Qué es la presión – Física – Definición

¿Qué es la presión?

La presión es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia. La unidad estándar de presión en el sistema SI es el Newton por metro cuadrado o pascal (Pa) . Matemáticamente:

p = F / A

dónde

• p es la presión
• F es la fuerza normal
• A es el área del límite

Pascal se define como la fuerza de 1N que se ejerce sobre el área de la unidad.

• 1 Pascal = 1 N / m ²

Escalas de presión – Unidades de presión

Pascal – Unidad de presión

Como se discutió, la unidad SI de presión y estrés es el pascal .

• 1 pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

Pascal se define como un newton por metro cuadrado. Sin embargo, para la mayoría de los problemas de ingeniería es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa , la barra y el MPa .

• 1 MPa 10 ⁶ N / m ²
• 1 bar 10 ⁵ N / m ²
• 1 kPa 10 ³ N / m ²

La unidad de medida llamada atmósfera estándar ( atm ) se define como:

• 1 atm = 101.33 kPa

La atmósfera estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. Tenga en cuenta que existe una diferencia entre la atmósfera estándar (atm) y la atmósfera técnica (at).

Una atmósfera técnica es una unidad de presión no SI igual a un kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado.

• 1 a = 98.67 kPa

Libras por pulgada cuadrada – psi

La unidad estándar en el sistema inglés es la fuerza de libra por pulgada cuadrada (psi) . Es la presión resultante de una fuerza de una libra de fuerza aplicada a un área de una pulgada cuadrada.

• 1 psi 1 lbf / in ² = 4.45 N / (0.0254 m) ² ≈ 6895 kg / m ²

Por lo tanto, una libra por pulgada cuadrada es aproximadamente 6895 Pa.

La unidad de medida llamada atmósfera estándar (atm) se define como:

• 1 atm = 14.7 psi

La atmósfera estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. Tenga en cuenta que existe una diferencia entre la atmósfera estándar (atm) y la atmósfera técnica (at).

Una atmósfera técnica es una unidad de presión no SI igual a un kilogramo de fuerza por centímetro cuadrado.

• 1 a = 14.2 psi

Bar – Unidad de presión

La barra es una unidad métrica de presión . No forma parte del Sistema Internacional de Unidades (SI). La barra se usa comúnmente en la industria y en la meteorología , y un instrumento utilizado en meteorología para medir la presión atmosférica se llama barómetro.

Una barra es exactamente igual a 100 000 Pa , y es ligeramente menor que la presión atmosférica promedio en la Tierra al nivel del mar ( 1 bar = 0,9869 atm). La presión atmosférica a menudo se da en milibares donde la presión estándar al nivel del mar se define como 1013 mbar, 1.013 bar o 101.3 (kPa).

Algunas veces, “Bar (a)” y “bara” se usan para indicar presiones absolutas y “bar (g)” y “barg” para presiones de manómetro.

Presión absoluta versus presión manométrica

La presión como se discutió anteriormente se llama presión absoluta . A menudo será importante distinguir entre presión absoluta y presión manométrica . En este artículo, el término presión se refiere a presión absoluta a menos que se indique explícitamente lo contrario. Pero en ingeniería a menudo tratamos con presiones, que son medidas por algunos dispositivos. Aunque las presiones absolutas deben usarse en las relaciones termodinámicas, los dispositivos de medición de presión a menudo indican la diferencia entre la presión absoluta en un sistema y la presión absoluta de la atmósfera existente fuera del dispositivo de medición. Miden la presión manométrica .

• Presión absoluta. Cuando la presión se mide en relación con un vacío perfecto, se llama presión absoluta (psia). Libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) se utiliza para dejar en claro que la presión es relativa a un vacío en lugar de la presión atmosférica ambiental. Dado que la presión atmosférica al nivel del mar es de alrededor de 101.3 kPa (14.7 psi), esto se agregará a cualquier lectura de presión realizada en el aire al nivel del mar.
• Presión manométrica. Cuando la presión se mide en relación con la presión atmosférica (14,7 psi), se denomina presión manométrica (psig). El término presión manométrica se aplica cuando la presión en el sistema es mayor que la presión atmosférica local, p _atm . La última escala de presión se desarrolló porque casi todos los manómetros registran cero cuando están abiertos a la atmósfera. Las presiones de los manómetros son positivas si están por encima de la presión atmosférica y negativas si están por debajo de la presión atmosférica.

