La presión (símbolo: p o P ) es la fuerza aplicada perpendicular a la superficie de un objeto por unidad de área sobre la cual se distribuye esa fuerza. [1] : 445 Presión manométrica (también escrita como presión manométrica ) [a] es la presión relativa a la presión ambiental.
Se utilizan varias unidades para expresar la presión. Algunos de ellos derivan de una unidad de fuerza dividida por una unidad de área; la unidad de presión del SI , el pascal (Pa), por ejemplo, es un newton por metro cuadrado (N/m 2 ); de manera similar, la libra fuerza por pulgada cuadrada ( psi , símbolo lbf/in 2 ) es la unidad tradicional de presión en los sistemas imperial y estadounidense . La presión también puede expresarse en términos de presión atmosférica estándar ; la atmósfera (atm) es igual a esta presión y el torr se define como 1 ⁄ 760 de esta. Las unidades manométricas como el centímetro de agua , el milímetro de mercurio y la pulgada de mercurio se utilizan para expresar presiones en términos de la altura de la columna de un fluido particular en un manómetro.
La presión es la cantidad de fuerza aplicada perpendicularmente a la superficie de un objeto por unidad de área. Su símbolo es "p" o P . [2] La recomendación de la IUPAC para la presión es una p minúscula . [3] Sin embargo, la P mayúscula se usa ampliamente. El uso de P vs p depende del campo en el que se trabaja, de la presencia cercana de otros símbolos para cantidades como potencia y momento , y del estilo de escritura.
Matemáticamente: [4]
La presión es una cantidad escalar . Relaciona el elemento vectorial área (un vector normal a la superficie) con la fuerza normal que actúa sobre él. La presión es la constante de proporcionalidad escalar que relaciona los dos vectores normales:
El signo menos surge de la convención de que la fuerza se considera hacia el elemento de superficie, mientras que el vector normal apunta hacia afuera. La ecuación tiene significado porque, para cualquier superficie S en contacto con el fluido, la fuerza total ejercida por el fluido sobre esa superficie es la integral de superficie sobre S del lado derecho de la ecuación anterior.
Es incorrecto (aunque bastante habitual) decir "la presión se dirige en tal o cual dirección". La presión, como escalar, no tiene dirección. La fuerza dada por la relación anterior con la cantidad tiene una dirección, pero la presión no. Si cambiamos la orientación del elemento de la superficie, la dirección de la fuerza normal cambia en consecuencia, pero la presión sigue siendo la misma. [ cita necesaria ]
La presión se distribuye a límites sólidos o a través de secciones arbitrarias de fluido normal a estos límites o secciones en cada punto. Es un parámetro fundamental en termodinámica y está conjugado al volumen . [5]
La unidad SI para presión es el pascal (Pa), igual a un newton por metro cuadrado (N/m 2 , o kg·m −1 ·s −2 ). Este nombre de la unidad se añadió en 1971; [6] antes de eso, la presión en el SI se expresaba simplemente en newtons por metro cuadrado.
Otras unidades de presión, como libras por pulgada cuadrada (lbf/in 2 ) y bar , también son de uso común. La unidad de presión CGS es la baria (Ba), igual a 1 dyn·cm −2 , o 0,1 Pa. La presión a veces se expresa en gramos-fuerza o kilogramos-fuerza por centímetro cuadrado (g/cm 2 o kg/cm 2 ) y similares sin identificar adecuadamente las unidades de fuerza. Pero el uso de los nombres kilogramo, gramo, kilogramo-fuerza o gramo-fuerza (o sus símbolos) como unidades de fuerza está expresamente prohibido en el SI. La atmósfera técnica (símbolo: at) es de 1 kgf/cm 2 (98,0665 kPa o 14,223 psi).
