La presión (símbolo: p o P ) es la fuerza aplicada perpendicularmente a la superficie de un objeto por unidad de área sobre la cual se distribuye esa fuerza. [1] : 445 La presión manométrica (también escrita presión manométrica ) [a] es la presión relativa a la presión ambiental.
Se utilizan varias unidades para expresar la presión. Algunas de ellas 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 unidad 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 uno esté trabajando, de la presencia cercana de otros símbolos para cantidades como potencia y momento , y del estilo de escritura.
Matemáticamente: [4] donde:
La presión es una magnitud escalar . Relaciona el elemento de área del vector (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 proviene 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 en el sentido de que, 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 está dirigida 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 superficie, la dirección de la fuerza normal cambia en consecuencia, pero la presión permanece igual. [ cita requerida ]
La presión se distribuye entre los límites sólidos o a través de secciones arbitrarias de fluido normales a estos límites o secciones en cada punto. Es un parámetro fundamental en termodinámica y es conjugado con el volumen . [5]
La unidad de presión del SI es el pascal (Pa), que equivale a un newton por metro cuadrado (N/m 2 , o kg·m −1 ·s −2 ). Este nombre para la unidad se añadió en 1971; [6] antes de eso, la presión en el SI se expresaba en newtons por metro cuadrado.
Otras unidades de presión, como las libras por pulgada cuadrada (lbf/in 2 ) y el bar , también son de uso común. La unidad de presión del 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 en desuso en el SI. La atmósfera técnica (símbolo: at) es 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/m3 , que es igual a Pa). Matemáticamente:
Algunos meteorólogos prefieren el hectopascal (hPa) para la presión atmosférica, que es equivalente a la antigua unidad milibar (mbar). En la mayoría de los demás campos se dan presiones similares en kilopascales (kPa), excepto en la aviación, donde se utiliza comúnmente el prefijo hecto-. La pulgada de mercurio todavía se utiliza en los Estados Unidos. Los oceanógrafos suelen medir la presión submarina en decíbares (dbar) porque la presión en el océano aumenta aproximadamente un decíbar 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 se mide comúnmente por su capacidad para desplazar una columna de líquido en un manómetro , las presiones a menudo se expresan como una profundidad de un fluido particular (por ejemplo, centímetros de agua , milímetros de mercurio o pulgadas de mercurio ). Las opciones más comunes son mercurio (Hg) y agua; el agua no es tóxica y está fácilmente disponible, mientras que la alta densidad del mercurio permite que se use una columna más corta (y, por lo tanto, un manómetro más pequeño) para medir una presión dada. La presión ejercida por una columna de líquido de altura h y densidad ρ está 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 expresan los 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 del SI. [7] Un milímetro de mercurio es aproximadamente igual 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 las presiones pulmonares en centímetros de agua todavía son comunes. [ cita requerida ]
Los buceadores utilizan las unidades de presión de metro de agua de mar (MSW o MSW) y 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 las cámaras de buceo y en los ordenadores 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 requerida ] (1 atm = 101 325 Pa / 33,066 = 3064,326 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 ft. [ cita requerida ]
La presión manométrica se expresa a menudo en unidades con la "g" añadida, por ejemplo, "kPag", "barg" o "psig", y las unidades para mediciones de 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 los EE. UU. recomienda que, para evitar confusiones, los modificadores se apliquen 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 una "d" agregada; este tipo de medición es útil cuando se considera el rendimiento del sellado o si una válvula se abrirá o cerrará.
Las unidades de presión populares en la actualidad o en el pasado incluyen las siguientes:
Como ejemplo de presiones variables, un dedo puede presionarse contra una pared sin dejar ninguna impresión duradera; sin embargo, el mismo dedo que empuja una chincheta puede dañar fácilmente la pared. Aunque la fuerza aplicada a la superficie es la misma, la chincheta aplica más presión porque la punta concentra esa fuerza en un área más pequeña. La presión se transmite a los límites sólidos o a través de secciones arbitrarias de fluido normales a estos límites o secciones en cada punto. A diferencia de la tensión , la presión se define como una cantidad escalar . El gradiente negativo de presión se denomina densidad de fuerza . [9]
Otro ejemplo es un cuchillo. Si se utiliza el borde plano, la fuerza se distribuye sobre una superficie mayor, lo que genera menos presión y no corta. En cambio, si se utiliza el borde afilado, que tiene una superficie menor, se genera una mayor presión y, por lo tanto, el cuchillo corta con suavidad. 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 en relación con 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 es 220 kPa (32 psi) superior a la presión atmosférica. Dado que la presión atmosférica a nivel del mar es de unos 100 kPa (14,7 psi), la presión absoluta en el neumático es de unos 320 kPa (46 psi). En el trabajo técnico, 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)". [11] En trabajos técnicos no pertenecientes 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 se prefieren los otros métodos explicados anteriormente que evitan agregar caracteres a la unidad de presión. [8]
La presión manométrica es la medida de presión relevante siempre que se 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 deben calcular propiedades de la ecuación de estado, como densidades o cambios en las densidades, las presiones se deben expresar 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) (manométrica) (300 kPa o 44 psi [absoluta]) es un 50% más denso que el mismo gas a 100 kPa (15 psi) (manométrica) (200 kPa o 29 psi [absoluta]). Si se centra en los valores manométricos, se podría concluir erróneamente que la primera muestra tenía el doble de densidad que la segunda. [ cita requerida ]
En un gas estático , el gas en su conjunto no parece moverse. Sin embargo, las moléculas individuales del gas están en constante movimiento aleatorio . Debido a que hay una cantidad extremadamente grande de moléculas y a que el movimiento de las moléculas individuales es aleatorio en todas las direcciones, no se detecta movimiento. Cuando el gas está al menos parcialmente confinado (es decir, no es libre de expandirse rápidamente), 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 lugares de mayor presión y altitudes más bajas hacia lugares de menor presión y altitudes más altas se equilibra con la fuerza gravitacional , lo que evita que el gas se difunda al espacio exterior y mantiene el equilibrio hidrostático .