p _gauge = p _absoluto – p _{absoluto; Cajero automático}

• Presión atmosférica. La presión atmosférica es la presión en el aire circundante en – o “cerca” de – la superficie de la tierra. La presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud sobre el nivel del mar. La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 ^o K (0 ^o C) y es:
  • 101325 Pa
  • 1.01325 bar
  • 14.696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 torr
• Presión negativa del manómetro – Presión de vacío. Cuando la presión atmosférica local es mayor que la presión en el sistema, se utiliza el término presión de vacío . Un vacío perfecto correspondería a la presión cero absoluta. Ciertamente es posible tener una presión manométrica negativa, pero no es posible tener una presión absoluta negativa. Por ejemplo, una presión absoluta de 80 kPa puede describirse como una presión manométrica de −21 kPa (es decir, 21 kPa por debajo de una presión atmosférica de 101 kPa).

p _vacío = p _{absoluto; cajero automático} – p _absoluto

Por ejemplo, un neumático de automóvil bombeado hasta 2.5 atm (36.75 psig) por encima de la presión atmosférica local (digamos 1 atm o 14.7 psia localmente), tendrá una presión absoluta de 2.5 + 1 = 3.5 atm (36.75 + 14.7 = 51.45 psia o 36,75 psig).

Por otro lado, las turbinas de vapor de condensación  (en centrales nucleares ) extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.

Ley del gas ideal

Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se llama ecuación de estado . La ecuación de estado más simple y mejor conocida para las sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado del gas ideal . Émile Clapeyron lo declaró por primera vez en 1834 como una combinación de la ley empírica de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro. Esta ecuación predice el comportamiento pvT de un gas con bastante precisión para gases diluidos o de baja 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 .

pV = nRT

dónde:

• p es la presión absoluta del gas
• n es la cantidad de sustancia
• T es la temperatura absoluta
• V es el volumen
• R es la constante de gas ideal o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,

En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.

El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad . Cuando se dan dos de las variables termodinámicas, p, v y T , se puede encontrar fácilmente la tercera . Un gas ideal se define como aquel en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no hay fuerzas de atracción intermoleculares. Un gas ideal puede visualizarse como una colección de esferas perfectamente duras que chocan pero que, de lo contrario, no interactúan entre sí. En realidad, ningún gas real es como un gas ideal y, por lo tanto, ningún gas real sigue completamente la ley o ecuación del gas ideal. A temperaturas cercanas al punto de ebullición de los gases, el aumento de la presión provocará la condensación y la disminución drástica del volumen. A presiones muy altas, las fuerzas intermoleculares de un gas son significativas. Sin embargo, la mayoría de los gases están en acuerdo aproximado a presiones y temperaturas superiores a su punto de ebullición.

Presiones típicas en ingeniería – Ejemplos

El pascal (Pa) como unidad de medida de presión se usa ampliamente en todo el mundo y ha reemplazado en gran medida la unidad de libras por pulgada cuadrada (psi) , excepto en algunos países que todavía usan el sistema de medida Imperial, incluido Estados Unidos. Para la mayoría de los problemas de ingeniería, el pascal (Pa) es una unidad bastante pequeña, por lo que es conveniente trabajar con múltiplos del pascal: el kPa, el MPa o la barra. La siguiente lista resume algunos ejemplos:

• Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de múltiples etapas . Estas turbinas extraen vapor a una presión muy inferior a la atmosférica (p. Ej., A 0,08 bar u 8 kPa o 1,16 psia) y en un estado parcialmente condensado. En unidades relativas es una presión manométrica negativa de aproximadamente – 0.92 bar, – 92 kPa, o – 13.54 psig.
• La presión atmosférica estándar se aproxima a la presión promedio al nivel del mar en la latitud 45 ° N. La presión atmosférica estándar se define al nivel del mar a 273 ^o K (0 ^o C) y es:
  • 101325 Pa
  • 1.01325 bar
  • 14.696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 torr
• La sobrepresión de los neumáticos del automóvil es de aproximadamente 2.5 bar, 0.25 MPa o 36 psig.
• Caldera de tubo de fuego de locomotora a vapor: 150–250 psig
• Una etapa de alta presión de la turbina de vapor de condensación en la planta de energía nuclear funciona en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa (60 bar o 870 psig), t = 275.6 ° C, x = 1
• Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (por ejemplo, 7MPa, 70 bar o 1015 psig), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas.
• Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (por ejemplo, 16MPa, 160 bar o 2320 psig). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento de aproximadamente 25 ° C.
• El reactor de agua supercrítico (SCWR) funciona a presión supercrítica . El término supercrítico en este contexto se refiere al punto termodinámico crítico del agua (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22.1 MPa)
• Inyección directa de combustible common rail: en los motores diesel, presenta un riel de combustible de alta presión (más de 1 000 bar o 100 MPa o 14500 psi).