La presión ¿Que es?

30 Septiembre 2009

 

La presión se define como la fuerza normal (FN) que, distribuida uniformemente, actúa sobre una superficie dada (S).

La fuerza puede estar ocasionada por líquidos, gases o vapores, o por cuerpos sóli­dos, y su unidad de medida, en el Sistema Internacional (SI), es el Newton, el cual se define como:

Conocida esta fuerza y utilizando como unidad de superficie el metro cuadrado se obtiene como unidad de presión el Pascal, nombre debido al físico francés del siglo XVII, Blas Pascal.

Un Pascal (Pa) corresponde a la presión ejercida uniformemente sobre una super­ficie, en la cual la fuerza de 1 Newton actúa verticalmente sobre 1 m2. En la práctica se utiliza el Bar como unidad de presión, equivalente a 100 Kpa.

Otras equivalencias entre unidades de presión, utilizadas comúnmente son:

Los diferentes tipos de presión se diferencian entre sí solamente por su punto de referencia a presión cero. La falta de presión (vacío total) en un espacio cualquiera del universo se conoce como cero absoluto.

 

Si una presión está referida al cero absoluto se conoce como presión absoluta. Para distinguirla de otros tipos de presión se caracteriza por el sufijo o subíndice abs. Otra forma de conocer la presión absoluta es sumando la presión atmosférica a la presión relativa que indica cualquier manómetro.


Presion Manométrica

La presión necesaria para la vida en la Tierra se conoce como presión atmosférica del aire. Se ocasiona por el peso de la atmósfera que rodea la Tierra hasta una altitud aproximada de 500 Km. Desde la superficie de la Tierra hasta esta altitud se produce una caída de presión constante, llegando a presión cero a los 500 Km, es decir, presión absoluta cero. Para distinguirla de otros tipos de presión se caracteriza por el sufijo o subíndice atm.


La presión atmosférica depende de los cambios climáticos, tomándose como referencia la existente como valor medio a nivel del mar, denominada Atmósfera, o lo que es igual, 1.013 Bar ó 760 mrn Hg. Los catnbios climáticos pueden hacer aumentar o disminuir la presión atmosférica en valores de ± 5 %.


Presion Diferencial

La diferencia entre dos presiones P1 y P2 se conoce como presión diferencial.

dp = P1 - P2

 

Cuando se mide la diferencia de presión entre dos puntos, habitualmente con el mismo cero de referencia, la medida se denomina presión diferencial P1,2 o también dP1-2.


Presión relativa

En la práctica se suele utilizar como medida de presión la diferencia entre la pre­sión absoluta y la presión atmosférica. Esta diferencia se conoce como presión relati­va. Para distinguirla de otros tipos de presión se caracteriza por el sufijo o subíndice rel.

Prel =  Pabs - Patm


Cuando la presión absoluta es mayor que la atmosférica, la presión relativa es de signo positivo. Por el contrario, si la presión absoluta es menor que la atmosférica, la presión relativa es de signo negativo. En otras palabras, la presión relativa puede ser positiva o negativa respecto a la presión atmosférica.

 

La presión relativa de signo negativo se conoce a veces como vacío, por ejemplo 500 mm Hg de vacío es un valor de presión relativa negativa. Este valor es equivalente a 260 mm Hg de presión absoluta, suponiendo que la presión atmosférica es de 760 mm Hg. Concretando, la presión absoluta está referida siempre al cero absoluto, o falta de presión, mientras que la presión relativa está siempre referida a la presión atmosférica.


Como resumen de los apartados anteriores, la Figura de abajo muestra los diferentes tipos de medida de presión existentes:

A) Presión en los líquidos


Empezaremos por recordar que la Hidrostática se aplica al estudio de los fluidos en reposo y la Hidrodinámica al estudio de los fluidos en movimiento. Un fluido es una sustancia que puede «fluir», por consiguiente, la denominación de fluidos incluye tanto líquidos como gases. Los líquidos y gases se diferencian notablemente en sus coeficientes de compresibilidad, por lo que mientras un líquido es prácticamente incompresible, un gas puede ser fácilmente comprimido. En este apartado vamos a suponer que la pequeña variación de volumen que puedan experimentar los líquidos es despreciable.

Generalizando, la presión en un punto cualquiera se define como la relación que existe entre la fuerza normal (dFN) y la pequeña superficie (dS) sobre la que se ejerce.