En un recipiente físico, la presión del gas se origina a partir de las moléculas que chocan con las paredes del recipiente. Las paredes del recipiente pueden estar en cualquier parte dentro del gas, y la fuerza por unidad de área (la presión) es la misma. Si el "recipiente" se encoge hasta un punto muy pequeño (lo que se vuelve menos cierto a medida que se acerca a la escala atómica), la presión seguirá teniendo un único valor en ese punto. Por lo tanto, la presión es una cantidad escalar, no una cantidad vectorial. Tiene magnitud pero no sentido de dirección asociado a ella. La fuerza de presión actúa en todas las 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. [12]
Una cantidad estrechamente relacionada es el tensor de tensión σ , que relaciona el vector fuerza con el vector área a través de la relación lineal .
Este tensor puede expresarse 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. [13]
Según la teoría de la relatividad general , la presión aumenta la fuerza de un campo gravitatorio (véase el tensor de tensión-energía ) y, por lo tanto, se suma a la causa de masa-energía de la gravedad . Este efecto es imperceptible a las presiones cotidianas, pero es significativo en las estrellas de neutrones , aunque no se ha probado experimentalmente. [14]
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 de líquidos, consulte la sección a continuación).
La presión del fluido se produce en una de dos situaciones:
La presión en condiciones abiertas puede ser generalmente aproximada como la presión en condiciones "estáticas" o inmóviles (incluso en el océano donde hay olas y corrientes), porque los movimientos crean solo 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 inmóvil (estático) se llama presión hidrostática .
Los cuerpos cerrados de fluido son "estáticos", cuando el fluido no se mueve, o "dinámicos", cuando el fluido puede moverse, ya sea 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 [15] e incompresible. [15] Un fluido ideal es un fluido en el que no hay fricción, es no viscoso [15] ( viscosidad cero ). [15] La ecuación para todos los puntos de un sistema lleno de un fluido de densidad constante es [16]
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 pueden encontrarse presiones negativas:
La presión de estancamiento es la presión que ejerce un fluido cuando se ve obligado a detenerse. En consecuencia, aunque un fluido que se mueve a mayor velocidad tendrá una presión estática menor , puede tener una presión de estancamiento mayor cuando se lo obliga a detenerse. La presión estática y la presión de estancamiento están relacionadas por: donde
La presión de un fluido en movimiento se puede medir mediante un tubo de Pitot , o una de sus variantes como una sonda Kiel o una sonda Cobra , conectada a un manómetro . Dependiendo de dónde se encuentren 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: y comparte muchas propiedades similares con la presión tridimensional. Las propiedades de los productos químicos superficiales se pueden investigar midiendo las isotermas de presión/área, como el análogo bidimensional de la ley de Boyle , πA = k , a temperatura constante.
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: donde:
Los gases reales exhiben una dependencia más compleja de las variables de estado. [21]
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 y pasar a la forma gaseosa, y todos los gases tienen tendencia a condensarse y volver 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 gradual 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 en las partes más profundas del 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 denomina presión de vapor parcial .
Cuando una persona nada bajo el agua, siente la presión del agua que actúa sobre sus tímpanos. Cuanto más profundo nada la persona, mayor es la presión. La presión que se siente se debe al peso del agua sobre la persona. A medida que una persona nada más profundo, hay más agua sobre la persona y, por lo tanto, mayor es la presión. La presión que ejerce un líquido depende de su profundidad.
