INVESTIGACIÓN DE LA PRESIÓN EN: SOLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES

2014

INVESTIGACIÓN DE LA PRESIÓN EN: SOLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES Agregación, Teoría cinética y Presión. Investigación y desarrollo sobre la teoría cinética y la presión en los cuerpos en sus distintos estados.

Juan Ismael Jiménez Descalzo. Escuela de Adultos Sant Joan d`Alacant. GES II. 15/12/2014

II ÍNDICE. 1.

Estado de agregación de la materia. 1.1. Sólidos. 1.2. Líquidos. 1.3. Gases. 2. La teoría cinética. 2.1. La temperatura de los cuerpos y la teoría cinética. 3. Los cambios de estado. 4. Concepto de presión. 4.1. Definición y unidades. 4.2. Fuerza y presión en sólidos y líquidos. 5. Densidad de un fluido. 5.1. Definición y unidades. 6. La presión hidrostática. 7. Principio de Pascal. 8. La presión en los gases. 8.1. La presión atmosférica. 9. Principio de Arquímedes. 10. Conclusiones. 11. Bibliografía.

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III 1.

Estado de agregación de la materia. La materia se presenta en distintas fases o estados, todos con propiedades y características diferentes. Los más conocidos son cuatro: Estado sólido. Estado líquido. Estado gaseoso. Estado o fase plasma. De éste último estado no hablaremos en ésta ocasión.

1.1. Estado sólido: Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Es debido a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción muy grandes, por eso las posiciones de éstas son casi fijas. En los sólidos el movimiento de las partículas es vibratorio u oscilante alrededor de posiciones fijas, no se pueden desplazar a lo largo del sólido. Las partículas en los sólidos se disponen de forma ordenada, con una regularidad especial geométrica, dando lugar a estructuras cristalinas. El aumento de la temperatura hace que aumente la vibración de las partículas. 1.2. Estado líquido: Los líquidos al igual que los sólidos tienen volumen constante. Las partículas en los líquidos están unidas por fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por eso pueden trasladarse con facilidad (las partículas). El número de partículas es muy alto, por eso son frecuentes las colisiones y fricciones entre ellas. Debido a ésta movilidad los líquidos no tienen forma y se adaptan al recipiente que los contiene, así mismo explica las propiedades de fluidez o viscosidad (indica la dificultad con que fluye un líquido. Cuanto más viscoso es un líquido menos fluido resulta). El movimiento de las partículas es desordenado, pero sin embargo hay asociaciones de varias de ellas que se mueven como si fueran una sola. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad (energía). 1.3. Estado gaseoso: los gases, al igual que los líquidos, no tienen forma fija, pero su volumen también es variable y son fluidos. Las fuerzas que mantienen unidas sus partículas son muy pequeñas y el número de éstas es muy pequeño también. El movimiento de las partículas es desordenado, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente donde se encuentran. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad de los gases: las partículas ocupan todo el espacio disponible. La comprensibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen el gas pasará a estado líquido. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más fuerza contra el recipiente, aumentando la presión.

2.

Teoría cinética. El pensamiento humano a lo largo de la historia ha elaborado un modelo de cómo está constituida la materia, a esto se le conoce como MODELO CINÉTICO MOLECULAR. Con base en éste modelo de materia, todo está formado por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Estas moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Al estar en continuo movimiento están a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío. 2.1. La temperatura de los cuerpos y la teoría cinética. Si se aumenta la temperatura de un sistema material sólido, sus moléculas se mueven más rápidamente y aumenta la distancia media entre ellas. Por lo tanto la fuerza de cohesión disminuye y llega un momento en el cual estas fuerzas no pueden mantener las moléculas fijas, las moléculas entonces pueden desplazarse, el sólido se ha convertido en líquido. Si continuamos aplicando calor al sistema líquido, las moléculas aumentarán más todavía su rapidez y el espacio entre ellas será mayor y las fuerzas de cohesión seguirán disminuyendo hasta que las moléculas se liberen unas de otras y entonces el sistema líquido pasa a gaseoso.

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IV Si invertimos el proceso y disminuimos la temperatura, iremos pasando de un sistema gaseoso a otro sistema líquido y de un sistema líquido a uno sólido.