 

 

Si la presión es la misma en todos los puntos de una superficie plana «S», la ecua­ción anterior se transforma en la que se ha visto en el apartado anterior,


 

Veamos ahora la relación general entre la presión «P» en cualquier punto de un fluido y la ordenada «h» del punto. Si el fluido está en equilibrio, cualquier elemento con un determinado volumen se encuentra en equilibrio. Consideremos un elemento en forma de lámina delgada cuyas caras tienen la superficie «S» y espesor «dh» (parte superior de la Figura abajo).


Si «r» es la densidad del fluido, la masa del elemento será y su peso «dw» será . La fuerza ejercida sobre el elemento por el fluido que lo rodea es normal a su superficie en todos los puntos, por lo que por simetría la fuerza horizontal resultante sobre sus bordes es nula. La fuerza ascendente sobre su cara inferior es y la fuerza hacia abajo sobre su cara superior es . Puesto que el elemento está en equilibrio, la suma de fuerzas debe ser cero. Por tanto:




Simplificando:


que se puede considerar como la ecuación fundamental de la estática de fluidos:


 

En el caso de los líquidos la densidad es constante y, como se ha supuesto que los líquidos son incompresibles, al integrar la ecuación anterior se obtiene:

 

La constante de integración depende de las condiciones iniciales. Si en la parte derecha de la Figura de arriba consideramos la presión en la superficie del líquido, (Punto 0), la altura «h» será cero. Por tanto se tendrá que P0 = K, siendo P0 la presión sobre la superficie libre, en este caso la presión atmosférica. Según esto,

 

lo cual nos dice que la presión en un punto cualquiera del líquido es igual a la presión P0 en la superficie libre más el peso de una columna de líquido que tenga por base la unidad de superficie y por altura la distancia vertical entre dicho punto y la superficie libre.

 

De lo anterior se deduce que todos los puntos que se encuentran en un mismo pla­no horizontal tienen la misma presión. También se deduce que si la presión sobre la superficie libre (P0 en la Figura de arriba), aumenta por cualquier causa, por ejemplo, some­tiéndola a compresión con un émbolo, la presión en cualquier punto del sistema aumenta en la misma cantidad. Esto no es otra cosa que el principio de Pascal, el cual es una consecuencia de la ley fundamental de la estática de fluidos y que se puede enunciar de la forma siguiente: La presión ejercida sobre un punto de un fluido incom­presible se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido.

 

B) Presión en los gases

 

Las moléculas de un gas pueden ser imaginadas como pequeñas esferas moviéndo­se aleatoriamente en el interior de un recipiente cerrado. Durante este movimiento, las moléculas colisionan elásticamente entre ellas y con las paredes del recipiente. Estas continuas colisiones ocasionan la presión del gas. La Figura abajo muestra el movimien­to molecular en los gases.

 

Se supone que los choques son perfectamente elásticos, de modo que la energía cinética total de dos moléculas es la misma antes y después del choque entre ellas. Del mismo modo, los choques contra las paredes son perfectamente elásticos, por lo que una molécula que se dirige perpendicularmente hacia una pared con una cantidad de movimiento mv retrocederá desde la pared con una cantidad de movimiento -mv. La variación de la cantidad de movimiento por molécula y choque será:

 

Si se conoce el número de moléculas que chocan con la pared por unidad de tiem­po y se multiplica este número por la variación en la cantidad de movimiento por molécula y choque (2mv/2), se tiene la variación total de la cantidad de movimiento por unidad de tiempo.

 

 

 

 

En virtud de la segunda ley de Newton (F=m*a), el valor anterior es la fuerza total ejercida por la pared del recipiente sobre el gas, en Newton. Dividiendo este valor entre la superficie de la pared se obtiene la presión.


El valor de presión obtenido debe ser igual al de la teoría cinética de los gases, según la cual, si m (Kg) es la masa de una molécula de gas, Vmed (m/s) es la velocidad media molecular y TV es el número de moléculas contenidas en un volumen (m3), la presión ejercida será:


A la vista de lo anterior, la presión de un gas depende de:

Número de moléculas del gas.

Masa de las moléculas del gas.

Velocidad media.

 

Cuando el gas se calienta, la velocidad media molecular aumenta, elevando la pre-sión. Esto se traduce en que la presión ejercida en un punto del recipiente se distribuye en todas direcciones. La movilidad molecular explica la tendencia de los gases a llenar enteramente el volumen disponible, fenómeno conocido como expansión. La expan¬sión es un proceso natural espontáneo acorde con el segundo principio de la termodi-námica, dado que la Naturaleza tiende a evolucionar hasta un estado en el que exista el mayor desorden molecular.


 

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José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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