Presión de los gases y presión atmosférica
Lázaro cierra bien un pomo de plástico vacío en su casa, junto al mar, y se lo lleva de excursión a lo alto de la Sierra Maestra. Allí nota que el pomo se ha hinchado un poco. Nadie le echó aire y no se calentó. ¿Qué lo empujó hacia afuera? Al final de la página lo sabrás.
¿Por qué un gas ejerce presión?
Recuerda que la presión es la fuerza que actúa sobre cada unidad de superficie: $p = \dfrac{F}{S}$. Se mide en pascal (Pa), que es $1\ \text{N/m}^2$.
En un sólido, la presión viene del peso apoyado sobre una superficie. ¿Y en un gas? Una pelota inflada no tiene "peso apoyado" por dentro y, sin embargo, empuja las paredes en todas direcciones.
La explicación está en las partículas. Un gas está formado por moléculas muy separadas que se mueven sin parar, en línea recta y en todas direcciones. Cuando una molécula choca con la pared del recipiente, le da un pequeño empujón. Son muchísimas moléculas y los choques ocurren a cada instante, así que la suma de todos esos empujones se nota como una fuerza constante sobre la pared.
Mira cómo cambia el comportamiento del gas en este modelo. Aumenta la temperatura y observa qué les pasa a las moléculas y a la presión.
Si el gas se calienta, las moléculas se mueven más rápido: chocan más veces y con más fuerza, y la presión sube. Si el mismo gas se encierra en un volumen menor, los choques son más frecuentes porque hay menos espacio, y la presión también sube.
Explica con tus palabras por qué un gas encerrado en un recipiente ejerce presión sobre las paredes. En tu respuesta menciona el movimiento de las moléculas del gas y…
Explica con tus palabras por qué un gas encerrado en un recipiente ejerce presión sobre las paredes. En tu respuesta menciona el movimiento de las moléculas del gas y sus choques con las paredes.
La atmósfera también presiona
La Tierra está rodeada por una capa de aire de cientos de kilómetros de espesor: la atmósfera. El aire es materia y la Tierra lo atrae, así que tiene peso. Ese peso, repartido sobre cada metro cuadrado de superficie, es la presión atmosférica.
Esta presión actúa en todas las direcciones y en todos los lugares donde hay aire: en La Habana, en Santiago de Cuba y en la cima del Pico Turquino. No la sentimos porque estamos acostumbrados a ella: el aire dentro de nuestro cuerpo empuja hacia afuera con la misma presión con que el aire de afuera empuja hacia adentro.
¿Es igual en todas partes? No. A mayor altura hay menos aire encima, y por eso la presión es menor. Al nivel del mar, en el Malecón, el aire que hay encima es el de toda la atmósfera. En lo alto del Pico Turquino (1 974 m) queda menos aire por encima, y la presión es de alrededor de $80\,000\ \text{Pa}$, bastante menor que la del nivel del mar. Pero sigue existiendo: la atmósfera no termina de golpe.
Lisandra dice que la presión atmosférica existe solo en La Habana y que en la cima del Pico Turquino no hay atmósfera que ejerza presión. Indica si su afirmación es…
Lisandra dice que la presión atmosférica existe solo en La Habana y que en la cima del Pico Turquino no hay atmósfera que ejerza presión. Indica si su afirmación es correcta y explica por qué, en dos o tres frases.
Cómo se mide: Torricelli y el barómetro
Durante siglos se creyó que el aire no pesaba. En 1643, el italiano Evangelista Torricelli hizo un experimento que lo demostró.
Un tubo así, con una escala, es un barómetro de mercurio: el instrumento que mide la presión atmosférica. Si la presión sube, la columna sube; si baja, la columna baja. Por eso el nivel de la columna se usa también para prever el tiempo: la presión baja cuando se acerca un ciclón y esto lo vigilan los meteorólogos del INSMET.
La presión atmosférica se expresa en varias unidades:
| Unidad | Valor al nivel del mar |
|---|---|
| Pascal (Pa) | $101\,300\ \text{Pa}$ (aproximadamente) |
| Milímetros de mercurio (mmHg) | $760\ \text{mmHg}$ |
| Atmósfera (atm) | $1\ \text{atm}$ |
Esos tres valores son equivalentes: $1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} \approx 101\,300\ \text{Pa}$.
Menciona el instrumento que se usa para medir la presión atmosférica y el nombre del científico que realizó el famoso experimento con un tubo lleno de mercurio para…
Menciona el instrumento que se usa para medir la presión atmosférica y el nombre del científico que realizó el famoso experimento con un tubo lleno de mercurio para determinarla. Indica además una unidad en que suele expresarse esa presión.
En el experimento de Torricelli, la columna de mercurio en un tubo alcanza una altura de $760\ \text{mm}$ al nivel del mar. Daniela repite el experimento en una zona…
En el experimento de Torricelli, la columna de mercurio en un tubo alcanza una altura de $760\ \text{mm}$ al nivel del mar. Daniela repite el experimento en una zona montañosa y observa que la columna mide $700\ \text{mm}$.
- a) ¿Qué ocurrió con la presión atmosférica en ese lugar respecto al nivel del mar?
- b) Explica a qué se debe el cambio.
¿Qué fuerza hace el aire?
