Conceptos Básicos De Termodinámica: Presión

La presión se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. se habla de presión solo cuando se trata de gas o liquido, mientras que la contra parte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área, tiene como unidad los newtons por metro cuadrado (N/m^2), tambien conocida como pascal (Pa), es decir:

La unidad de presión pascal es demasiado pequeña para las presiones que se suscitan en la practica. De ahí que sus múltiplos kilopascal y megapascal se usen mas comúnmente. otras tres unidades de presión de uso extendido, principalmente en Europa, son bar, atmósfera y kilogramo fuerza por centímetro cuadrado:

Observe que las unidades de presión bar, atm y kgf/cm^2 son casi equivalentes entre si. en el sistema ingles, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada, y 1 atm = 14.696 psi.

La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide respecto al vació absoluto (es decir, presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero atmósfera, por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es la presión manometrica. Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vació y se miden mediante medidores de vació que indican la diferencia entre la spresiones atmosférica y absoluta. Las presiones absoluta, manometrica y de vació son todas positivas y se relacionan entre si mediante:

En las relaciones y tablas termodinámicas casi siempre se usa la presión absoluta. con frecuencia se agregan las letras "a" (para presión absoluta) y "g" (para presión manometrica) a las unidades de presión (lo que resulta en psia y psig) para especificar esto:

La presión es la fuerza compresiva por unidad de área y da la impresión de ser un vector. sin embargo, la presión en cualquier punto de un fluido es la misma en todas las direcciones, es decir, tiene magnitud pero no dirección especifica y por lo tanto es una cantidad escalar.

Variación de la presión con la profundidad

Es de esperar que la presión en un fluido en reposo no cambie en la dirección horizontal. Esto se comprueba fácilmente al considerar una delgada capa horizontal de fluido y hacer un balance de fuerzas en cualquier dirección, horizontalmente. Sin embargo, en dirección vertical este no es el caso en un campo de gravedad. La presión de un fluido se incrementa con la profundidad debido a que una mayor cantidad de este descansa sobre las capas mas profundas y el efecto de este "peso extra" en una capa inferior se equilibra mediante el aumento de presión.

Si se considera que el punto 1 esta sobre la superficie libre de un liquido abierto a la atmósfera:

Donde la presión es la presión atmosférica Patm, entonces la presión a la profundidad h desde la superficie libre se convierte en:

Los líquidos son en esencia sustancias no compresibles y por lo tanto la variación de densidad con la profundidad es insignificante.Este también es el caso para los gases cuando el cambio de elevación no es muy grande. La variación de densidad de líquidos o gases con la temperatura puede ser importante y necesitaría ser considerada cuando se desea obtener precisión alta. asimismo, a grandes profundidades como las de los océanos, el cambio en la densidad de un liquido puede ser importante como resultado de la compresión ocasionada por la tremenda cantidad de peso del liquido situado arriba.

La presión en un fluido en reposo no depende de la forma o sección transversal del recipiente. Cambia con la distancia vertical, pero permanece constante en otras direcciones. De ahí que en un determinado fluido la presión sea la misma en todos los puntos de un plano horizontal. Esto se demuestra en una piscina la cual en el fondo tiene diferentes formas geométricas:

Donde se observa que las presiones en los puntos A, B, C, D, E, F y G son las mismas puesto que están a la misma profundidad e interconectadas por el mismo fluido estático. Sin embargo, las presiones en los puntos H e I no son las mismas puesto que estos dos puntos no pueden estar interconectadas por el mismo fluido (es decir, no se puede trazar una curva del punto I al punto H mientras se esta en el mismo fluido todo el tiempo), aunque se hallen a la misma profundidad. Asimismo, la fuerza de presión ejercida por el fluido siempre es normal a la superficie en los puntos especificados.

Una consecuencia de la presión en un fluido que permanece constante en la dirección horizontal es que la presión aplicada a un fluido confinado incrementa en la misma cantidad la presión en todas partes. Esto se llama ley de Pascal.

La maquina de Pascal ha sido el origen de muchas invenciones que son parte de la vida cotidiana actual, como los frenos y ascensores hidráulicos. Esto es lo que permite levantar fácilmente un automóvil mediando un brazo, como se muestra en la figura:

Donde P1 = P2 puesto que ambos pistones están al mismo nivel (las pequeñas diferencias de altura son insignificantes, en particular a altas presiones), la relación de fuerza de salida a fuerza de entrada se determina como:

La relación de área A2/A1 se llama ventaja mecánica ideal del elevador hidráulico. Por ejemplo, con un gato hidráulico que tiene una relación  de área de pistón de A2/A1 = 10, una persona puede levantar un automóvil de 1000 kg al aplicar una fuerza de solo 100kgf (= 981N).