La presión está relacionada con la densidad de energía y puede expresarse en unidades como julios por metro cúbico (J/m 3 , que es igual a Pa). Matemáticamente:
Algunos meteorólogos prefieren el hectopascal (hPa) para la presión del aire atmosférico, que equivale a la antigua unidad milibar (mbar). Presiones similares se dan en kilopascales (kPa) en la mayoría de los demás campos, excepto en la aviación, donde se usa comúnmente el prefijo hecto-. La pulgada de mercurio todavía se utiliza en los Estados Unidos. Los oceanógrafos suelen medir la presión bajo el agua en decibares (dbar) porque la presión en el océano aumenta aproximadamente un decibar por metro de profundidad.
La atmósfera estándar (atm) es una constante establecida. Es aproximadamente igual a la presión atmosférica típica al nivel medio del mar en la Tierra y se define como101 325 Pa .
Debido a que la presión comúnmente se mide por su capacidad para desplazar una columna de líquido en un manómetro , las presiones a menudo se expresan como la profundidad de un fluido en particular (p. ej., centímetros de agua , milímetros de mercurio o pulgadas de mercurio ). Las opciones más comunes son el mercurio (Hg) y el agua; el agua no es tóxica y está fácilmente disponible, mientras que la alta densidad del mercurio permite utilizar una columna más corta (y, por tanto, un manómetro más pequeño) para medir una presión determinada. La presión ejercida por una columna de líquido de altura h y densidad ρ viene dada por la ecuación de presión hidrostática p = ρgh , donde g es la aceleración gravitacional . La densidad del fluido y la gravedad local pueden variar de una lectura a otra dependiendo de factores locales, por lo que la altura de una columna de fluido no define la presión con precisión.
Cuando hoy se citan milímetros de mercurio (o pulgadas de mercurio), estas unidades no se basan en una columna física de mercurio; más bien, se les han dado definiciones precisas que pueden expresarse en términos de unidades SI. [7] Un milímetro de mercurio equivale aproximadamente a un torr . Las unidades basadas en agua todavía dependen de la densidad del agua, una cantidad medida, más que definida. Estas unidades manométricas todavía se encuentran en muchos campos. La presión arterial se mide en milímetros (o centímetros) de mercurio en la mayor parte del mundo, y la presión pulmonar en centímetros de agua sigue siendo común. [ cita necesaria ]
Los buceadores submarinos utilizan las unidades de presión del metro de agua de mar (msw o MSW) y del pie de agua de mar (fsw o FSW), y estas son las unidades de los manómetros que se utilizan para medir la exposición a la presión en cámaras de buceo y computadoras personales de descompresión . Un msw se define como 0,1 bar (= 10.000 Pa), no es lo mismo que un metro lineal de profundidad. 33,066 fsw = 1 atm [ cita necesaria ] (1 atm = 101.325 Pa / 33,066 = 3.064,326 Pa). La conversión de presión de msw a fsw es diferente de la conversión de longitud: 10 msw = 32,6336 fsw, mientras que 10 m = 32,8083 pies. [ cita necesaria ]
La presión manométrica a menudo se indica en unidades con "g" adjunta, por ejemplo, "kPag", "barg" o "psig", y las unidades para medir la presión absoluta a veces reciben el sufijo "a", para evitar confusiones, por ejemplo " kPaa", "psia". Sin embargo, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU . recomienda que, para evitar confusión, cualquier modificador se aplique a la cantidad que se mide en lugar de a la unidad de medida. [8] Por ejemplo, " p g = 100 psi" en lugar de " p = 100 psig" .
La presión diferencial se expresa en unidades con "d" adjunta; Este tipo de medición es útil al considerar el rendimiento del sellado o si una válvula se abrirá o cerrará.