La presión de un líquido depende también de la densidad del mismo. Si alguien se sumergiera en un líquido más denso que el agua, la presión sería proporcionalmente mayor. Por tanto, 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 se representa mediante la siguiente fórmula: donde:
Otra forma de decir la misma fórmula es la siguiente:
La presión que ejerce un líquido contra las paredes y el fondo de un recipiente depende de la densidad y de la profundidad del líquido. Si se desprecia la presión atmosférica, la presión del líquido contra el fondo es el doble a una profundidad dos veces mayor; a una profundidad tres veces mayor, la presión del líquido es el triple; etc. O, si el líquido es dos o tres veces más denso, la presión del líquido es correspondientemente dos o tres veces mayor para una profundidad dada. Los líquidos son prácticamente incompresibles, es decir, su volumen apenas puede modificarse por la presión (el volumen del agua disminuye sólo en 50 millonésimas de su volumen original por cada aumento de la presión atmosférica). Por lo tanto, salvo pequeños cambios producidos por la temperatura, la densidad de un determinado líquido es prácticamente la misma a todas las profundidades.
Para determinar la presión total que actúa sobre un líquido, se debe tener en cuenta la presión atmosférica que ejerce presión sobre la superficie del mismo. La presión total de un líquido es, por tanto, ρgh más la presión atmosférica. Cuando esta distinción es importante, se utiliza el término presión total . De lo contrario, cuando se habla de presión de líquido, se hace referencia a la presión sin tener en cuenta la presión atmosférica, que normalmente está 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 media 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 actúa la presión. Pero para una sección dada de 5 pies (1,5 m) de ancho de cada presa, el agua de 10 pies (3,0 m) de profundidad aplicará una cuarta parte de la fuerza del agua de 20 pies (6,1 m) de profundidad). Una persona sentirá la misma presión si su cabeza está sumergida un metro debajo de la superficie del agua en una piscina pequeña o a la misma profundidad en medio de un lago grande.
Si cuatro jarrones interconectados contienen diferentes cantidades de agua, pero todos están llenos hasta la misma profundidad, entonces un pez con la cabeza sumergida unos centímetros bajo la superficie se verá sometido a una presión de agua que es la misma en cualquiera de los jarrones. 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 jarrón se encuentre. Si el pez nada hasta el fondo, la presión será mayor, pero no importa en qué jarrón se encuentre. Todos los jarrones están llenos hasta 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 obligaría al agua a moverse lateralmente y luego hacia arriba en el jarrón más estrecho hasta 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 existe 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 incompresible es constante en todo su recipiente. En la superficie, la energía potencial gravitatoria es grande pero la energía de presión del líquido es baja. En el fondo del recipiente, toda la energía potencial gravitatoria se convierte en energía de presión. La suma de la energía de presión y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen es constante en todo el volumen del fluido y los dos componentes de energía cambian linealmente con la profundidad. [22] 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 de los líquidos es que se ejerce por igual en todas las direcciones. [23] Si alguien se sumerge en agua, sin importar en qué dirección incline la cabeza, sentirá la misma cantidad de presión de agua en sus oídos. Debido a que un líquido puede fluir, esta presión no es solo hacia abajo. Se observa que la presión actúa lateralmente cuando el agua sale a borbotones de un lado a otro desde una fuga en el costado de una lata en posición 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 bote 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. Un bloque triangular sumergido tiene agua empujada 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 perpendicular neto. [23] Esta es la razón por la que la velocidad de las partículas líquidas solo se altera en un componente normal después de que chocan contra la pared del recipiente. Del mismo modo, si el lugar de la colisión es un agujero, el agua que sale a borbotones del agujero en un balde inicialmente sale del balde en una dirección en ángulo recto con la superficie del balde en el que se encuentra el agujero. Luego se curva hacia abajo debido a la gravedad. Si hay tres agujeros en un balde (superior, inferior y central), entonces los vectores de fuerza perpendiculares a la superficie interior del recipiente aumentarán con el aumento de la profundidad; es decir, una mayor presión en el fondo hace que el agujero inferior sea el que expulse el agua más lejos. La fuerza ejercida por un fluido sobre una superficie lisa siempre está en ángulo recto con la superficie. La velocidad del líquido que sale del agujero es , donde h es la profundidad debajo de la superficie libre. [23] Esta es la misma velocidad que tendría el agua (o cualquier otra cosa) si cayera libremente la misma distancia vertical h .
es la presión cinemática, donde es la presión y la densidad de masa constante. La unidad SI de P es m 2 /s 2 . La presión cinemática se utiliza de la misma manera que la viscosidad cinemática para calcular la ecuación de Navier-Stokes sin mostrar explícitamente la densidad .
La presión en sí no es una fuerza, aunque a veces hablamos "informalmente" de la "fuerza ejercida por la presión". La afirmación correcta es que el fluido ejerce una fuerza sobre una superficie. Además, la presión es un escalar, no un vector.
Consulte la Tabla 1 Pares conjugados de variables ... (p.1357)
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