LA PRESION ATMOSFÉRICA EXPERIENCIA DE TORRICELLI CONCEPTO y DEFINICIOn
Todos sabemos que existen varios tipos
de presión; cualquiera comprende, por ejemplo, el género de presión que realiza
un dedo apoyado apretadamente sobre alguna cosa. Esta presión es igualmente
aplicable a los sólidos, a los líquidos y a los gases.
Pero ahora trataremos de otros tipos de
presión mensurables. De la misma forma que se han hallado medios especiales
para medir la gravedad y el peso específico de un cuerpo, también se inventaron
medios especiales para medir las presiones.
Cuando se habla de los tres estados de
la materia —sólido, líquido y gaseoso— no se hace hincapié en que dos de ellos
se .parecen entre sí bastante más que el tercero. El agua es muy diferente del
aire, pero ambos gozan de la propiedad de fluir. En el sólido existen fuerzas
que mantienen unidas las moléculas, de manera que su forma se conserva pero la
forma del aire y del agua varían constantemente, porque tanto uno como otra
fluyen. En el lenguaje científico, tanto los líquidos como los gases se
denominan fluidos. Ahora bien, en todo fluido existe una cierta presión;
conocemos perfectamente un ejemplo, ya que siempre hemos soportado la presión
del aire. Esta presión atmosférica, como se denomina, es entre todas las
presiones fluidas, la más importante para nuestra existencia.
Ante todo, cabe decir que en el inmenso
océano de aire que nos rodea, existe presión fluida; la consecuencia más
importante de esta presión es nuestra respiración.
Al respirar, ejecutamos un movimiento
que tiende a vaciar nuestros pulmones, pero por estar éstos en comunicación con
el aire exterior, la presión atmosférica hace que éste penetre en el espacio
que ha quedado libre. Es, pues, evidente que sin la presión atmosférica no nos
sería posible respirar.
En un gas, las moléculas están muy
separadas, moviéndose a gran velocidad, chocando y rebotando caóticamente. Esta
agitación frenética hace que los gases se expandan hasta ocupar todo el lugar
disponible en un recipiente. Nuestro planeta está envuelto por una capa de
gases a la que llamamos atmósfera, compuesta en su mayor parte por nitrógeno
(78%) y oxígeno (21%). Las moléculas de aire activadas enérgicamente por el Sol
no escapan al espacio porque el campo gravitatorio de la Tierra restringe su
expansión.
Estamos sumergidos en un “océano de
aire”, una capa gaseosa que, como una cáscara de manzana (tan fina es), recubre
el planeta. En forma similar a como lo hace un liquido, el peso del aire sobre
la superficie terrestre ejerce una presión, la presión atmosférica. A
diferencia de los líquidos, los gases son compresibles: como su densidad puede
variar, las capas superiores de la columna de aire comprimen a las más bajas.
En los lugares más profundos de la
atmósfera, es decir a nivel del mar, el aire es más denso, y a medida que
subimos se va enrareciendo, hasta que se desvanece a unos 40 Km. de altura. La
capa baja, la troposfera, presenta las condiciones necesarias para la vida y es
donde se producen los fenómenos meteorológicos. Mide 11 Km. y contiene el 80 %
del aire total de la atmósfera.
La presión atmosférica ha sido
determinada en más de un kilo por centímetro cuadrado de superficie pero, sin
embargo, no lo notarnos (motivo por el cual, por miles de años, los hombres
consideraron al aire sin peso). ¿Cómo es que los animales y las personas que
están en la Tierra pueden soportar tamaña presión?
El aire ejerce su presión en todas
direcciones (como todos los fluidos y los gases), pero los líquidos internos de
todos esos seres ejercen una presión que equilibra la presión exterior. En este
hecho se basa el mecanismo de esterilización por vacío: para eliminar los
microorganismos de una muestra (alimento, instrumental, etc.), se la coloca en
un recipiente del cual se extrae el aire. La presión exterior es reducida y los
fluidos internos de las bacterias, que estaban sometidas a la presión
atmosférica, se expanden, haciendo que éstas “revienten”.