Las unidades de presión populares actualmente o anteriormente incluyen las siguientes:
Como ejemplo de presiones variables, se puede presionar un dedo contra una pared sin causar ninguna impresión duradera; sin embargo, el mismo dedo empujando una chincheta puede dañar fácilmente la pared. Aunque la fuerza aplicada a la superficie es la misma, la chincheta aplica más presión porque el punto concentra esa fuerza en un área más pequeña. La presión se transmite a límites sólidos o a través de secciones arbitrarias de fluido normal a estos límites o secciones en cada punto. A diferencia del estrés , la presión se define como una cantidad escalar . El gradiente negativo de presión se llama densidad de fuerza . [9]
Otro ejemplo es un cuchillo. Si se utiliza el borde plano, la fuerza se distribuye sobre una superficie más grande, lo que genera menos presión y no cortará. Mientras que el uso del borde afilado, que tiene menos superficie, genera una mayor presión y, por lo tanto, el cuchillo corta suavemente. Este es un ejemplo de una aplicación práctica de la presión [10]
En el caso de los gases, la presión a veces no se mide como presión absoluta , sino relativa a la presión atmosférica ; Estas mediciones se denominan presión manométrica . Un ejemplo de esto es la presión del aire en un neumático de automóvil , que podría decirse que es "220 kPa (32 psi)", pero en realidad está 220 kPa (32 psi) por encima de la presión atmosférica. Dado que la presión atmosférica al nivel del mar es de aproximadamente 100 kPa (14,7 psi), la presión absoluta en el neumático es de aproximadamente 320 kPa (46 psi). En trabajos técnicos, esto se escribe "una presión manométrica de 220 kPa (32 psi)".
Cuando el espacio es limitado, como en manómetros , placas de identificación , etiquetas de gráficos y encabezados de tablas, se permite el uso de un modificador entre paréntesis, como "kPa (manométrico)" o "kPa (absoluto)". En trabajos técnicos ajenos al SI , una presión manométrica de 32 psi (220 kPa) a veces se escribe como "32 psig" y una presión absoluta como "32 psia", aunque los otros métodos explicados anteriormente que evitan adjuntar caracteres a la unidad de Se prefiere la presión. [8]
La presión manométrica es la medida de presión relevante siempre que uno esté interesado en la tensión en los recipientes de almacenamiento y los componentes de plomería de los sistemas de fluidos. Sin embargo, siempre que se deban calcular propiedades de ecuación de estado, como densidades o cambios en densidades, las presiones deben expresarse en términos de sus valores absolutos. Por ejemplo, si la presión atmosférica es de 100 kPa (15 psi), un gas (como el helio) a 200 kPa (29 psi) (manométrico) (300 kPa o 44 psi [absoluto]) es un 50 % más denso que el mismo gas. a 100 kPa (15 psi) (manométrico) (200 kPa o 29 psi [absoluto]). Centrándonos en los valores de calibre, se podría concluir erróneamente que la primera muestra tenía el doble de densidad que la segunda. [ cita necesaria ]
En un gas estático , el gas en su conjunto no parece moverse. Sin embargo, las moléculas individuales del gas están en constante movimiento aleatorio . Como hay un número extremadamente grande de moléculas y como el movimiento de las moléculas individuales es aleatorio en todas direcciones, no se detecta ningún movimiento. Cuando el gas está al menos parcialmente confinado (es decir, no libre para expandirse rápidamente), el gas exhibirá una presión hidrostática. Este confinamiento se puede lograr con un contenedor físico de algún tipo o en un pozo gravitacional como un planeta, también conocido como presión atmosférica .
En el caso de las atmósferas planetarias , la fuerza del gradiente de presión del gas que empuja hacia afuera desde presiones más altas, altitudes más bajas hacia presiones más bajas y altitudes más altas se equilibra con la fuerza gravitacional , evitando que el gas se difunda en el espacio exterior y manteniendo el equilibrio hidrostático .
En un recipiente físico, la presión del gas se origina cuando las moléculas chocan con las paredes del recipiente. Las paredes del recipiente pueden estar en cualquier lugar dentro del gas y la fuerza por unidad de área (la presión) es la misma. Si el "contenedor" se reduce a un punto muy pequeño (lo que se vuelve menos cierto a medida que se acerca a la escala atómica), la presión seguirá teniendo un valor único en ese punto. Por tanto, la presión es una cantidad escalar, no una cantidad vectorial. Tiene magnitud pero ningún sentido de dirección asociado. La fuerza de presión actúa en todas direcciones en un punto dentro de un gas. En la superficie de un gas, la fuerza de presión actúa perpendicular (en ángulo recto) a la superficie. [ cita necesaria ]
Una cantidad estrechamente relacionada es el tensor de tensión σ , que relaciona la fuerza vectorial con el área vectorial mediante la relación lineal .
