PRESION ATMOSFERICA

Neumostatica
La neumostatica estudia el comportamiento mecanico de cualquier gas, en reposo.
Tambien existe la neumodinamica, que estudia el comportamiento mecanico de cualquier gas, en movimiento.
En un sentido mas restringido, nosotros nos ocuparemos, especificamente, al estudio de las propiedades y condiciones de equilibrio de la masa de aire que envuelve a nuestro planeta Tierra, la que es llamada, como ya se sabe, Atmosfera. O sea nostros vamos a estudia en este capitulo la Aerostatica.
La aerodinamica estudia el movimiento relativo entre el aire y los cuerpos solidos.
En rigor, toda esta materia se sale del ambito propio de la Hidraulica. Pero dado a su relativo interes, estudiaremos algunas cosas.
Existe un paralelismo entre la Aerostatica y la Hidrostatica, por lo que sirven muchos de los conceptos alli enunciados.

Estado Gaseoso: Es uno de los tres conocidos estados tipicos de la materia. En la que los atomos de esta se encuentran alejados unos de otros relativamente dando asi la formacion de la materia con propiedades altamente expansivas.

Se ha adoptado tambien el concepto de Gas Perfecto , que seria aquel que tuviera las propiedades de un gas en grado maximo, gas ideal, no real.

Propiedades de los Gases:

a) Isotropia: Los gases perfectos son Isotropos.
Los gases reales no lo son, pero se consideran como tales, dado a que la direfencia es minima.

b) Cohesion: Los gases perfectos tienen cohesion nula.
Los gases reales, la tienen en un grado insignificante, que para nuestros estudias la podriamos despreciar.

c) Expansibilidad: Es la propiedad por la cual las moleculas de un gas tienden a separarse unas de otras, el gas asi, ocupa todo el volumen de recipiente que lo contiene, o volumen disponible.

Los gases perfectos son totalmente expansivos.
Los gases reales se podrian considerar como totalemente expansivos debido a la minima diferencia.

d) Viscosidad: Los gases perfectos no son viscosos.
Los gases reales son viscosos, aunque mucho menos que los liquidos.

e) Compresibilidad: Es la capacidad de disminuir el voumen al estar sometidos a presion.
Los gases perfectos se comprimen segun leyes teoricas muy bien definidas. Los gases reales se comprimen segun leyes semejantes, pero no exactamente iguales.

Peso especifico: Contra lo que ocurren en los liguidos, los gases tienen densidad variable, de acuerdo con la presion a que se hallan sometidos, ya que una misma masa gaseosa puede tener cualquier volumen. Los gases son, en general, cuerpos muy livianos; de muy bajo peso especifico.

Presion ejercida por los gases: De acuerdo con la actual teoria de la materia, la presion de los gases seria debida a los continuos choques o impacto de las moleculas gaseosas contra si mismas y contra las paredes de resipiente que las contienen. La presion se mantiene constante por razones estadisticas, ya que siendo tan grande el numero de moleculas no hya posibilidad practica se den, por termino medio, de forma diferente.

Estado de los gases: Se conocera el estado de un gas, cuando se conozca (suponiendo un cantidad de gas, o sea, masa constante, los siguientes datos: a) Volumen que ocupa; b) presion a que se encuentra sometido; c) temperatura a que se encuentra.
En la practica resulta dificil manejar estas tres caracteristicas a la vez. Por ello para estudiar un gas, se suel dejar constante una de ellas y variar las otras dos, observando el tipo de variacion.

Ley de Gay-Lussac para los gases perfectos: Sea una masa gaseosa determinda.
Si se mantiene constante el voumen, se tendra (se demuestra en Fisica):
Pt = Po(1 t/273)
En la que Po = presion inicial (a 0 grado C de temperatura)
-------------Pt = Presion final (a t gratos C de temperatura)

Si mantenemos constante la presion, tenemos que:
Vt = Vo(1 t/273)
En que Vo= es el volumen inicial(a 0 grado C de temperatura)
----------Vt = Volumen final (a t gratos C de temperatura)

Observese la igualdad de los coeficiente 1/273, a pesar de tratarse de fenomenos diferentes.

Ley de Boyle - Marriotte para los gases perfectos Si se mantiene constante la temperatura de cierta masa de gas, los vumenes ocupados son inversamente proporcional　a las presiones. En ecuacion:
PoVo = PtVt = Constante

Ecuacion de estado de los gases perfectos: Relaciona las tres variables a la vez: Volumen, presion y temperatura.
Se puede escribir asi:
Po x Vo/To = P1 x V1/T1 = Constante

En la que T es la temperatura absoluta en el estado considerado: temperatuda absoluta = temperatura centigrada + 273grados.
T=t + 273.