Si se extrae el aire de un recipiente,
la presión atmosférica lo aplastará, a menos que el recipiente sea
suficientemente rígido.
Al apretar una sopapa (para destapar
cañerías) contra una superficie pulida se aplasta y queda sin aire. Cuando, por
acción de las fuerzas elásticas, la sopapa recupera su forma inicial, queda un
vacío parcial en el interior y la presión atmosférica exterior la mantiene
adherida a la pared. Del mismo modo, las patas de las moscas tienen pequeñas
ventosas que les permiten caminar por paredes y techos sin caer al piso.
El funcionamiento del gotero obedece al
mismo fenómeno. Al apretar la perilla de goma creamos un vacío parcial. Cuando
sumergimos el tubito en el liquido y soltamos la perilla, la presión
atmosférica que se ejerce sobre la superficie libre del liquido lo obliga a
subir por el tubo hasta la región de menor presión dentro de la perilla.
Experiencia de Torricelli:
En 1643, el físico italiano Evangelista Torricelli ideó un procedimiento para medir la presión atmosférica.
En 1643, el físico italiano Evangelista Torricelli ideó un procedimiento para medir la presión atmosférica.
¿Por qué el mercurio no descendió más?
El tubo no se vació porque el aire exterior presionaba sobre el mercurio de la
cubeta (en cambio, en la parte superior del tubo se produjo vacío). La presión
ejercida por la atmósfera en el punto Q es igual a la presión en R, ya que
ambos puntos están al mismo nivel en el mismo fluido. Es decir que la presión
que la columna de aire de casi 40 km de altura (la atmósfera) ejerce sobre la
superficie libre del mercurio (pQ) es igual a la que ejerce la columna de 76 cm
de mercurio (pa) , entonces:
Patm=
PHg hHg = 13,6 g/cm3 . 76cm = 1.033,6 g/cm2 = 101.293 N/m2 = 101.293 Pa
Este valor, que corresponde a la
presión atmosférica normal, se llama atmósfera (atm). También se acostumbra a
dar la presión atmosférica en milímetros de mercurio (Torr) o en milibares (1mb
= 0,75 Torr).
1
atm = 760 mm Hg = 760 Torr
Esta experiencia logró explicar por qué
había un límite de profundidad para extraer el agua de las minas: la atmósfera
no ejerce una presión ilimitada, sólo alcanza a sostener una determinada altura
de agua.
La presión atmosférica varía según la
altitud y también debido a los vientos y tormentas. Suele tomar valores entre
720 y 770 mm Hg. Una presión alta generalmente pronostica buen tiempo; y una
baja presión atmosférica promete lo contrario. El aparato que permite medirla
se llama barómetro.
Poco después de la experiencia de
Torricelli, Blaise Pascal predijo que la presión atmosférica debe disminuir
cuando se asciende por una montaña, ya que la columna de aire soportada es cada
vez menor. Su cuñado se encargó de hacer la experiencia y comprobar la
hipótesis en 1658. A medida que ascendía al monte Puy-de Dome observó el
descenso de la columna mercurial del barómetro (que desde entonces pudo ser
usado también como altímetro).
Pero, ¿cuál es la relación entre la
presión atmosférica y la altura? Si la densidad del aire fuera uniforme, la
presión disminuiría proporcionalmente con la altura. Podríamos afirmar, por
ejemplo, que “la presión disminuye 1 Torr por cada 11 metros que nos elevamos”.
Pero tengamos presente que las capas más bajas de la atmósfera están más
comprimidas por lo que, conforme subimos, el aire se va enrareciendo (se hace
menos denso). Por lo tanto, cuanto más alto estemos, más se necesitará subir
para que la presión disminuya 1 Torr.
