C.5.1 Utilice la teoría cinética molecular con las leyes de gas combinadas e ideales para explicar los cambios en volumen, presión, moles y temperatura de un gas.
Objetivos de Aprendizaje:
Definir la propiedad de presión.
Definir y convertir entre las unidades de medición de presión.
Describir la operación de herramientas comunes para medir la presión de gas.
Calcular la presión a partir de datos del manómetro.
La atmósfera de la Tierra ejerce una presión, al igual que cualquier otro gas. Aunque normalmente no notamos la presión atmosférica, somos sensibles a los cambios de presión; por ejemplo, cuando nuestros oídos "estallan" durante el despegue y el aterrizaje al volar, o cuando buceamos bajo el agua. La presión del gas es causada por la fuerza ejercida por las moléculas de gas al chocar con las superficies de los objetos. Aunque la fuerza de cada colisión es muy pequeña, cualquier superficie de área apreciable experimenta un gran número de colisiones en un corto período de tiempo, lo que puede resultar en una alta presión. De hecho, la presión del aire normal es lo suficientemente fuerte como para aplastar un recipiente de metal cuando no está equilibrada por una presión igual desde el interior del recipiente.
La atmósfera que nos rodea ejerce una gran presión sobre los objetos en la superficie de la Tierra, aproximadamente igual al peso de una bola de boliche presionando sobre un área del tamaño de la uña de un humano.
Videos: Una ilustración de cuán dramática puede ser la presión atmosférica se demuestra en el video a continuación, en el que un tanque ferroviario implosiona debido a la presión atmosférica externa, mientras que la presión interna del tanque se disminuye. Una demostración a menor escala de este fenómeno se describe en el segundo video.
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La unidad del SI de presión es el pascal (Pa), donde 1 Pa = 1 N/m², siendo N el Newton, una unidad de fuerza definida como 1 kg m/s². Un pascal es una presión pequeña; en muchos casos, es más conveniente usar unidades de kilopascal (1 kPa = 1000 Pa) o bar (1 bar = 100,000 Pa). En los Estados Unidos, la presión a menudo se mide en libras de fuerza por un área de una pulgada cuadrada—libras por pulgada cuadrada (psi)—por ejemplo, en los neumáticos de los automóviles. La presión también se puede medir usando la unidad atmósfera (atm), que originalmente representaba la presión promedio del aire a nivel del mar en la latitud aproximada de París (45°). La tabla a continuación proporciona información sobre estas y algunas otras unidades comunes para las mediciones de presión.
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Tabla de Conversión de Unidades de Presión
Question 15
15.
a.) Un _______ es equivalente a 101,325 pascales (Pa).
b.) Un _______ es igual a 1 torr.
c.) Un _______ es aproximadamente 0.001 bar.
d.) Un _______ equivale a 760 torr.
e.) La presión del aire a nivel del mar es _______ .
Ejemplo 1 - Ejemplos de Conversión entre Unidades de Presión
El Servicio Nacional de Meteorología de los Estados Unidos informa la presión tanto en pulgadas de Hg como en milibares. Convierte una presión de 29.2 in. Hg en:
(a) torr
(b) atm
(c) kPa
(d) mbar
Solución
Este es un problema de conversión de unidades. Las relaciones entre las diversas unidades de presión se dan en la tabla de conversión (arriba).
Question 16
16.
Pregunta Adicional (no requerida - todos los espacios deben ser correctos para ganar el bono):
Una presión barométrica típica en Kansas City es de 740 torr.
¿Cuál es esta presión en atmósferas, en milímetros de mercurio, en kilopascales y en bar?
atm _______
mmHg _______
kPa _______
bar _______
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Ejemplo 2 - Cálculo de la Presión Barométrica
Muestra el cálculo que respalda la afirmación de que la presión atmosférica cerca del nivel del mar corresponde a la presión ejercida por una columna de mercurio de aproximadamente 760 mm de altura. La densidad del mercurio = 13.6 g/cm³.
Solución
La presión hidrostática se da por p=hρgp = hρgp=hρg, donde h = 760 mm, ρ = 13.6 g/cm³, y g = 9.81 m/s². Al introducir estos valores en la ecuación y realizar las conversiones de unidades necesarias, obtendremos el valor que buscamos. (Nota: Esperamos encontrar una presión de aproximadamente 101,325 Pa o 1.01×105 Pa.)
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Tabla de Conversión de Unidades de Presión
Ejemplo 3 - Cálculo de la Presión Usando un Manómetro de Extremo Cerrado
La presión de una muestra de gas se mide con un manómetro de extremo cerrado, como se muestra a la derecha. El líquido en el manómetro es mercurio.