3.

Cambios de estado. La materia que nos rodea está en un cambio continuo. Algunos de estos cambios se producen en el aspecto, la forma o el estado de la materia. A estos cambios se les llama cambios físicos de la materia. Los cambios de estado son los que se producen por efecto de calor. Hay dos tipos de cambio por el calor: cambios progresivos y cambios regresivos. Cambios progresivos son los que se producen al aplicar calor y son: sublimación progresiva, que se da cuando una materia pasa del estado sólido al estado gaseoso al aplicar calor. Ejemplo: hielo + calor = vapor. Fusión: es la transformación de un sólido en líquido al aplicarle calor. Hay que diferenciar lo que es el punto de fusión, que es la temperatura específica a la que funde cada sustancia. Ejemplo: hierro sólido + calor = hierro líquido. Evaporación: es cuando por la acción del calor las partículas de superficie de un líquido pasan a gas. Hay líquidos que a temperatura ambiente se evaporan, como por ejemplo el agua o el alcohol. Si se sigue aplicando más temperatura de evaporación pasaríamos a ebullición. Ebullición: es cuando todas las partículas de un líquido se transforman en gas por acción del calor aplicado. Para la ebullición también hay una temperatura distinta para cada sustancia, es lo que llamamos punto de ebullición.

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V Cambios regresivos: Estos cambios se producen por el enfriamiento de las sustancias. Y se distinguen tres tipos, que son: Sublimación regresiva, éste cambio se da cuando una sustancia en estado gaseoso pasa directamente al estado sólido. Solidificación: es cuando un líquido pasa a estado sólido. Como por ejemplo cuando ponemos agua en el congelador. Condensación: es cuando un gas pasa a estado líquido. Como cuando te duchas en casa y por efecto de la condensación se puede ver el vapor de agua en forma de gotas corriendo por los azulejos. 4. Concepto de presión. 4.1. Definición y unidades. Presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que ésta actúa. Cuando sobre una superficie A se aplica una fuerza F uniforme la presión p se expresa de la siguiente manera: p = F/A. Unidades de presión: Es el sistema que se utiliza para medir la presión. La unidad de presión del Sistema Internacional es el pascal, representado por Pa y se define como la presión que ejerce una fuerza de un newton sobre una superficie de 1m2. Pa = N/m2. Otras unidades de presión son:  hPa.- hecto pascal, es la unidad más utilizada. La presión atmosférica media es de 1013,25 hPa.  mb.- milibar. Es equivalente a un hPa, por lo que la presión media es de 1013,25 mb.  atm.- Abreviatura de atmósfera, la presión de la superficie de la tierra es nominalmente 1 atm.  psi.- libra por pulgada cuadrada (pound-force per square inch), es la utilizada en la industria aeronáutica USA. La presión atmosférica media es de 14,7 psi.  torr.- Torricelli, recibe el nombre del científico, también denominada mmHg o milímetros de mercurio. La presión media es de 761,84 torr o 761,84 mmHg. 4.2. Fuerza y presión en sólidos y líquidos. Como ya hemos indicado la presión es la fuerza que se aplica sobre una superficie sólida, p = F/A. La fuerza que provoca la presión debe de ser perpendicular a la superficie. Es decir si la fuerza se aplica diagonalmente sobre el sólido, solo se toma en cuenta la componente vectorial perpendicular a la superficie. Si la fuerza es paralela a la superficie, no hay presión.

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VI Una fuerza aplicada sobre una pared móvil de un recipiente que contenga un fluido crea una presión que lo comprime. La compresibilidad es casi nula en los líquidos, aun así el volumen que éste ocupa disminuya al aumentar la presión. Los líquidos ejercen una presión hidrostática, la cual crea una fuerza que actúa desde el interior del líquido perpendicularmente a todas las paredes del recipiente; F = p * A. Es decir la fuerza es un vector que tiene dirección perpendicular a la superficie y sentido hacia fuera. 5. Densidad de un fluido. 5.1. Definición y unidades. Toda la materia tiene masa y volumen, la propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia es la densidad. La densidad se define como: el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa; d = m/v. La unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el kg/m3, el elemento que se toma comúnmente como referencia es el agua, cuya densidad es de 1000kg/m3. Para evitar magnitudes tan grandes se utiliza el g/cm3 (g/cc) que es 1. Para los gases se utiliza normalmente el gramo por decímetro cubico (g/dm3) o gramo por litro (g/l). 6.