El
peso total del aire en la atmósfera se ha estimado en unos 5.000 billones de
toneladas, que determinan una presión aproximada de 1,033 Kg. por centímetro
cuadrado a nivel del mar. La presión no se siente porque se ejerce igualmente
desde todos los ángulos sobre el cuerpo. Sin embargo, la presión del aire puede
demostrarse extrayendo todo el aire de un envase, de modo que se produzca el
vacío en su interior. Como la presión del aire exterior es más grande que la
interior el envase se contraerá y cederá. En la atmósfera la presión del aire
varía y se mide con barómetros.
Las variaciones son importantes para realizar pronósticos del tiempo, porque las
diferencias de presión se asocian con los CICLONES y los ANTICICLONES.
El cuerpo humano se adapta a la vida en un océano de aire del mismo modo que los peces se adaptan a las tremendas presiones del fondo del mar. Sin embargo, la presión atmosférica decrece sobre el nivel del mar. A 7.500 metros de altura la presión del aire es de 0,42 gramos por centímetro cuadrado, alrededor de dos quintas partes de la presión a la que está adaptado el cuerpo, y a los 18.000 metros la presión es sólo la de un décimo de la que se ejerce al nivel del mar. Cuando la presión del aire ha descendido mucho, el cuerpo no recibe oxígeno suficiente. De ahí que los aviones posean cabinas presurizadas, que hacen más cómodo el vuelo. La presión del aire es la fuerza utilizada en las BOMBAS. Comprimido, el aire llegó a ser una útil fuente de energía. Por ejemplo, el aire comprimido se usa en las herramientas naúticas.
El cuerpo humano se adapta a la vida en un océano de aire del mismo modo que los peces se adaptan a las tremendas presiones del fondo del mar. Sin embargo, la presión atmosférica decrece sobre el nivel del mar. A 7.500 metros de altura la presión del aire es de 0,42 gramos por centímetro cuadrado, alrededor de dos quintas partes de la presión a la que está adaptado el cuerpo, y a los 18.000 metros la presión es sólo la de un décimo de la que se ejerce al nivel del mar. Cuando la presión del aire ha descendido mucho, el cuerpo no recibe oxígeno suficiente. De ahí que los aviones posean cabinas presurizadas, que hacen más cómodo el vuelo. La presión del aire es la fuerza utilizada en las BOMBAS. Comprimido, el aire llegó a ser una útil fuente de energía. Por ejemplo, el aire comprimido se usa en las herramientas naúticas.
PARA SABER MAS…
Qué es el barómetro
El tubo de Torricelli aplicado a la medición de la presión atmosférica, forma ni más ni menos lo que se llama un barómetro, que significa precisamente “medidor del peso”; con el barómetro medimos, pues, el peso atmosférico. Cuando lo consultamos, nos contentamos con ver si la aguja marca buen tiempo o variable, e lo que sea en cada caso, como si el barómetro poseyera el don de la profecía; pero lo que hacemos en realidad, aunque apenas nos demos cuenta de ello, es medir la presión atmosférica, que se indica bajo aquellos signos. La aguja del barómetro indica la altura en milímetros de la columna de mercurio.
Qué es el barómetro
El tubo de Torricelli aplicado a la medición de la presión atmosférica, forma ni más ni menos lo que se llama un barómetro, que significa precisamente “medidor del peso”; con el barómetro medimos, pues, el peso atmosférico. Cuando lo consultamos, nos contentamos con ver si la aguja marca buen tiempo o variable, e lo que sea en cada caso, como si el barómetro poseyera el don de la profecía; pero lo que hacemos en realidad, aunque apenas nos demos cuenta de ello, es medir la presión atmosférica, que se indica bajo aquellos signos. La aguja del barómetro indica la altura en milímetros de la columna de mercurio.
La relación entre el barómetro y el
tiempo reside en el hecho de que la presión atmosférica es lo que decide, en
gran parte, el tiempo que hará. Si la presión atmosférica es muy alta, hará
buen tiempo; si es muy baja, entonces el aire correrá desde otro punto donde la
presión sea más fuerte; este desplazamiento del aire es el viento, y el viento
puede producir la lluvia.
