Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS
h
C
A
W = rghA
h
tubo lleno de mercurio en un recipiente con mercurio y abierto a la atmósfera,
como se ilustra en la figura 1-55. La presión en el punto B es igual a la presión
atmosférica, y la presión en C se puede considerar como cero puesto que
sólo hay vapor de mercurio arriba del punto C y la presión es muy baja en
relación con P atm lo que permite ignorarla y obtener una excelente aproximación.
Al escribir un balance de fuerzas en la dirección vertical, se obtiene
P atm
rgh
(1-26)
B
Mercurio
FIGURA 1-55
Barómetro básico.
P atm
A 1 A 2
A 3
FIGURA 1-56
La longitud o el área de la sección
transversal del tubo no tiene efecto en
la altura de la columna de fluido de un
barómetro, siempre y cuando el diámetro
del tubo sea lo suficientemente grande
para evitar efectos (capilares) de tensión
superficial.
donde r es la densidad del mercurio, g es la aceleración gravitacional local y
h es la altura de la columna de mercurio arriba de la superficie libre. Observe
que la longitud y el área de la sección transversal del tubo no causan efecto en
la altura de la columna del fluido de un barómetro (Fig. 1-56).
Una unidad de presión de uso común es la atmósfera estándar, que se
define como la presión producida por una columna de mercurio de 760 mm de
altura a 0 °C (r Hg 13 595 kg/m 3 ) bajo la aceleración gravitacional estándar
(g 9.807 m/s 2 ). Si se usa agua en lugar de mercurio para medir la presión
atmosférica estándar, sería necesaria una columna de agua de casi 10.3 metros.
La presión se expresa a veces (en particular esto lo hacen los pronosticadores
del clima) en términos de la altura de la columna de mercurio. La presión
atmosférica estándar, por ejemplo, es 760 mm Hg (29.92 pulg Hg) a 0 °C. La
unidad mm Hg se llama también torr en honor a Torricelli. Por lo tanto, 1 atm
760 torr y 1 torr 133.3 Pa.
La presión atmosférica estándar P atm cambia de 101.325 kPa al nivel del
mar, a 89.88, 79.50, 54.05, 26.5 y 5.53 kPa a altitudes de 1 000, 2 000, 5 000,
10 000 y 20 000 metros, respectivamente. Por ejemplo, la presión atmosférica
en Denver (altura de 1 610 m) es 83.4 kPa.
Recuerde que la presión atmosférica de un sitio es simplemente el peso del
aire que se halla arriba de ese lugar por área superficial unitaria. Por lo tanto,
cambia no sólo con la altura sino también con las condiciones climáticas.
La disminución de la presión atmosférica con la altura tiene ramificaciones
de largo alcance en lo cotidiano. Por ejemplo, cocinar lleva más tiempo a
grandes altitudes puesto que el agua hierve a menor temperatura bajo presiones
atmosféricas más bajas. Una hemorragia por la nariz es una experiencia
común a grandes altitudes puesto que la diferencia entre la presión arterial y
la presión atmosférica es mayor en este caso, y las delicadas paredes de las
venas de la nariz a menudo no soportan este esfuerzo extra.
Para una temperatura dada, la densidad del aire es menor a grandes altitudes
y, por lo tanto, un determinado volumen contiene menos aire y menos
oxígeno. Así, no es sorprendente sentirse cansado con más facilidad y experimentar
problemas de respiración a grandes altitudes. Para compensar este
efecto, las personas que viven en poblaciones altas desarrollan pulmones más
eficaces. De manera similar, el motor de un auto de 2.0 L funcionará como
un motor de 1.7 L a 1 500 m de altitud (a menos que sea turbocargado)
como resultado de la caída de presión del 15 por ciento y, por ende, una caída
de 15 por ciento en la densidad del aire (Fig. 1-57). Un ventilador o compresor
desplazará 15 por ciento menos aire a esa altitud para el mismo volumen
de desplazamiento. Por lo tanto, mayores ventiladores de enfriamiento
deben seleccionarse para operar a elevadas altitudes y asegurar el flujo másico
especificado. La presión menor, y en consecuencia la menor densidad, afecta
también la fuerza de sustentación y el arrastre: los aviones necesitan las pistas
más largas para tomar más vuelo a grandes altitudes logrando la fuerza de
sustentación requerida, y ascienden a grandes alturas a fin de lograr un menor
arrastre y, por ende, mejor rendimiento de combustible.