ejerce presión medible. El nombre de la unidad "torr" fue propuesto por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en 1950 y ha estado en uso común desde entonces.

Pronunciación y Plural

El torr se pronuncia para rimar con "bore" o "more." El plural de torr es "torr" — no "torrs." Esto sigue la convención para unidades nombradas en honor a personas: un torr, dos torr, 760 torr. El símbolo es "Torr" con una T mayúscula, siguiendo la convención de que los símbolos de unidades derivadas de nombres propios comienzan con una letra mayúscula.

Barómetro de Torricelli

En 1643, Evangelista Torricelli llenó un tubo de vidrio (aproximadamente 1 metro de largo, sellado en un extremo) con mercurio, lo invirtió en un plato de mercurio y observó que la columna de mercurio caía a aproximadamente 760 mm. El espacio sobre el mercurio —ahora llamado vacío de Torricelli— fue uno de los primeros vacíos artificiales jamás creados. Torricelli concluyó correctamente que la atmósfera empuja sobre el mercurio en el plato, sosteniendo la columna, y que la altura de la columna mide la presión atmosférica.

Torricelli escribió a su amigo Michelangelo Ricci: "Vivimos en el fondo de un océano de aire." Esta descripción poética capturó una visión revolucionaria: la atmósfera tiene peso, y su presión puede ser medida. El experimento de Torricelli resolvió décadas de debate sobre por qué las bombas de succión no podían elevar el agua más de aproximadamente 10 metros, una limitación que había desconcertado a los ingenieros desde la antigüedad.

Desarrollo de la Ciencia del Vacío

El torr se convirtió en la unidad natural para la ciencia del vacío a medida que el campo se desarrollaba. Las primeras bombas de vacío, desarrolladas por Otto von Guericke (1654) y Robert Boyle (1659), eran rudimentarias según los estándares modernos, pero podían reducir la presión a unos pocos torr. A finales del siglo XIX, las bombas de desplazamiento de mercurio de Heinrich Geissler alcanzaron presiones por debajo de 0.01 Torr, lo que permitió el descubrimiento de los rayos catódicos y los rayos X. Las bombas turbomoleculares modernas y las bombas de iones pueden alcanzar presiones por debajo de 10⁻¹¹ Torr.

Formalización

El torr fue adoptado formalmente como una unidad de presión por la ISO en 1950, definido como 1/760 de una atmósfera estándar. Esta definición fue elegida para hacer que 760 Torr sea igual exactamente a 1 atm, simplificando la convención de larga data de medir la presión atmosférica como "760 mm de mercurio." La unidad ha sido respaldada por organizaciones científicas en todo el mundo y sigue siendo la unidad de presión dominante en la ciencia del vacío.

Sistemas de Vacío

El torr es la unidad estándar en tecnología de vacío en la mayor parte del mundo (con el milibar utilizado como alternativa en algunas aplicaciones europeas). Las bombas de vacío se clasifican por su presión final en torr: las bombas de paletas rotativas alcanzan 10⁻³ Torr, las bombas turbomoleculares alcanzan 10⁻¹⁰ Torr, y las criobombas alcanzan 10⁻¹² Torr. Los manómetros de vacío —Pirani, Penning, manómetro de iones y manómetro de capacitancia— todos muestran la presión en torr.

Fabricación de Semiconductores

La industria de semiconductores depende en gran medida de los sistemas de vacío y utiliza el torr extensamente. Los procesos de deposición de vapor químico (CVD) operan a 0.1-10 Torr. La deposición de vapor físico (PVD/sputtering) requiere 10⁻³-10⁻² Torr. Las cámaras de implantación de iones operan a 10⁻⁶-10⁻⁵ Torr. Las recetas de proceso en fábricas de semiconductores especifican presiones en torr o militorr (mTorr).

Deposición de Películas Delgadas

Las tecnologías de recubrimiento —desde recubrimientos antirreflectantes en gafas hasta recubrimientos decorativos en relojes— utilizan deposición al vacío a presiones medidas en torr. La evaporación térmica opera a 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. La evaporación por haz de electrones requiere presiones similares. La pulverización por magnetrón opera a 1-10 mTorr.