Principio de Pascal Este principio tambien se cumple para los gases.
Supuniendo a los gases excentos de pesos, la presion existente en cualquier punto de una masa gaseosa encerrada, es exactamente la misma, ya sea en su interior como en las paredes.

Si la masa gaseosa ocupa un gran volumen, es demasiado erronea la hipotesis de prescindir del peso propio del gas. Las presiones motivadas por el peso propio del gas se suman a las que ya pudieran existir transmitidas en base al principio de pasca.

Principio de Arquimides Tambien este principio es valido para el estudio de los gases.

Aplicacion: en este principio se basan los globos aerostaticos, cuyo peso total es menor que el peso del aire desalojado. Esto hace que tengan cierta fuerza ascencional, osea se crea en principio una fuerza de empuje que igual al peso del volumen de aiere desalojado.

La Atmosfera. La Tierra esta cubierta por una capa de aire llamada atmosfera, cuyo espesr o altura supera los 200km. La capa en contacto con la Tierra y los mares se llama troposfera; en su seno se desarrolla la vida animal y la vejeta.

La constitucion detallada puede verse en libros especialidados (de haber interes de parte del lector). Actualmente se estan obteniendo muchos nuevos datos por medio de globos sondas, cohetes y satelites artificiales.

La troposfera esta compuesta aproximadamente de 79% de nitrogeno y 21% de oxigeno, en estado de mezcla. Suele haber cantidades muy variables de vapor de agua y pequeñas cantidades de otros gases. El peso especifico del aire en condiciones normales es de 0.0013kg/dm3. (condiciones normales quiere decir a nivel del mar y a 0 grados de temperatura).

Presion atmosferica. Suponiendo que la atmosfera se mantuviese en equilibrio estatico (toal ausencia de vientos) estaria constituida por capas o estratos variables paulatinamente tanto en composicion quimica como en densidad.

Desde luego, en el estudio de la presion atmosferica no podemos presindir del peso propio, pues este es el que provoca las presiones.

Por un razonamiento al de la presion hidrostatica se veria presiones que crecen con la profundidad (o sea que entre mas cerca a la tierra mayor la presion) y la densidad del aire. Pero en este caso el calculo se complica debido a que la gran compresibilidad del aire, la densidad el mismo varia con la profundidad. Esto nos dice que la presion esta en funcion de la profundida y de la densidad, pero como a su vez la densidad varia con la presion la densidad esta en funcion de la presion. Por tanto la presion esta dada en funsion de la profundidad y la presion.


Ver imagen

Como los gases tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, y el aire atmosferico no tiene en principio, limite espacial, en el sentido vertical ascendente teoricamente la altura y el volumen de la atmosfera deberian ser infinitos (sin tener en cuenta fuerzas siderales diferentes de la gravedad terrestre ni la fuerza debida a la rotacion de la tierra). La atmosfera gira con la tierra por lo tanto esta sometida a la fuerza centrifuga. El limite teorico corresponderia al peso del hidrogeno y la fuerza centrifuga.

Estas bases son teoricas. En la realidad resulta imposible conocer la profundad h desde la superficie libre superior (Ver figura), por lo que no puede expresarse la presion en cualquier punto de la atmosfera, en funcion a dicha profundidad h.

Calculo de la presion atmosferica: experimento de Torricelli Fue este fisico italiano el primero a quien se ocurrio un procedimiento practico para evaluar la cuantia de la presion armosferica. Hizo lo siguiente (ver figura a y b): a nivel del mar, lleno completamente un tubo de aproximadamente 1m de longitud, con mercurio. Tapo con un dedo la unica boca del tubo, dio la vuelta a este, e introdujo tubo y dedo en una cubeta tambien con mercurio. Solto el dedo y observo que el nivel del mercurio dentro del tubo descendia hasta quedarse a 760mm respecto al nivel del mercurio en la cubeta. En su descenso, el mercurio habia producido el vacio absoluto en la parte de arriba del tubo: por tanto en el nivel superior del mercurio dentro del tubo la presion era nula; de valor: 0 (cero). En el nivel exterior de la cubeta la presion atmosferica esta sosteniedo los 760mm de mercurio (ver figura b)


--------
Evangelista Torricelli----------Experimento(Fig. a)---------Fig. b (Ampliar imagen)

Para concer la presion el valor de la presion atmosferica, solo hay que calcular la presion hidrostatica del mercurio, en el plano libre del mercurio en la cubeta. Considerando que la columna es de 760mm de mercurio por tanto la presion atmosferica seria:

p = hy = 0.760m x 13.60ton/m3 = 10.33 ton/m2
donde h es la columna de mercurio e y es el peso especifico del mercurio.