Determina la presión del gas en:
(a) torr
(b) Pa
(c) bar
Solución
La presión del gas es igual a una columna de mercurio de altura 26.4 cm. (La presión en la línea horizontal inferior es igual en ambos lados del tubo. La presión en el lado izquierdo se debe al gas y la presión en el lado derecho se debe a 26.4 cm de Hg, o mercurio.) Podríamos usar la ecuación p=hρgp = hρgp=hρg como en el Ejemplo 2, pero es más simple convertir entre unidades usando la tabla de conversión de presión (arriba).
Question 26
26.
Pregunta Extra (no requerida - debe ser correcta en todos los espacios para ganar el bono):
La presión de una muestra de gas se mide con un manómetro de extremo cerrado. El líquido en el manómetro es mercurio.
Determina la presión del gas en:
(a) torr _______
(b) Pa _______
(c) bar _______
Química en la Vida Cotidiana - Medición de la Presión Arterial
La presión arterial se mide utilizando un dispositivo llamado esfigmomanómetro (del griego "sphygmos" = "pulso"). Consiste en un manguito inflable para restringir el flujo sanguíneo, un manómetro para medir la presión y un método para determinar cuándo comienza el flujo sanguíneo y cuándo se ve impedido (Figura 9.6). Desde su invención en 1881, ha sido un dispositivo médico esencial.
Existen muchos tipos de esfigmomanómetros: manuales que requieren un estetoscopio y son utilizados por profesionales médicos; de mercurio, usados cuando se requiere la máxima precisión; mecánicos menos precisos; y digitales que pueden usarse con poca formación, pero que tienen limitaciones.
Al usar un esfigmomanómetro, el manguito se coloca alrededor de la parte superior del brazo e se infla hasta que el flujo sanguíneo se bloquea completamente, luego se libera lentamente. A medida que el corazón late, la sangre forzada a través de las arterias causa un aumento en la presión. Este aumento en la presión, cuando comienza el flujo sanguíneo, es la presión sistólica—la presión máxima en el ciclo cardíaco. Cuando la presión del manguito iguala la presión sistólica arterial, la sangre fluye más allá del manguito, creando sonidos audibles que pueden ser escuchados con un estetoscopio. Esto es seguido por una disminución de la presión mientras los ventrículos del corazón se preparan para otro latido. A medida que la presión del manguito continúa disminuyendo, eventualmente ya no se escucha sonido; esto es la presión diastólica—la presión más baja (fase de reposo) en el ciclo cardíaco. Las unidades de presión arterial de un esfigmomanómetro se expresan en milímetros de mercurio (mm Hg).
Figura 9.6
(a) Un técnico médico se prepara para medir la presión arterial de un paciente con un esfigmomanómetro.
(b) Un esfigmomanómetro típico utiliza un globo de goma con válvula para inflar el manguito y un manómetro de diafragma para medir la presión.
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2.5
Question 31
31.
Question 32
32.
Explica cómo la presión atmosférica es causada por el peso de las moléculas de aire.
Question 33
33.
Describe la diferencia entre un manómetro de extremo cerrado y un manómetro de extremo abierto.
Question 1
1.
a.) La atmósfera de la Tierra ejerce presión, al igual que cualquier otro gas. _______
b.) La presión del aire normal es lo suficientemente fuerte como para aplastar un recipiente de metal cuando no está equilibrada. _______
Question 2
2.
¿Qué causa la presión del gas?
La presión atmosférica es causada por el peso de la columna de moléculas de aire en la atmósfera sobre un objeto, como un tanque de carga. Al nivel del mar, esta presión es aproximadamente la misma que la ejercida por un elefante africano adulto de pie sobre un felpudo, o una bola de boliche típica descansando sobre tu pulgar. Estos ejemplos pueden parecer cantidades enormes, y lo son, pero la vida en la Tierra ha evolucionado bajo tal presión atmosférica. Si realmente colocas una bola de boliche sobre tu pulgar, la presión experimentada es el doble de la presión habitual, y la sensación es desagradable.
En general, la presión se define como la fuerza ejercida sobre una determinada área.
Nota que la presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área. Proporcional a la fuerza significa que si aumentas la fuerza aplicada a algo, el efecto o resultado también aumenta. Por ejemplo, empujar más fuerte una puerta hará que se abra más fácilmente. Inversamente proporcional al área significa que si aumentas el área sobre la cual se aplica una fuerza, el efecto o resultado disminuye. Por ejemplo, si empujas sobre una superficie grande (como una puerta ancha), la presión que creas es menor en comparación con empujar sobre una superficie pequeña (como un alfiler). Así que, más área significa menos presión.