He aquí por qué el barómetro predice
con bastante exactitud el tiempo; si no lo hace con mayor precisión, es porque
la presión atmosférica no es la única causa de su variación.
Por lo demás, si bien como profeta del
tiempo no siempre es digno de crédito, sus servicios para medir las alturas son
excelentes. Dado que obedece a la menor presión atmosférica, si se aplica el
barómetro a un instrumento de precisión especial, indicará con exactitud
matemática a qué altura se encuentran el alpinista o el aviador que se sirvan
de él.
Existe otro tipo de barómetro que no
tiene mercurio ni ningún otro líquido, llamado barómetro aneroide, que
significa precisamente “sin líquido”. Consiste en una sencilla caja de metal,
redonda y aplanada, dentro de la cual se ha hecho el vacío; la parte superior e
inferior de la caja se aproximan entre sí, más o menos, según sea la presión
atmosférica; un indicador de la medida de la presión, y aunque sus indicaciones
no sean muy precisas, son, en todo caso, suficientes.
Si calentamos un barómetro corriente de
los de mercurio, éste se dilatará, ocupando un mayor espacio en el tubo; por lo
tanto, si deseamos obtener indicaciones exactas, debemos tener en cuenta
también la temperatura. Por esto, a un buen barómetro va siempre unido un
termómetro. Para fabricar un buen barómetro, es necesario hacer hervir antes el
mercurio para librarlo al máximo del aire y del vapor acuoso; si se descuidase
esta precaución, el aire y el vapor de agua ocuparían el vacío de Torricelli
impidiendo el oportuno ascenso del mercurio.La
presión atmosférica se calcula en 1 kilo y 33 gramos por centímetro cuadrado;
por lo tanto, cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo soporta este peso, tan
considerable, que si sólo presionara hacia abajo nos aplastaría literalmente.
Viscosidad
La viscosidad se refiere a la resistencia de un líquido a fluir
(o, explicado de forma más sencilla, a la facilidad con la que se puede
verter). La viscosidad de una sustancia depende de la cantidad de fricción
entre sus capas. Más fricción implica más resistencia, una fluidez más lenta y
una viscosidad más elevada.
Temperatura
La
viscosidad de una sustancia puede cambiar drásticamente según su temperatura,
en tanto que la densidad permanece igual. En general, mientras más caliente es un líquido, menos viscoso se
vuelve.
Estado
de la materia
La
viscosidad es principalmente un término para definir líquidos o sólidos en su
estado líquido. La densidad puede referirse a un líquido, sólido o gas. La densidad de una
sustancia tiende a permanecer similar, sin importar su estado.
En el SI (Sistema Internacional de Unidades), la unidad física de viscosidad dinámica es el pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exactamente a
1 N·s/m² o 1 kg/(m·s).
La unidad cgs para la viscosidad dinámica es el poise (1 poise (P) ≡ 1g·(s·cm)−1 ≡ 1 dina·s·cm−2 ≡ 0,1 Pa·s), cuyo nombre homenajea al
fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). Se suele usar más su
submúltiplo el centipoise (cP). El centipoise es más usado
debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cP a 20 °C.
Viscosidad
cinemática[editar]
Se obtiene como cociente de la
viscosidad dinámica (o absoluta) y la densidad. La unidad en el SI es el
(m²/s). La unidad física de la viscosidad cinemática en el sistema
CGS es el stoke (abreviado
S o St), cuyo nombre proviene del físico irlandés George Gabriel Stokes (1819-1903). A veces se expresa en términos
de centistokes (cS o cSt).
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001
m²/s
1 cSt =
10-6 m2/s3
La principal es la tensión superficial.
