Presión
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- Describir la importancia (y las aplicaciones) de medir la presión
¿Qué es la Presión?
La presión se define como fuerza/área. Por ejemplo, la presión de la nieve sobre un techo sería el peso de la nieve dividido por el área del techo. En química, generalmente la presión proviene de los gases. Cuando haces estallar un globo, pones gas en su interior. Las moléculas de gas chocan entre sí y en las paredes del globo. Aunque la fuerza de cada molécula que golpea el globo es muy pequeña, cuando pones suficiente aire, todas las colisiones se suman y hacen que el globo se estire y se haga más grande.
La ausencia de presión se llama vacío. Durante cientos de años, la gente pensó que las aspiradoras eran imposibles y antinaturales: “la naturaleza aborrece un vacío”. Esto en realidad no es cierto. Los mineros habían notado que solo podían bombear agua unos 10 m por una tubería; el vacío en la parte superior de la bomba no era lo suficientemente fuerte como para elevar el agua más alto. En 1641, Berti intentó un experimento. Construyó una pipa gigante de unos 13 m de altura junto a su casa y la llenó de agua. Se selló la parte superior del tubo. El fondo estaba en un cubo grande. El hizo un agujero en la parte inferior para que el agua pudiera fluir fuera del tubo hacia el cubo. El agua fluyó hacia abajo hasta que la columna de agua tenía aproximadamente 10.3 m de altura. Entonces se detuvo.
Torricelli, más tarde compañero de Galileo, experimentó más. Notó que una columna de mercurio (similar a la columna de agua en el experimento de Berti) tendrá 760 mm de altura. El agua tiene una densidad de 1 g/mL, mientras que el mercurio tiene una densidad de 13.5 g/mL. 10.3 m/13.5 = 763 mm. De esto concluyó que la columna de líquido se sostiene no por tracción del vacío de arriba sino por empuje del peso del aire (la atmósfera) sobre la superficie abierta de la cubeta. El peso de la columna de mercurio, la columna de agua y la columna de aire fueron los mismos. Tradicionalmente, la presión se midió usando un barómetro, que originalmente era solo un tubo con una columna de líquido. Cuanto mayor sea la altura del líquido, mayor será la presión externa. Los barómetros se pueden utilizar para medir la presión, que se puede utilizar para predecir el clima. A menudo baja presión significa que viene lluvia o tormenta.
¿Cómo Medimos la Presión?
Podemos usar una columna de líquido, u otros métodos. Uno consiste en un pequeño recipiente flexible con un vacío en su interior, impedido de colapsar por resortes. Se expande o se contrae dependiendo de la presión, y esto se puede medir. Ahora también hay barómetros eléctricos aún más pequeños, más simples.
¿Qué Unidades debemos usar?
¡Hay un número loco de unidades para la presión! Una unidad tradicional es el torr o mmHg. Esto solo significa la altura de una columna de mercurio. La presión atmosférica es de aproximadamente 760 torr o mmHg, como se discutió anteriormente. También podría verse mmH 2 O, que usa el mismo concepto, pero en este caso debido a que el agua es menos densa que el mercurio, la presión atmosférica es de aproximadamente 10.3 mH 2 O.
También hay algunas unidades más modernas. En SI, utilizamos Pascales: 1 Pa = N/m 2. A menudo es más conveniente usar barra: 1 bar = 10 5 Pa. Otra unidad que quizás hayas usado antes es la atmósfera: 1 atm = 1.01325 bar = 760 torr. El atm está cerca de la presión atmosférica promedio.
Cuando usas unidades de presión, debido a que hay muchas de ellas, debes tener mucho cuidado al revisar tus unidades y asegurarte de que cancelen correctamente (consulta Análisis Dimensional para más información). Si estás usando unidades SI en el resto de tu cálculo (como fuerzas en N, masa en kg, etc) tu presión probablemente saldrá en Pa.
¿Cómo Controlamos la Presión?
Muchas veces queremos controlar las presiones, haciéndolas más altas o más bajas que la presión atmosférica. Por ejemplo, en la industria química, muchas reacciones se realizan a altas presiones. En el laboratorio, podríamos usar baja presión para extraer un líquido a través de un filtro o evaporar un solvente. También podemos usar técnicas de vacío para hacer química “libre de aire”, si queremos estudiar moléculas que reaccionan con agua o aire, eliminando todo el aire de nuestros contenedores antes de agregar los químicos. Muchos instrumentos importantes utilizados en física y química, como los microscopios electrónicos, solo funcionan al vacío.
Para hacer una aspiradora, generalmente usamos una bomba para eliminar el aire. No podemos hacer un vacío perfecto que no tenga moléculas de gas, pero podemos reducir el número de moléculas a niveles bastante bajos. Para obtener un vacío ultra alto, o incluso solo un alto vacío, podríamos usar 2 o más tipos diferentes de bombas. Algunas bombas funcionan expandiendo repetidamente un volumen, de modo que el gas se expande hacia el espacio más grande, luego se separa del área que se está evacuando. (Ver algunas imágenes en Wikipedia.) O podríamos absorber las moléculas de gas sobre una superficie para eliminarlas del espacio que se está evacuando. Las aspiradoras normales que se usan en los hogares podrían estar a 0.2 atm, mientras que la aspiradora ultraalta en un laboratorio podría ser de 100 nPa.
Para hacer presiones muy altas, los científicos a veces usan yunques diamantados. Por ejemplo, los geoquímicos que estudian cómo se forman las rocas podrían poner un poco de agua y polvo mineral entre las puntas de dos diamantes pequeños y puntiagudos (tal como se puede ver en un anillo de compromiso). Luego juntan los diamantes, y la fuerza se concentra solo en las diminutas puntas de los diamantes, por lo que la presión es enorme, como 3 millones de atm. Y porque los diamantes son claros, ¡los científicos pueden ver lo que sucede justo a través del diamante!
Figura 3: Sección transversal de una Celda de Yunque de Diamante. Se incluyen las siguientes cosas: Los dos diamantes entre los que se crea la presión. La muestra. Un rubí que generalmente se usa como indicador de presión. La Junta que sella la cámara de muestra La carcasa con los tornillos. El apriete de los tornillos mueve las carcasas y el diamante más cerca entre sí y genera presión. La placa de respaldo que sostiene el diamante en su lugar. Rayos electromagnéticos que pasan a través de la cámara de muestra para permitir mediciones. (CC-SA-BY-3.0; Tobias1984)
Colaboradores y Atribuciones
Emily V Eames (City College of San Francisco)