Por lo tanto, la presión puede aumentarse ya sea aumentando la cantidad de fuerza o disminuyendo el área sobre la cual se aplica; la presión puede disminuirse disminuyendo la fuerza o aumentando el área.
Question 3
3.
¿Qué causa la presión atmosférica?
Question 4
4.
Al nivel del mar, la presión atmosférica es aproximadamente equivalente al peso de un _______ .
Question 5
5.
¿Qué sucede con la presión cuando colocas una bola de boliche sobre tu uña?
Question 6
6.
¿Cómo se define la presión matemáticamente?
x = _______
y = _______
Question 7
7.
¿Qué significa que la presión es inversamente proporcional al área?
Question 8
8.
¿Qué significa que la presión es proporcional a la fuerza?
Vamos a aplicar este concepto para determinar cuál ejerce una mayor presión en la Figura 9.3: ¿el elefante o el patinador artístico? Un gran elefante africano puede pesar 7 toneladas, apoyado en cuatro patas, cada una con un diámetro de aproximadamente 1.5 pies (área de huella de 250 in²), por lo que la presión ejercida por cada pata es de aproximadamente 14 lb/in².
El patinador artístico pesa alrededor de 120 lbs, apoyado en dos cuchillas de patín, cada una con un área de aproximadamente 2 in², por lo que la presión ejercida por cada cuchilla es de aproximadamente 30 lb/in².
A pesar de que el elefante pesa más de cien veces que el patinador, ejerce menos de la mitad de la presión. Por otro lado, si el patinador se quita los patines y se queda de pie descalzo (o con calzado normal) sobre el hielo, el área mayor sobre la que se aplica su peso reduce considerablemente la presión ejercida.
Figura 9.3 Aunque (a) el peso de un elefante es grande, creando una fuerza muy grande sobre el suelo, (b) el patinador artístico ejerce una presión mucho más alta sobre el hielo debido a la pequeña superficie de los patines. (crédito a: modificación del trabajo de Guido da Rozze; crédito b: modificación del trabajo de Ryosuke Yagi)
Question 9
9.
Question 10
10.
Question 11
11.
¿Qué pasó con la presión ejercida por el patinador cuando se quitó los patines de figura?
Question 12
12.
Seguimiento a las preguntas 9-11.
¿Por qué cambió la presión ejercida por el patinador artístico en las situaciones de las preguntas 9 y 10?
Question 13
13.
Question 14
14.
Podemos medir la presión atmosférica, la fuerza ejercida por la atmósfera sobre la superficie de la Tierra, con un barómetro (Figura 9.4). Un barómetro es un tubo de vidrio cerrado en un extremo, lleno de un líquido no volátil como el mercurio, que se invierte e inmersa en un recipiente con ese líquido. La atmósfera ejerce presión sobre el líquido fuera del tubo, la columna de líquido ejerce presión dentro del tubo, y la presión en la superficie del líquido es la misma dentro y fuera del tubo. Por lo tanto, la altura del líquido en el tubo es proporcional a la presión ejercida por la atmósfera.
Figura 9.4 En un barómetro, la altura, h, de la columna de líquido se utiliza como medida de la presión del aire. Usar mercurio (izquierda), un líquido muy denso, permite la construcción de barómetros de tamaño razonable, mientras que usar agua (derecha) requeriría un barómetro de más de 30 pies de altura.
Si el líquido es agua, la presión atmosférica normal sostendrá una columna de agua de más de 10 metros de altura, lo cual es bastante inconveniente para fabricar (y leer) un barómetro. Dado que el mercurio (Hg) es aproximadamente 13.6 veces más denso que el agua, un barómetro de mercurio solo necesita ser 1/13.6 tan alto como un barómetro de agua, un tamaño más adecuado. La presión atmosférica estándar de 1 atm a nivel del mar (101325 Pa) corresponde a una columna de mercurio de aproximadamente 760 mm (29.92 in.) de altura. El torr fue originalmente concebido como una unidad igual a un milímetro de mercurio, pero ya no corresponde exactamente.
La presión ejercida por un fluido debido a la gravedad se conoce como presión hidrostática, p:
p = hρg
h = altura del fluido
ρ (letra griega "rho"; pronunciada como "row") = densidad del fluido
g = aceleración debida a la gravedad
Question 17
17.
Explica por qué un barómetro lleno de agua tendría que ser imprácticamente alto en comparación con uno lleno de mercurio.
Question 18
18.