Investigación Científica

Los aceleradores de partículas, la ciencia de superficies y la espectrometría de masas operan en condiciones de vacío medidas en torr. El Gran Colisionador de Hadrones en CERN opera a presiones por debajo de 10⁻¹⁰ Torr en su tubo de haz. Los instrumentos de análisis de superficie (XPS, AES, STM) requieren ultra alto vacío por debajo de 10⁻⁹ Torr para mantener las superficies limpias durante el análisis.

Bombillas y Tubos de Vacío

Las bombillas incandescentes contienen gas inerte a presión reducida, típicamente 500-700 Torr (ligeramente por debajo de la atmosférica). La presión reducida disminuye la pérdida de calor convectivo del filamento. Los tubos fluorescentes contienen vapor de mercurio a aproximadamente 0.003-0.01 Torr. Los letreros de neón operan a 1-20 Torr — la presión exacta afecta el brillo y color del resplandor.

Envasado de Alimentos

El envasado de alimentos al vacío elimina el aire a presiones de aproximadamente 10-50 Torr, extendiendo la vida útil al reducir la oxidación y el crecimiento microbiano. La liofilización de alimentos como el café instantáneo y el helado de astronauta implica reducir la presión a aproximadamente 0.1-1 Torr mientras el producto está congelado, causando que el hielo sublime directamente a vapor.

Presión Arterial

Aunque típicamente expresada en mmHg en lugar de torr, las mediciones de presión arterial son numéricamente equivalentes en ambas unidades. La presión arterial normal de 120/80 mmHg es esencialmente 120/80 Torr. Los esfigmomanómetros (manguitos de presión arterial) históricamente usaron columnas de mercurio, midiendo directamente la presión en mmHg, aunque los dispositivos digitales modernos calculan los mismos valores electrónicamente.

Termos

Los recipientes aislados al vacío (frascos Dewar, botellas térmicas) mantienen un vacío de aproximadamente 10⁻³-10⁻⁴ Torr entre sus paredes dobles. Este vacío reduce drásticamente la transferencia de calor por conducción y convección, manteniendo las bebidas calientes calientes y las frías frías durante horas. La superficie interior plateada minimiza la transferencia de calor radiante.

Ciencia de Superficies

La ciencia de superficies requiere condiciones de ultra alto vacío (UHV) por debajo de 10⁻⁹ Torr para estudiar superficies limpias. A presión atmosférica (760 Torr), una superficie metálica limpia se cubre con una monocapa de moléculas de gas en aproximadamente 3 nanosegundos. A 10⁻⁶ Torr, esto toma alrededor de 1 segundo. A 10⁻¹⁰ Torr, toma aproximadamente 3 horas — lo suficientemente largo como para realizar un análisis de superficie detallado. Esta relación entre presión y tasa de contaminación superficial impulsa la necesidad de un vacío extremo en la ciencia de superficies.

Espectrometría de Masas

Los espectrómetros de masas requieren condiciones de vacío para que los haces de iones viajen sin chocar con moléculas de gas de fondo. Los espectrómetros de masas cuadrupolares operan a 10⁻⁵-10⁻⁶ Torr. Los instrumentos de tiempo de vuelo (TOF) requieren 10⁻⁶-10⁻⁸ Torr. Los espectrómetros de masas FT-ICR, que atrapan iones durante períodos prolongados, requieren presiones por debajo de 10⁻⁹ Torr.

Física de Plasmas

El procesamiento de plasmas —utilizado en el grabado de semiconductores, limpieza por plasma e investigación de fusión— especifica condiciones en torr. El grabado por plasma opera a 0.01-1 Torr. CVD mejorado por plasma opera a 0.1-10 Torr. Los reactores de fusión requieren un vacío inicial por debajo de 10⁻⁸ Torr antes de la ignición del plasma.

Simulación Espacial

Las cámaras de simulación espacial replican el vacío del espacio para probar naves espaciales e instrumentos. La presión en órbita baja terrestre es aproximadamente 10⁻⁷ Torr. El espacio interplanetario es aproximadamente 10⁻¹⁴ Torr. Las cámaras de simulación espacial logran 10⁻⁷-10⁻¹⁰ Torr, combinadas con ciclos térmicos y simulación de radiación solar, para probar equipos antes del lanzamiento.