Presión de gas y líquido

1. Definición
2. Unidades y notación
3. Interpretación microscópica de la presión en un gas.
4. Interpretación microscópica de la presión en líquido.
5. Variación de presión durante la compresión
6. Variación de presión durante la expansión (o expansión)
7. Presión atmosférica
8. Medir la presión
9. Diferencias de presión en un líquido.
10. Diferencias de presión en el agua.
11. Presión en un líquido en función de la profundidad.

Definición

La presión es una cantidad física definida en todos los puntos de un fluido (gas o líquido), refleja el empuje ejercido por este último:

• entre sus propias partículas
• en las paredes del contenedor
• en la superficie de un cuerpo sumergido

Se puede definir como la relación de la fuerza de empuje ejercida sobre una superficie por el valor de esta superficie:

P = F / S

donde:

• F es la fuerza ejercida sobre la superficie S (N)
• S es el área (m²)
• P es la presión en la superficie S (Pa)

(Ver hoja de fuerzas de presión)

Por lo tanto, un pascal corresponde a una fuerza de empuje de un newton ejercido sobre una superficie de un metro cuadrado.

Nota

El concepto de presión puede generalizarse a cualquier fuerza de contacto distribuida sobre la superficie. Por lo tanto, podemos considerar que un cuerpo de peso 1 newton que descansa sobre un lienzo estirado de superficie de 1 metro cuadrado ejerce una presión de 1 pascal.

Unidades y notación

La unidad de presión del sistema internacional es la pascal de símbolo Pa (en homenaje al filósofo, matemático y científico francés Blaise Pascal)

Es posible utilizar todas las unidades derivadas habituales:

• milipascal (mPa), 1 mPa = 10^-3 Pa (1 Pa = 1000 mPa)
• centipascal (cPa), 1 cPa = 10^-2 Pa (1 Pa = 100 cPa)
• decipascal (dPa), 1 dPa = 10^-1 Pa (1 Pa = 10 dPa)
• decapascal (daPa), 1 daPa = 10 Pa (1 Pa = 10^-1 daPa)
• hectopascal (hPa), 1 hPa = 10² Pa (1 Pa = 10^-2 daPa)
• kilopascal (kPah, 1 kPa = 10³ Pa (1 Pa = 10^-3 kPa)

Otras unidades de presión habituales (también conocidas)

• la atmósfera (cajero automático), una atmósfera corresponde al valor medio de la presión atmosférica a una altitud cero, es decir, 1 atm = 101325 Pa. La mayoría de las cantidades físicas asociadas con una especie química (temperatura de cambio de estado, solubilidad) se dan bajo una presión de referencia d ‘una atmósfera.
• el bar (bar), 1 bar = 100,000 Pa que corresponde a un valor redondeado de presión atmosférica.

Nota

Las unidades enumeradas aquí son las más comunes, pero hay otras como el milímetro de mercurio que ha estado en uso durante mucho tiempo.

Interpretación microscópica de la presión en un gas.

Un gas está formado por un conjunto de moléculas (excepto los gases raros formados por átomos) separados por vacío (por esta razón, decimos que el estado gaseoso es un estado disperso). Estas moléculas están en constante agitación, están animadas por movimientos desordenados que hacen que choquen entre sí, con las paredes de un posible contenedor y con cualquier cuerpo en contacto con el gas.

Son estas colisiones las que están en el origen de la presión ejercida por un gas, cada choque participa en la fuerza de presión, por consiguiente, la presión es aún mayor:

• que los choques son violentos y que las moléculas son rápidas.
• que los choques son numerosos (por lo tanto, las moléculas son numerosas en un espacio dado).

Nota

• la velocidad de las moléculas está relacionada con la temperatura, cuanto mayor es la última y más rápido las moléculas, por lo tanto, un aumento de la temperatura provoca un aumento de la presión (siempre que los otros parámetros como el volumen y la cantidad de materia sean constantes) .
• La presión ejercida por un gas no depende de su naturaleza química.

Interpretación microscópica de la presión en líquido.

Un líquido está formado por moléculas (o átomos para metales fundidos) que no se agitan tanto como las moléculas de gas, pero que están animadas por un movimiento desordenado de deslizamiento y también por vibraciones que también permiten d » ejercen fuerzas de presión.

Variación de presión durante la compresión

La compresión es una operación que consiste, bajo tensión mecánica (es decir, por medio de una fuerza ejercida), de reducir el volumen ocupado por una sustancia sin reducir su cantidad de material.

A nivel microscópico, resulta en unir moléculas sin que se modifique su número, su forma, su naturaleza o su volumen. Los estados condensados ​​(sólido y líquido) están formados por moléculas entre las cuales no hay espacio vacío, por lo tanto, estas moléculas no pueden acercarse, por lo tanto, la compresión no es posible: solo los gases son compresibles. Después de la compresión, las moléculas son más apretadas, los choques moleculares son más numerosos, por lo tanto, un aumento de la presión: La compresión siempre va acompañada de un aumento de la presión.. Nota

Más allá de cierto umbral, la compresión de un gas puede causar su licuefacción.

Variación de presión durante la expansión (o expansión)

Una expansión es la operación inversa de una compresión, consiste en aumentar el volumen de una muestra de material sin aumentar su cantidad de material.

A nivel microscópico, una relajación corresponde a un aumento en el espacio vacío que separa las moléculas de un gas sin que estas moléculas se vean afectadas. Los líquidos y los sólidos no pueden experimentar expansión, solo los gases son expandibles. Dado que las moléculas se alejan durante una expansión, el choque molecular se vuelve menos numeroso, lo que conduce a una caída de presión: La relajación siempre va acompañada de una disminución de la presión.