Describe la relación entre la altura del líquido en el barómetro y la presión atmosférica.
Question 19
19.
Question 20
20.
Question 21
21.
a.) La altura de la columna de líquido en un barómetro es proporcional a la _______ presión ejercida por la atmósfera.
b.) La presión atmosférica estándar al nivel del mar es de _______ Pa.
c.) Un barómetro de mercurio mide aproximadamente _______ mm de altura a presión atmosférica estándar.
d.) La fórmula para la presión hidrostática es p = hρg, donde h es la _______ altura del fluido, ρ es la _______ densidad del fluido y g es la _______ aceleración debida a la gravedad.
Un Un manómetro es un dispositivo similar a un barómetro que se puede utilizar para medir la presión de un gas atrapado en un recipiente. Un manómetro de extremo cerrado es un tubo en forma de U con un brazo cerrado, un brazo que se conecta al gas a medir y un líquido no volátil (generalmente mercurio) en el medio. Al igual que en un barómetro, la distancia entre los niveles de líquido en los dos brazos del tubo (h en el diagrama) es proporcional a la presión del gas en el recipiente. Un manómetro de extremo abierto (Figura 9.5) es igual a un manómetro de extremo cerrado, pero uno de sus brazos está abierto a la atmósfera. En este caso, la distancia entre los niveles de líquido corresponde a la diferencia de presión entre el gas en el recipiente y la atmósfera.
Figura 9.5 Un manómetro se puede utilizar para medir la presión de un gas. La (diferencia en) altura entre los niveles de líquido (h) es una medida de la presión. El mercurio se utiliza generalmente debido a su gran densidad. es un dispositivo similar a un barómetro que se puede utilizar para medir la presión de un gas atrapado en un recipiente. Un manómetro de extremo cerrado es un tubo en forma de U con un brazo cerrado, un brazo que se conecta al gas a medir y un líquido no volátil (generalmente mercurio) en el medio. Al igual que en un barómetro, la distancia entre los niveles de líquido en los dos brazos del tubo (h en el diagrama) es proporcional a la presión del gas en el recipiente. Un manómetro de extremo abierto (Figura 9.5) es igual a un manómetro de extremo cerrado, pero uno de sus brazos está abierto a la atmósfera. En este caso, la distancia entre los niveles de líquido corresponde a la diferencia de presión entre el gas en el recipiente y la atmósfera.
Figura 9.5 Un manómetro se puede utilizar para medir la presión de un gas. La (diferencia en) altura entre los niveles de líquido (h) es una medida de la presión. El mercurio se utiliza generalmente debido a su gran densidad.
Question 22
22.
Question 23
23.
Question 24
24.
a.) Un manómetro es un tubo en forma de U que mide la presión de un _______ gas atrapado en un recipiente.
b.) En un manómetro de extremo cerrado, la distancia entre los niveles de líquido es proporcional a la _______ presión del gas.
c.) Un manómetro de extremo abierto muestra la diferencia de presión entre el gas y la _______ atmósfera.
d.) El líquido utilizado en un manómetro es generalmente _______ mercurio debido a su gran densidad.
Question 25
25.
Explica cómo un manómetro de extremo cerrado mide la presión del gas.
Question 27
27.
a.) Un esfigmomanómetro consiste en un manguito inflable, un _______ manómetro para medir la presión, y un método para determinar el flujo sanguíneo.
b.) La presión a la que comienza el flujo sanguíneo se conoce como _______ presión.
c.) La presión más baja en el ciclo cardíaco, cuando ya no se escucha sonido, se llama _______ presión.
d.) La presión arterial se mide en unidades de _______ de mercurio (mm Hg).
Question 28
28.
Describe la diferencia entre la presión sistólica y la presión diastólica.
Cómo se Interconectan las Ciencias - Meteorología, Climatología y Ciencia Atmosférica
A lo largo de la historia, las personas han observado nubes, vientos y precipitaciones, tratando de discernir patrones y hacer predicciones: cuándo es mejor plantar y cosechar; si es seguro emprender un viaje en el mar; y mucho más. Ahora enfrentamos desafíos complejos relacionados con el clima y la atmósfera que tendrán un gran impacto en nuestra civilización y el ecosistema. Varias disciplinas científicas utilizan principios químicos para ayudarnos a comprender mejor el clima, la atmósfera y el tiempo. Estas son la meteorología, la climatología y la ciencia atmosférica. La meteorología es el estudio de la atmósfera, los fenómenos atmosféricos y los efectos atmosféricos en el tiempo de la Tierra. Los meteorólogos buscan entender y predecir el clima a corto plazo, lo que puede salvar vidas y beneficiar la economía. Las predicciones del tiempo (Figura 9.7) son el resultado de miles de mediciones de presión atmosférica, temperatura y similares, que se compilan, modelan y analizan en centros meteorológicos de todo el mundo.