La presión hidrostática. Un fluido en reposo pesa y ejerce presión sobre las paredes y el fondo del recipiente que lo contiene, así como sobre cualquier objeto sumergido en él. La presión hidrostática ejercida sobre el objeto es proporcional a la profundidad y la fórmula para averiguarla es: P = d * g * h. De donde P es la presión; d es la densidad del fluido (kg/m3); g es la aceleración de la gravedad (m/s2); y h es la profundidad desde la superficie (m).

7.

Principio de Pascal. O Ley de Pascal (filósofo, matemático y físico francés) dice: que la presión ejercida sobre un fluido incomprensible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y puntos del fluido. Una de las aplicaciones en donde mejor se aprecia el principio de Pascal es en la prensa hidráulica, en donde una pequeña fuerza en una de las partes de la prensa hace que obtengamos esa fuerza multiplicada en la otra parte de la prensa. Esto es debido a lo que venimos viendo durante todo el desarrollo de éste trabajo, si la presión es p = F/S, y el principio de Pascal dice que esa presión se transmite por igual en todas direcciones tenemos que la presión generada en uno de los émbolos es igual a la generada en el otro émbolo, es decir p1 = p2. Con lo cual tenemos que F1/S1 = F2/S2 (nota: A o área es lo mismo que S o superficie).

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VII 8.

La presión en los gases. Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entran en contacto, ya que sus moléculas están en constante movimiento. Ésta, la presión, se define como una fuerza aplicada por unidad de área; fuerza dividida por el área sobre la que se distribuye P = F/S. La unidad de presión es el pascal (Pa), que se define como la presión de un newton por metro cuadrado, por lo que Pa = N / m2. 8.1. La presión atmosférica. Como ya se ha visto el aire atmosférico o atmósfera es un gas, así mismo también hemos visto que los gases tienden a ocupar todo el espacio disponible, por lo qué hace presión en todas las direcciones. Presión atmosférica es la fuerza que hace el aire atmosférico sobre la superficie terrestre. La presión atmosférica normal es la equivalente a la que ejerce una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 ºC al nivel del mar. La presión atmosférica se suele expresar en milímetros de mercurio (mmHg) o Torricelli (torr) lo que es lo mismo que 760 mmHg. A éste valor se le llama atmósfera (atm). En meteorología la unidad que se utiliza es el milibar (mb), 1 atm equivale a 1013 mb. Como la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un punto preciso de la tierra, con la altura la presión disminuye, es decir a mayor altura menor presión. Pero esta disminución de presión no es proporcional, puesto que el aire como se ha mencionado al principio es un gas y se comprime, lo cual quiere decir que en la parte baja (a nivel del mar) es más denso, pesa más, y una pequeña subida en altura significa una gran bajada de presión, mientras a gran altura hay que ascender mucho más para que la bajada de presión sea equivalente. Todo esto quien lo descubrió fue el científico Torricelli, de ahí el nombre de la unidad de presión del mismo nombre.

9.

Principio de Arquímedes. El principio de Arquímedes dice que: Cuando un cuerpo se sumerge total o parcialmente en un líquido, una fuerza de empuje actúa sobre él. Dicha fuerza es vertical y hacia arriba y su magnitud es igual al peso del líquido desalojado por el cuerpo. Cuando se sumerge un cuerpo en un líquido actúan dos fuerzas sobre ese cuerpo: El peso del cuerpo que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical hacia arriba. Entonces se dan tres casos a saber: a) El peso es mayor que el empuje (P>E), éste se hunde. Lo que significa que el peso específico del cuerpo es mayor que el del líquido. b) El peso es igual al empuje (P=E), éste ni se hunde ni emerge. Esto significa que el peso específico del cuerpo es igual al del líquido. c) El peso es menor que el empuje (P