Esta propiedad de los líquidos se debe a que cada molécula atrae a las que la rodean, en el interior del líquido estas fuerzas se contrarrestan. En cambio en la superficie las fuerzas de cada molécula no pueden ser totalmente canceladas, provocando una fuerza neta hacia el interior del líquido. Tensionando la superficie.
Esta propiedad de los líquidos se debe a que cada molécula atrae a las que la rodean, en el interior del líquido estas fuerzas se contrarrestan. En cambio en la superficie las fuerzas de cada molécula no pueden ser totalmente canceladas, provocando una fuerza neta hacia el interior del líquido. Tensionando la superficie.
El agua tiene una tensión
superficial particularmente alta, esto se debe a que sus fuerzas
intermoleculares son altas.
Las moléculas de la superficie tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido, dónde se encuentran más estables, por lo tanto el líquido trata de tener una superficie expuesta mínima. Esto se llama configuración de energía mínima, es la más estable.
Las moléculas de la superficie tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido, dónde se encuentran más estables, por lo tanto el líquido trata de tener una superficie expuesta mínima. Esto se llama configuración de energía mínima, es la más estable.
Existe la idea equivocada de que
el agua no tiene la tensión superficial necesaria para mantener una burbuja y
que el jabón la incrementa, pero de hecho el jabón disminuye la intensidad de
la tensión superficial -cerca de un tercio de la del agua pura. La tensión
superficial del agua pura es demasiado fuerte para que se formen burbujas
apreciables. Otro problema con el agua pura es la evaporación: la superficie
rápidamente se vuelve finita, explotando la burbuja.
¿Qué es una burbuja?
Una burbuja no es más que una película muy fina de agua jabonosa, cuya superficie esférica encierra un volumen de aire en su interior, a la vez que presenta un aspecto iridiscente.
Cuando inflamos una burbuja estamos jugando con nanotecnología, su membrana es imprescionantemente fina, si se pudiera agrandar una burbuja proporcionalmente al tamaño de nuestro planeta, su pared tendría sólo unos 10 metros de espesor.
Fuerzas
intermoleculares.
Las fuerzas del agua
El agua es una sustancia imprescindible para la vida, nosotros estamos formados por alrededor de un 65% de agua.
El agua presenta una fuerza intermolecular muy potente llamada puente de hidrógeno. Esto le da sus particulares propiedades, como su punto de ebullición alto o su alta capacidad solvente.
Cada molécula de agua está formada por un oxígeno unido a dos hidrógenos.
El núcleo del átomo de oxígeno tiene 8 protones, mientras que el hidrógeno sólo tiene 1 protón. El núcleo de oxígeno tiene una carga mayor que el núcleo de hidrógeno, eso le confiere mayor electronegatividad (capacidad para mantener cerca a electrones).
Los átomos en una molécula se mantienen unidos gracias a que sus electrones están compartidos, pero el átomo de oxígeno al tener una mayor electronegatividad que los átomos de hidrógeno atrae a los electrones durante más tiempo dejando a los átomos de hidrógenos descubiertos, o sea protones desnudos.
Esto genera una diferencia de carga en la molécula de agua, la transforma en un dipolo (algo similar a un imán)
El agua es una sustancia imprescindible para la vida, nosotros estamos formados por alrededor de un 65% de agua.
El agua presenta una fuerza intermolecular muy potente llamada puente de hidrógeno. Esto le da sus particulares propiedades, como su punto de ebullición alto o su alta capacidad solvente.
Cada molécula de agua está formada por un oxígeno unido a dos hidrógenos.
El núcleo del átomo de oxígeno tiene 8 protones, mientras que el hidrógeno sólo tiene 1 protón. El núcleo de oxígeno tiene una carga mayor que el núcleo de hidrógeno, eso le confiere mayor electronegatividad (capacidad para mantener cerca a electrones).
Los átomos en una molécula se mantienen unidos gracias a que sus electrones están compartidos, pero el átomo de oxígeno al tener una mayor electronegatividad que los átomos de hidrógeno atrae a los electrones durante más tiempo dejando a los átomos de hidrógenos descubiertos, o sea protones desnudos.