Figura 9.7 Los meteorólogos utilizan mapas del tiempo para describir y predecir el clima. Las regiones de alta (H) y baja (L) presión tienen grandes efectos en las condiciones climáticas. Las líneas grises representan ubicaciones de presión constante conocidas como isobaras.
En términos de clima, los sistemas de baja presión ocurren cuando la presión atmosférica en la superficie terrestre es menor que la del entorno circundante: el aire húmedo asciende y se condensa, produciendo nubes. El movimiento de humedad y aire dentro de varios frentes climáticos provoca la mayoría de los eventos climáticos.
La atmósfera es la capa gaseosa que rodea un planeta. La atmósfera de la Tierra, que tiene aproximadamente de 100 a 125 km de grosor, consiste en aproximadamente un 78.1% de nitrógeno y un 21.0% de oxígeno, y se puede subdividir aún más en las regiones que se muestran en la Figura 9.8: la exosfera (la más alejada de la Tierra, > 700 km sobre el nivel del mar), la termosfera (80–700 km), la mesosfera (50–80 km), la estratosfera (el segundo nivel más bajo de nuestra atmósfera, 12–50 km sobre el nivel del mar) y la troposfera (hasta 12 km sobre el nivel del mar, aproximadamente el 80% de la atmósfera de la Tierra en masa y la capa donde se originan la mayoría de los eventos climáticos). A medida que se asciende en la troposfera, tanto la densidad del aire como la temperatura disminuyen.
Figura 9.8 La atmósfera de la Tierra tiene cinco capas: la troposfera, la estratosfera, la mesosfera, la termosfera y la exosfera.
La climatología es el estudio del clima, las condiciones climáticas promedio a lo largo de períodos prolongados, utilizando datos atmosféricos. Sin embargo, los climatólogos estudian patrones y efectos que ocurren durante décadas, siglos y milenios, en lugar de períodos de tiempo más cortos como horas, días y semanas, como lo hacen los meteorólogos. La ciencia atmosférica es un campo aún más amplio, que combina la meteorología, la climatología y otras disciplinas científicas que estudian la atmósfera.
Question 29
29.
Question 30
30.
a.) La meteorología ayuda a predecir _______ a corto plazo para salvar vidas y beneficiar la economía.
b.) La climatología estudia las condiciones climáticas promedio durante _______ períodos de tiempo.
c.) La atmósfera de la Tierra está compuesta aproximadamente por _______ % de nitrógeno.
d.) La capa de la atmósfera donde se originan la mayoría de los eventos climáticos se llama _______ .
e.) Las cinco capas de la atmósfera de la Tierra son la termosfera, la mesosfera, la troposfera, la estratosfera y _______ .
¿Qué presión ejerce cada cuchilla de un patinador artístico?
20 lb/in²
25 lb/in²
30 lb/in²
15 lb/in²
¿Cuál es la presión ejercida por un pie del patinador al estar de pie descalzo?
2 lb/in²
1 lb/in²
4 lb/in²
3 lb/in²
¿Qué unidad se utiliza comúnmente para medir la presión en los neumáticos de los automóviles (selecciona todas las que correspondan)?
Atmósfera (atm)
Libras por pulgada cuadrada (psi)
Bar
Pascal (Pa)
¿Qué significa "atm" en la medición de presión (selecciona todas las que correspondan)?
Medida de temperatura absoluta
Medida promedio de neumático
Presión atmosférica
Tensión de área
¿Qué se utiliza un barómetro para medir (selecciona todas las que apliquen)?
Humedad
Velocidad del viento
Presión atmosférica
Temperatura
¿Por qué se utiliza mercurio en los barómetros en lugar de agua?
El mercurio es más denso que el agua
El mercurio se evapora menos
El mercurio es menos tóxico
El mercurio es más barato
¿Qué mide un manómetro? (selecciona todas las que apliquen)
Volumen
Presión del gas
Humedad
Temperatura
En un manómetro de extremo cerrado, un brazo está conectado al gas mientras que el otro brazo está:
Abierto a la atmósfera
Lleno de agua
Sellado
Vacío
¿Cuál es el enfoque principal de la meteorología?
Patrones climáticos a largo plazo
Fenómenos atmosféricos y predicción del tiempo
Corrientes oceánicas
La composición de la atmósfera
¿Cuál es la capa atmosférica más cercana a la superficie de la Tierra?