6.1: Presión y Temperatura

Cuando calentamos un objeto, aceleramos el movimiento aleatorio increíblemente complejo de sus moléculas. Un método para domar la complejidad son las leyes de conservación, ya que nos dicen que ciertas cosas deben permanecer constantes independientemente del proceso que se esté llevando a cabo. En efecto, la ley de conservación de la energía también se conoce como la primera ley de la termodinámica.

Pero como se aludió en la introducción a este capítulo, la conservación de la energía por sí misma no es lo suficientemente poderosa como para explicar ciertos hechos empíricos sobre el calor. Una segunda forma de evitar la complejidad del calor es ignorar la naturaleza atómica del calor y concentrarse en cantidades como la temperatura y la presión que nos hablan de las propiedades de un sistema en su conjunto. Este enfoque se denomina macroscópico en contraste con el método microscópico de ataque. La presión y la temperatura se entendieron bastante bien en la era de Newton y Galileo, cientos de años antes había alguna evidencia firme de que incluso existían átomos y moléculas.

A diferencia de las cantidades conservadas como la masa, la energía, el momento y el momento angular, ni la presión ni la temperatura son aditivas. Dos tazas de café tienen el doble de energía térmica que una sola taza, pero no tienen el doble de temperatura. De igual manera, la dolorosa presión sobre sus tímpanos en el fondo de una piscina no se ve afectada si inserta o quita una partición entre las dos mitades de la piscina.

Nos limitamos a una discusión sobre la presión en fluidos en reposo y en equilibrio. En física, el término “fluido” se usa para significar ya sea un gas o un líquido. La característica importante de un fluido se puede demostrar comparando con un cubo de jello en un plato. La jello es un sólido. Si sacudes el plato de lado a lado, la jello responderá cortando, es decir, inclinando sus lados, pero tenderá a volver a su forma original. Un sólido puede sostener fuerzas de cizallamiento, pero un fluido no puede. Un fluido no resiste un cambio de forma a menos que implique un cambio de volumen.

5.1.1 Presión

Si estás en el fondo de una piscina, no puedes aliviar el dolor en tus oídos girando la cabeza. La fuerza del agua sobre tu tímpano es siempre la misma, y siempre es perpendicular a la superficie donde el tímpano entra en contacto con el agua. Si tu oreja está en el lado este de tu cabeza, la fuerza del agua es hacia el oeste. Si mantienes la oreja en el mismo lugar mientras te das la vuelta para que tu oreja esté en el norte, la fuerza seguirá siendo la misma en magnitud, y cambiará su dirección para que siga siendo perpendicular al tímpano: sur. Esto demuestra que la presión no tiene dirección en el espacio, es decir, es un escalar. La dirección de la fuerza está determinada por la orientación de la superficie sobre la que actúa la presión, no por la presión misma. Un fluido que fluye sobre una superficie también puede ejercer fuerzas de fricción, que son paralelas a la superficie, pero la presente discusión se restringe a los fluidos en reposo.

Los experimentos también muestran que la fuerza de un fluido sobre una superficie es proporcional a la superficie. La vasta fuerza del agua detrás de una presa, por ejemplo, en proporción a la gran superficie de la presa. (El fondo de la presa experimenta una mayor proporción de su fuerza.)

Con base en estos resultados experimentales, parece que la manera útil de definir la presión es la siguiente. La presión de un fluido en un punto dado se define como\(F_\perp/A\), donde\(A\) está el área de una pequeña superficie insertada en el fluido en ese punto, y\(F_\perp\) es el componente de la fuerza del fluido sobre la superficie que es perpendicular a la superficie. (En el caso de un fluido en movimiento, las fuerzas de fricción del fluido pueden actuar paralelas a la superficie, pero solo estamos tratando con fluidos estacionarios, por lo que solo hay un\(F_\perp\).)

Así es esencialmente como funciona un manómetro. La razón por la que la superficie debe ser pequeña es para que no haya ninguna diferencia significativa de presión entre una parte de ella y otra parte. Las unidades de presión SI son evidentemente\(\text{N}/\text{m}^2\), y esta combinación se puede abreviar como el pascal, 1 Pa=1\(\text{N}/\text{m}^2\). El pascal resulta ser una unidad inconvenientemente pequeña, por lo que las llantas de los automóviles, por ejemplo, normalmente tienen presiones impresas en ellas en unidades de kilopascales.

a / A simple pressure gauge consists of a cylinder open at one end, with a piston and a spring inside. The depth to which the spring is depressed is a measure of the pressure. To determine the absolute pressure, the air needs to be pumped out of the interior of the gauge, so that there is no air pressure acting outward on the piston. In many practical gauges, the back of the piston is open to the atmosphere, so the pressure the gauge registers equals the pressure of the fluid minus the pressure of the atmosphere.

Example 1: Pressure in U.S. units
In U.S. units, the unit of force is the pound, and the unit of distance is the inch. The unit of pressure is therefore pounds per square inch, or p.s.i. (Note that the pound is not a unit of mass.)

Example 2: Atmospheric pressure in U.S. and metric units
\(\triangleright\) A figure that many people in the U.S. remember is that atmospheric pressure is about 15 pounds per square inch. What is this in metric units? \(\triangleright\) \[\begin{align*} (\text{15 lb})/(\text{1 in}^2) &= \frac{68\ \text{N}}{(0.0254\ \text{m})^2}\\ &= 1.0\times10^5\ \text{N}/\text{m}^2 \\ &= 100\ \text{kPa} \end{align*}\]

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