Esto genera una diferencia de carga en la molécula de agua, la transforma en un dipolo (algo similar a un imán)
Los átomos de oxígeno (rojo) tienen una carga parcial negativa, mientras los átomos de hidrógeno (amarillo) tienen una carga parcial positiva. Logrando así el puente de hidrógeno, la atracción y cohesión entre distintas moléculas.
Las fuerzas en los tensioactivos.
Un tensioactivo es una sustancia que disminuye la tensión superficial del agua, al hacerlo permite que el agua se meta en lugares más pequeños para limpiar mejor.
Su estructura molecular le da estas propiedades, estan formados por dos partes, una cabeza soluble en agua y una cola no soluble en agua.
La cabeza es hidrófila, tiene afinidad por el agua. Esto se debe a que es polar y puede ser atraída por las fuerzas "magnéticas" del agua. En cambio la cola (cadena de carbonos) no es polar, así que no puede disolverse en agua, se dice entonces que es hidrófoba.
Un tensioactivo al encontrarse con agua se organiza de tal forma que las cabezas hidrófilas se orientan hacia el agua dejando las colas hidrófobas en la otra dirección.
Esta configuración puede formar diversas estructuras.
Las fuerzas en la burbuja
La principal es la tensión superficial.
Esta propiedad de los líquidos se debe a que cada molécula atrae a las que la rodean, en el interior del líquido estas fuerzas se contrarrestan. En cambio en la superficie las fuerzas de cada molécula no pueden ser totalmente canceladas, provocando una fuerza neta hacia el interior del líquido. Tensionando la superficie.
El agua tiene una tensión
superficial particularmente alta, esto se debe a que sus fuerzas
intermoleculares son altas.
Las moléculas de la superficie tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido, dónde se encuentran más estables, por lo tanto el líquido trata de tener una superficie expuesta mínima. Esto se llama configuración de energía mínima, es la más estable.
Las moléculas de la superficie tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido, dónde se encuentran más estables, por lo tanto el líquido trata de tener una superficie expuesta mínima. Esto se llama configuración de energía mínima, es la más estable.
Existe la idea equivocada de que
el agua no tiene la tensión superficial necesaria para mantener una burbuja y
que el jabón la incrementa, pero de hecho el jabón disminuye la intensidad de
la tensión superficial -cerca de un tercio de la del agua pura. La tensión
superficial del agua pura es demasiado fuerte para que se formen burbujas
apreciables. Otro problema con el agua pura es la evaporación: la superficie
rápidamente se vuelve finita, explotando la burbuja. Al utilizar una solución de agua y un tensioactivo lo que se logra es bajar la tensión superficial del agua, las colas hidrófobas se orientan lejos del agua, encerrándola y no permitiendo que se forme el desequilibrio de fuerzas que tendrían si se encontraran en la superficie. Además impide que se evaporen dándole más durabilidad a la burbuja.
Lo que hace el tensioactivo es estabilizar la burbuja, impide que se formen zonas de muy poco espesor.
Esto ocurre mediante el efecto Marangoni: al estirarse la película de jabón, la concentración de jabón disminuye, lo que hace que aumente la tensión superficial, volviéndose a contraer. Así, el jabón refuerza selectivamente las partes más débiles de la pompa y evita que se estiren más.
Forma.
Su forma esférica también está causada por la tensión superficial. La tensión hace que la pompa forme una esfera porque la esfera tiene la menor área superficial para un volumen dado. Logrando exponer la menor cantidad de moléculas a la superficie.
|
Material
|
Tensión
Superficial |
|
23,70
|
|
|
28,85
|
|
|
26,95
|
|
|
23,9
|
|
|
22,75
|
|
|
17,01
|
|
|
18,43
|
|
|
22,61
|
|
|
28,5
|
|
|
Agua
|
72,75
|