Este tensor se puede expresar como la suma del tensor de tensión viscosa menos la presión hidrostática. El negativo del tensor de tensión a veces se denomina tensor de presión, pero en lo sucesivo, el término "presión" se referirá únicamente a la presión escalar. [ cita necesaria ]
Según la teoría de la relatividad general , la presión aumenta la fuerza de un campo gravitacional (ver tensor de tensión-energía ) y, por lo tanto, aumenta la causa masa-energía de la gravedad . Este efecto es imperceptible a presiones cotidianas pero es significativo en las estrellas de neutrones , aunque no ha sido probado experimentalmente. [11]
La presión de un fluido suele ser la tensión de compresión en algún punto dentro de un fluido . (El término fluido se refiere tanto a líquidos como a gases; para obtener más información específicamente sobre la presión del líquido, consulte la sección siguiente).
La presión del fluido ocurre en una de dos situaciones:
La presión en condiciones abiertas generalmente puede aproximarse a la presión en condiciones "estáticas" o sin movimiento (incluso en el océano donde hay olas y corrientes), porque los movimientos crean sólo cambios insignificantes en la presión. Tales condiciones se ajustan a los principios de la estática de fluidos . La presión en cualquier punto dado de un fluido (estático) que no se mueve se llama presión hidrostática .
Los cuerpos cerrados de fluido son "estáticos", cuando el fluido no se mueve, o "dinámicos", cuando el fluido puede moverse como en una tubería o comprimiendo un espacio de aire en un recipiente cerrado. La presión en condiciones cerradas se ajusta a los principios de la dinámica de fluidos .
Los conceptos de presión de fluidos se atribuyen predominantemente a los descubrimientos de Blaise Pascal y Daniel Bernoulli . La ecuación de Bernoulli se puede utilizar en casi cualquier situación para determinar la presión en cualquier punto de un fluido. La ecuación hace algunas suposiciones sobre el fluido, como que el fluido es ideal [12] e incompresible. [12] Un fluido ideal es un fluido en el que no hay fricción, es poco viscoso [12] ( viscosidad cero ). [12] La ecuación para todos los puntos de un sistema lleno de un fluido de densidad constante es [13]
dónde:
Las presiones de explosión o deflagración son el resultado de la ignición de gases explosivos , nieblas, suspensiones de polvo/aire, en espacios confinados y no confinados.
Si bien las presiones son, en general, positivas, existen varias situaciones en las que se pueden encontrar presiones negativas:
La presión de estancamiento es la presión que ejerce un fluido cuando se ve obligado a dejar de moverse. En consecuencia, aunque un fluido que se mueve a mayor velocidad tendrá una presión estática más baja , puede tener una presión de estancamiento más alta cuando se le obliga a detenerse. La presión estática y la presión de estancamiento están relacionadas por:
La presión de un fluido en movimiento se puede medir utilizando un tubo de Pitot , o una de sus variaciones, como una sonda Kiel o una sonda Cobra , conectada a un manómetro . Dependiendo de dónde estén ubicados los orificios de entrada en la sonda, puede medir presiones estáticas o presiones de estancamiento.
Existe un análogo bidimensional de la presión: la fuerza lateral por unidad de longitud aplicada sobre una línea perpendicular a la fuerza.
La presión superficial se denota por π:
La tensión superficial es otro ejemplo de presión superficial, pero con signo invertido, porque "tensión" es lo opuesto a "presión".