10.33ton/m2 = 1.033km/cm2 = 10.33mca. O sea una columna de agua de 10.33 metros.

Este valor obtenido para la presion atmosferica, es el correspondiente a las llamadas condiciones normales: nivel del mar y 0 grados celcius. Si nos elevamos sobre el nivel del mar, la presion disminuye, por tener encima menor capa de aire. Si la temperatura aumenta aparte de la variacion de densidad del aire, el mercurio se dilata, por lo que habra que corregir. Si hace viento la presion disminuye.

La presion armosferica de un punto o de un lugar suele medirse en mm de mercurio, que representa los mm reales que subiria el mercurio dentro de un tubo Torricelli, en ese lugar:

P[kg/cm2] = 0.00136 (h[mm])

Siendo h los mm de mercurio.

Barometros: Son aparatos para medir la presion atmosferica de un lugar. Un simple barometro puede ser el tubo de torricelli. Para evitar la cubeta puede curvarse el tubo en su parte inferior (verfigura). El manejo de estos barometros es incomodo (salvo en los laboratorios no moviles), por lo que se han ideados los metalicos. Estos consisten en general en una camara cerrada con una lamina metalica delgada, camara en la que se ha producido el vacio. Cuando amenta o disminuye la presion, la lamina se unde o recupera respectivamente, haciendo girar una aguja, que indica la presion atmosferica en una escala previamente graduada.

La diferencia de altura H, en metros, sobre el nivel del mar, entre dos puntos puede calcularse aproximadamente con la formula:

H = 18400 Log[h/h`(1+2(t + t`)/1000)]

siendo h y h` las presiones en mm de mercurio medidas en cada punto; y t y t` las temperaturas centigradas en cada lugar.

Consideraciones Generales Efectuando el experimento de Torricelli, a nivel del mar, con un tubo largo y lleno de agua, se comprobaria que la columna interior al tubo, es precisamente de 10.33m de altura. Al pie existe, como sabemos, la presion hidrostatica de 1.033kg/cm2. Este valor de presion, se llama una atmosfera. Dada la casualidad de que este numero es tan proximo a 1, redondeado puede admitirse que una atmosfera vale 1kg/cm2. De hecho asi se ha definido la atmosfera metrica.

La existencia de la presion atmosferica puede comprobarse experimentalmente de muchos y muy variados modos:

El propio tubo de Torricelli y los barometros;

al efectuar el vacio en una camara o habitacion ( aun vacio parcial: simple disminucion de la presion atmosferica), como la presion interior de nuestro cuerpo es mayo, existe el riesgo de ruptura de vaos sanguineos y otras viceras. Es lo que ocurre en las grandes alturas y en aviones sin presion artificial;

las ventosas;
un vaso con agua, boca abajo, cerrado con unn papel;
las pipetas;
los pulverizadores;
los sifones, sobre los que se hablara con mas detalles en su propio tema;
las bombas de elevacion de agua; etc; etc.

Las condiciones en que corrientemente se mueven las obras hidraulicas son tales que, en general, no es necesario tener en cuenta la presion atmosferica, por que esta actua en todas partes, o, cuando menos en el inicio y el final de una aduccion, por lo que sus efectos se anulan. Debido a la diferencia de altura entre el inicio y el final de una aduccion, hay diferncias de presiones, pero seguramente nunca sera tan grande como para tener que considerar dichas presiones atmosfericas en el inicio y el final. Por tanto se desprecia la presion atmosferica para este tipo de analisis.

La presion real en un punto de una masa liquida, sera la que de el calculo, mas una atmosfera, o sea, mas 1 kg/cm2 aproximadamente.

Presion real = profundidad del agua en metros + 10metros.

P= h + 10m

Como cualquier otro punto que se considere, tambien se ha de contar los 10 m de presion atmosferica, y como en definitiva, lo que puede interesar es la diferencia de presiones y no presiones absolutas, el sumando constante de los 10m, no influye practicamente:

p1 = h1 + 10; p2= h2 + 10; p1 - p2 = h1 - h2 + 10 - 10 = h1 - h2[metros]

En ocaciones hay que tener en cuenta la presion atmosferica, por aguna razon: sifones, bombas, tramos de tuberia que funcionan con depresion, etc. Todos los puntos de un tubo o de un deposito, que se encuentren mas alto que el nivel libre externo, se halla a presion menor que la atmosferica.

No tener en cuenta la presion atmosferica, es algo asi como referir las presiones a un plano de comparacion de presiones situado a 1 kg/cm2 aproximadamente en vez de referirlas al autentico plano de comparacion de presiones, cuya presion seria cero.