Presión atmosférica

Esta es la presión del aire atmosférico cuando está libre de cualquier envoltorio hermético (globo, neumático, contenedor …)

Esta presión generalmente se observa Patm y se expresa con las unidades de presión habituales (con mayor frecuencia en pascal o hectopascal) Su valor medio a altitud cero (junto al mar) vale: Patm = 101325 Pa o 1013.25 hPa (casi 1 barra) La presión atmosférica es variable:

• las condiciones climáticas pueden hacer que aumente en unos pocos cientos de pascales para dar un área de alta presión llamada alta presión que generalmente es garantía de buen clima (las altas presiones permiten repeler las nubes)
• las condiciones climáticas también pueden reducirlo y conducir a un área de baja presión llamada depresión, que generalmente es sinónimo de mal tiempo.
• disminuye constantemente con la altitud.

Medir la presión

Presión atmosférica

La presión atmosférica se mide con un dispositivo específico llamado barómetro. Es un dispositivo de uso actual, presente en muchos hogares, que permite seguir las variaciones de la presión atmosférica para predecir la evolución del clima (para simplificar un aumento puede dar la esperanza de un cielo despejado y, por lo tanto, un buen clima mientras que una caída de presión indica una tendencia a cielos nublados y posibles precipitaciones. La presión de un gas cautivo. Cuando un gas está contenido en una envoltura hermética (globo, neumático, contenedor, etc.), su presión se mide utilizando un dispositivo llamado manómetro, que debe comunicarse con el aire cautivo. Se encuentran, por ejemplo, en las estaciones de servicio para verificar la presión de los neumáticos o en ciertas bombas. La presión de un líquido Para medir la presión en un líquido usamos un nanómetro de agua llamado medidor de presión equipado con una sonda de medidor de presión que es posible en líquido a la profundidad deseada.

Diferencias de presión en un líquido.

La presión en un líquido depende de la profundidad considerada, cuanto mayor es esta profundidad y más aumenta la presión. Por lo tanto, los buzos deben soportar presiones crecientes durante su descenso.

Existe una relación que permite calcular la diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en reposo (que no fluye). Consideramos dos puntos A y B:

• ubicado a las profundidades respectivas (distancia desde la superficie) z_Un y z_B
• donde la presión es respectivamente P_Un y P_B
• en un líquido de densidad ρ

La diferencia de presión es entonces:

P_B – P_Un = ρ.g. (z_B-z_Un)

Con:

• z_Un y z_B en metro (m)
• ρ en kilogramos por metro cúbico (kg / m³) que equivale a gramos por litro (g / L)
• g en newton por kilogramo (N / kg)
• P_Un y P_B en pascal (Pa)

Como recordatorio (y preferiblemente para recordar):

• en la Tierra la intensidad de la gravedad (g) es 9.81 N / kg
• la densidad del agua a 4 ° C es de 1000 kg / m (1000 g / L)

Si hay una diferencia de presión ΔP = P_B – P_Un y la diferencia en profundidad Δz = z_B-z_Un entonces la relación se convierte en:

ΔP = ρ.g. Δz

La diferencia de presión entre dos puntos de un fluido es, por lo tanto, proporcional:

• a diferencia de la profundidad
• a la densidad del líquido
• a la intensidad de la gravedad

Diferencias de presión en el agua.

El factor de proporcionalidad ρ.g entre la diferencia de presión y la diferencia de profundidad es para agua 9.81 x 1000, redondeando un valor de aproximadamente 10^{4 4}

En consecuencia:

• una diferencia de profundidad de un metro corresponde a una diferencia de presión de aproximadamente ΔP = 10^{4 4} x 1 o 10^{4 4} Pa
• una diferencia de 10 metros de profundidad corresponde a una diferencia de presión ΔP = 10^{4 4} x 10 o 10^{5 5} Pa que corresponde a una barra

Presión en un líquido en función de la profundidad.

La relación P_B – P_Un = ρ.g. (z_B-z_Un) es válido para todos los puntos A y B de un líquido y si elegimos como punto A un punto en la superficie del líquido, entonces su profundidad es cero (z_Un = 0 m) y la presión superficial corresponde a la presión atmosférica (P_Untm) por lo tanto obtenemos:

P_B – P_Un = ρ.g. (z_B-z_Un) P_B – P_Untm = ρ.g. (z_B– 0) P_B – P_Untm = ρ.g..z_B P_B = ρ.g..z_B + P_untm En un punto B ubicado a una profundidad z_B en un líquido de densidad la presión P_B está dada por la relación:

P_B = ρ.g.z_B + P_untm

donde

• ρ es la densidad del líquido en kilogramos por metro cúbico (kg / m³) (equivalente a un gramo por litro), vale 1000 kg / m³ para el agua
• g es la intensidad de la gravedad en newton por kilogramo (N / kg), vale 9.81 N / kg en la Tierra.
• z_B es la profundidad en metros (m)
• P_B es la presión en el punto B en pascal (Pa)
• P_{cajero automático} es la presión atmosférica en pascal (Pa), su valor promedio es 101,325 Pa.

Ejemplo

Queremos calcular la presión de 25 metros de profundidad en el agua: ρ_agua = 1000 kg / m³, g = 9.81 N / kg, P_{cajero automático} = 101 325 Pa y z_B = 25m por lo tanto: P_B = 1000,9,81.25 + 101 325 P_B = 2.4525.10^{5 5} + 101 325 P_B = 3.47.10^{5 5} Pa