En un gas ideal , las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales , la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen:
Los gases reales exhiben una dependencia más compleja de las variables de estado. [18]
La presión de vapor es la presión de un vapor en equilibrio termodinámico con sus fases condensadas en un sistema cerrado. Todos los líquidos y sólidos tienen tendencia a evaporarse a forma gaseosa, y todos los gases tienen tendencia a condensarse nuevamente a su forma líquida o sólida.
El punto de ebullición a presión atmosférica de un líquido (también conocido como punto de ebullición normal ) es la temperatura a la que la presión de vapor es igual a la presión atmosférica ambiental. Con cualquier aumento incremental de esa temperatura, la presión de vapor se vuelve suficiente para superar la presión atmosférica y elevar el líquido para formar burbujas de vapor dentro de la mayor parte de la sustancia. La formación de burbujas a mayor profundidad en el líquido requiere una presión más alta y, por lo tanto, una temperatura más alta, porque la presión del fluido aumenta por encima de la presión atmosférica a medida que aumenta la profundidad.
La presión de vapor que un solo componente de una mezcla aporta a la presión total del sistema se llama presión de vapor parcial .
Cuando una persona nada bajo el agua, se siente la presión del agua que actúa sobre los tímpanos de la persona. Cuanto más profundo nade esa persona, mayor será la presión. La presión que se siente se debe al peso del agua sobre la persona. A medida que alguien nada más profundo, hay más agua encima de la persona y por lo tanto mayor presión. La presión que ejerce un líquido depende de su profundidad.
La presión del líquido también depende de la densidad del líquido. Si alguien estuviera sumergido en un líquido más denso que el agua, la presión sería correspondientemente mayor. Así, podemos decir que la profundidad, la densidad y la presión del líquido son directamente proporcionales. La presión debida a un líquido en columnas de líquido de densidad constante o a una profundidad dentro de una sustancia está representada por la siguiente fórmula:
Otra forma de decir la misma fórmula es la siguiente:
La presión que ejerce un líquido contra los lados y el fondo de un recipiente depende de la densidad y la profundidad del líquido. Si se desprecia la presión atmosférica, la presión del líquido contra el fondo es dos veces mayor al doble de profundidad; a tres veces la profundidad, la presión del líquido es tres veces mayor; etc. O, si el líquido es dos o tres veces más denso, la presión del líquido es correspondientemente dos o tres veces mayor para cualquier profundidad dada. Los líquidos son prácticamente incompresibles, es decir, su volumen difícilmente puede modificarse mediante la presión (el volumen del agua disminuye sólo 50 millonésimas de su volumen original por cada aumento de presión atmosférica). Así, salvo pequeños cambios producidos por la temperatura, la densidad de un líquido concreto es prácticamente la misma en todas las profundidades.
La presión atmosférica que ejerce presión sobre la superficie de un líquido debe tenerse en cuenta al intentar descubrir la presión total que actúa sobre un líquido. Entonces, la presión total de un líquido es ρgh más la presión de la atmósfera. Cuando esta distinción es importante, se utiliza el término presión total . De lo contrario, las discusiones sobre la presión del líquido se refieren a la presión sin tener en cuenta la presión atmosférica normalmente siempre presente.
La presión no depende de la cantidad de líquido presente. El volumen no es el factor importante, sino la profundidad. La presión media del agua que actúa contra una presa depende de la profundidad media del agua y no del volumen de agua retenida. Por ejemplo, un lago ancho pero poco profundo con una profundidad de 3 m (10 pies) ejerce sólo la mitad de la presión promedio que ejerce un estanque pequeño de 6 m (20 pies) de profundidad. (La fuerza total aplicada a la presa más larga será mayor, debido a la mayor superficie total sobre la que actuará la presión. Pero para una sección determinada de 1,5 m (5 pies) de ancho de cada presa, los 3,0 m (10 pies) m) en aguas profundas se aplicará un cuarto de la fuerza que se aplica a 20 pies (6,1 m) en aguas profundas). Una persona sentirá la misma presión ya sea que su cabeza esté sumergida a un metro bajo la superficie del agua en una pequeña piscina o a la misma profundidad en medio de un gran lago.