Como la presión atmosférica es $p = F/S$, la fuerza que el aire ejerce sobre una superficie se obtiene despejando:
$$F = p \cdot S$$Debes poner la superficie en $\text{m}^2$ y la presión en Pa para que la fuerza salga en newton. Recuerda que $1\ \text{m}^2 = 10\,000\ \text{cm}^2$.
La fuerza sale enorme: miles de newton sobre una hoja. ¿Por qué no se aplasta ni se rompe? Porque el aire empuja por las dos caras con la misma presión. Las dos fuerzas son iguales y de sentidos opuestos, y se compensan. Además, el aire también entra en los poros de los materiales y empuja desde dentro.
Pero si se quita el aire de un lado, la fuerza del otro lado ya no se compensa. Eso explica la ventosa: al apretarla contra una pared lisa sale casi todo el aire que había debajo, y la presión atmosférica del exterior la empuja contra la pared sin que nada la equilibre desde dentro.
Para saber el peso de un objeto usa $P = m \cdot g$, con $g = 10\ \text{m/s}^2$ (o $10\ \text{N/kg}$).
Al nivel del mar la presión atmosférica es aproximadamente $101\,300\ \text{Pa}$. Calcula la fuerza que ejerce el aire sobre la superficie de una mesa rectangular de…
Al nivel del mar la presión atmosférica es aproximadamente $101\,300\ \text{Pa}$. Calcula la fuerza que ejerce el aire sobre la superficie de una mesa rectangular de $1{,}5\ \text{m}$ de largo y $0{,}8\ \text{m}$ de ancho. Explica por qué la mesa no se rompe a pesar de que esa fuerza es tan grande.
Una ventosa de goma circular tiene un área de $20\ \text{cm}^2$ y se adhiere a una pared lisa de azulejos. Se supone que, al presionarla, casi todo el aire de su…
Una ventosa de goma circular tiene un área de $20\ \text{cm}^2$ y se adhiere a una pared lisa de azulejos. Se supone que, al presionarla, casi todo el aire de su interior sale, de modo que la presión dentro es prácticamente cero. La presión atmosférica es $100\,000\ \text{Pa}$.
- a) Calcula la fuerza con que el aire exterior empuja la ventosa contra la pared.
- b) Ariel cuelga de la ventosa una jaba con frutas de $15\ \text{kg}$ de masa. Explica si, en esas condiciones ideales, la ventosa se sostendría, teniendo en cuenta que además influye el rozamiento con la pared. Argumenta tu respuesta.
Experimentos con la presión del aire
Experimenta y aprende. Con material sencillo de casa puedes ver la presión atmosférica en acción.
La jeringuilla en un pomo con agua
Clava una jeringuilla (sin aguja) en un pomo con agua, tapa con el dedo la salida y tira del émbolo hacia atrás. Al hacerlo, el gas dentro de la jeringuilla ocupa más volumen: las moléculas quedan más separadas, hay menos choques contra las paredes y la presión interior baja por debajo de la presión atmosférica. Si sueltas el émbolo, el aire de afuera lo empuja hacia dentro. La presión exterior, mayor, vence a la interior.
Con la misma idea funciona la pajilla: al aspirar bajas la presión dentro de la pajilla y la presión atmosférica empuja el jugo hacia arriba.
El pomo cerrado en altura
Es el caso de Lázaro al principio. Dentro del pomo queda el aire con la presión que tenía abajo, cerca de $101\,300\ \text{Pa}$. Arriba, en la montaña, la presión atmosférica es menor. Ahora el aire de adentro empuja la pared más fuerte que el de afuera, y el plástico delgado se abomba hacia fuera.
Aquí intervienen dos factores: la disminución de la presión atmosférica con la altura y la temperatura. Si el lugar es más frío, el aire del pomo tiende a bajar su presión, porque sus moléculas se mueven más lentamente. Pero en el caso de la montaña pesa más la caída de la presión exterior, y por eso el pomo se infla.
Yoel clava una jeringuilla sin aguja en un pomo con agua, tapa con el dedo la salida y tira del émbolo hacia atrás. Después suelta el émbolo y este regresa hacia…
Yoel clava una jeringuilla sin aguja en un pomo con agua, tapa con el dedo la salida y tira del émbolo hacia atrás. Después suelta el émbolo y este regresa hacia adentro. Explica este comportamiento en función de la presión del gas dentro de la jeringuilla y de la presión atmosférica.
Se destapa un pomo de refresco vacío y se cierra herméticamente en un lugar cálido y al nivel del mar. Luego se lleva a un lugar más alto y frío, y se observa que el…
Se destapa un pomo de refresco vacío y se cierra herméticamente en un lugar cálido y al nivel del mar. Luego se lleva a un lugar más alto y frío, y se observa que el pomo, de plástico delgado, se deforma ligeramente hacia afuera.
Analiza la situación: compara la presión del aire dentro del pomo con la presión atmosférica en el lugar alto, explica por qué se produjo la deformación y señala dos factores que intervinieron.
Vuelve al principio: el pomo de Lázaro se hinchó porque, al subir a la Sierra Maestra, la presión atmosférica disminuyó y el aire encerrado dentro, que conservaba la presión de abajo, empujó la pared del plástico hacia afuera.