Si cuatro vasos interconectados contienen diferentes cantidades de agua pero están llenos a la misma profundidad, entonces un pez con la cabeza sumergida a unos pocos centímetros bajo la superficie sufrirá la misma presión del agua en cualquiera de los vasos. Si el pez nada unos centímetros más profundo, la presión sobre el pez aumentará con la profundidad y será la misma sin importar en qué recipiente se encuentre el pez. Si el pez nada hasta el fondo, la presión será mayor, pero no hay diferencia. en qué jarrón está. Todos los jarrones se llenan a la misma profundidad, por lo que la presión del agua es la misma en el fondo de cada jarrón, independientemente de su forma o volumen. Si la presión del agua en el fondo de un jarrón fuera mayor que la presión del agua en el fondo de un jarrón vecino, la mayor presión forzaría el agua hacia los lados y luego subiría por el jarrón más estrecho a un nivel más alto hasta que las presiones en el fondo se igualaran. La presión depende de la profundidad, no del volumen, por lo que hay una razón por la que el agua busca su propio nivel.
Reformulando esto como una ecuación de energía, la energía por unidad de volumen en un líquido ideal e incompresible es constante en todo su recipiente. En la superficie, la energía potencial gravitacional es grande pero la energía de presión del líquido es baja. En el fondo del recipiente, toda la energía potencial gravitacional se convierte en energía de presión. La suma de la energía de presión y la energía potencial gravitacional por unidad de volumen es constante en todo el volumen del fluido y los dos componentes de energía cambian linealmente con la profundidad. [19] Matemáticamente, se describe mediante la ecuación de Bernoulli , donde la carga de velocidad es cero y las comparaciones por unidad de volumen en el recipiente son
Los términos tienen el mismo significado que en la sección Presión del fluido.
Un hecho determinado experimentalmente sobre la presión del líquido es que se ejerce igualmente en todas las direcciones. [20] Si alguien se sumerge en agua, no importa en qué dirección incline la cabeza, sentirá la misma cantidad de presión de agua en sus oídos. Como un líquido puede fluir, esta presión no es sólo hacia abajo. Se ve que la presión actúa lateralmente cuando el agua sale a borbotones de una fuga en el costado de una lata vertical. La presión también actúa hacia arriba, como se demuestra cuando alguien intenta empujar una pelota de playa debajo de la superficie del agua. El fondo de un barco es empujado hacia arriba por la presión del agua ( flotabilidad ).
Cuando un líquido presiona contra una superficie, hay una fuerza neta que es perpendicular a la superficie. Aunque la presión no tiene una dirección específica, la fuerza sí. En un bloque triangular sumergido, el agua es forzada contra cada punto desde muchas direcciones, pero los componentes de la fuerza que no son perpendiculares a la superficie se cancelan entre sí, dejando solo un punto neto perpendicular. [20] Esta es la razón por la que el agua que sale a borbotones de un agujero en un balde inicialmente sale del balde en una dirección perpendicular a la superficie del balde en la que se encuentra el agujero. Luego se curva hacia abajo debido a la gravedad. Si hay tres agujeros en un cubo (superior, inferior y medio), entonces los vectores de fuerza perpendiculares a la superficie interior del recipiente aumentarán al aumentar la profundidad; es decir, una mayor presión en el fondo hace que el agujero inferior dispara agua lo más lejos posible. La fuerza ejercida por un fluido sobre una superficie lisa siempre es perpendicular a la superficie. La velocidad del líquido que sale del agujero es , donde h es la profundidad debajo de la superficie libre. [20] Esta es la misma velocidad que tendría el agua (o cualquier otra cosa) si cayera libremente la misma distancia vertical h .
La presión en sí no es una fuerza, aunque a veces hablamos "informalmente" de la "fuerza que ejerce la presión". La afirmación correcta es que el fluido ejerce una fuerza sobre una superficie. Además, la presión es un escalar, no un vector.
Ver Tabla 1 Conjugar pares de variables... (p.1357)
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)