Pressure
12 Feb, 2013
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PDFAir pressure
PRESENTATION: A small amount of water is put into a soft drinks can and the temperature is brought to boiling point. As the pressure is low when the temperature is decreased, the atmospheric pressure crushes the can.
- Collapsing can, Paul Hewitt, Phys. Teach. 51, 8 (2013)
- An Extension of the Imploding Can Demonstration, L. M. Gratton and S. Oss, Phys. Teach. 44, 269 (2006)
- Collapsing soda cans and efficiency, James McGahan, Phys. Teach. 28, 550 (1990)
INTRODUCTION: Air is a gas with weight, which means that it exerts pressure. It was Evangelista Torricelli (1608-1647) who came up with a method to measure the pressure of the atmosphere by inventing the mercury barometer in 1643. The pressure of the atmosphere at any point is numerically equal to the weight of a column of air for a cross-section unit of area that extends upwards from that point to the top limit of the atmosphere. It is possible to deform a tin-can by using the imbalance of pressures on the inside and outside.
OBJECTIVE: The main principle is to make observations and conjectures about why soft drinks can is crushed. This will be closely linked to the idea of pressure difference and related concepts.
MATERIALS: empty drinks can, tongs, container holding cold water, heater or Bunsen burner.
SETUP: A small amount of water is put into the can – about 1/8 of its capacity. The can is then placed on the Bunsen burner or heater and left until the water inside begins to boil. At that moment, using the tongs, the can is picked up and put into the water in such a way that its open mouth is the first part in contact with the water. The can is seen to be crushed.
EXPLANATION: When the water inside the can begins to boil, the steam expels the air that was originally inside into the atmosphere. When the can is turned over and put into the cold water, the steam condenses back into a liquid state. The water molecules in a liquid state are much more compact than those in a gaseous state, which means the water takes up much less space and this produces a decrease in the pressure in the can to much below that of the atmosphere. That is why the container implodes: to balance atmospheric pressure with the pressure inside the can.
CONCEPTS: material states, changes of state, atmospheric pressure, steam pressure, boiling point, thermodynamic equilibrium, ideal gases, ideal gas law, properties of gases, properties of liquids.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
STUDENTS 2012-2013: Antonio Sixto, David Zúñiga, Javier Valladares, Pablo Pedreira
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
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Creo que el concepto de presión puede ser más común para los alumnos, sin embargo, el concepto de presión como algo físico/químico y sobre todo el concepto de presión de aire como agente capaz de hacer cosas como en el experimento del vídeo sí que puede ser algo mucho más complicado.
El concepto de presión es transversal, podemos encontrar principios, leyes y teoremas en diversos campos de la ciencia y de la tecnología: biología, geología, física, química, …. pero con un fundamento común.
Hay varias maneras que podemos emplear en el aula para explicar el concepto de “la presión del aire”.
– Por un lado tenemos el típico ejemplo de un vaso de agua taparlo con “una carta de una baraja” o algo con un material similar y darle la vuelta, de manera que el agua no se cae.
– Por otro lado, está el ejemplo de la jeringuilla a la que le metemos un globo pequeño un poco hinchado, si tapamos el orificio de salida con un dedo y empujamos con el émbolo, el globo se hace pequeño, por el contrario, si tiramos del émbolo hacia arriba el globo se hace más grande.
O feito de que a lata non implosione ao quentarse é debido a que o vapor da auga no interior da lata equilibra a súa presión (Presión de vapor) coa presión atmosférica (Presión externa). Por isto, este experimento serve tamén para demostrar a presión que exerce o vapor ao expandirse.
Neste enlace explícanse as características da Presión de Vapor.
Este outro vídeo (elaborado por un estudante) explica o efecto de succión que se produce no interior dun vaso para equiparar presións, despois de consumirse o osíxeno do aire dentro do vaso.
Este experimento es muy útil porque a pesar de que la presión está presente en nuestro día a día y de que la sentimos, no nos percatamos de lo que realmente es hasta que no se visualiza con un experimento como este. Además también permite observar las propiedades de un gas como la compresibilidad. El peso que tiene el aire se detecta por ejemplo cuando pasamos rápidamente de mucha altura a poca y nuestros oídos nos molestan porque notamos el peso adicional de aire, esto puede observarse también en las botellas de plástico con aire que parecen aplastadas. El concepto de presión también se puede comprobar en el agua de forma más drástica donde tan sólo con bajar dos metros los oídos empiezan a molestar porque el aire que tenemos dentro se comprime por el peso adicional del agua y es necesario aumentar la presión interna para equilibrar la situación.
Este último efecto se observa claramente en el siguiente experimento bajo el agua. Nótese también el gesto del buceador para regular la presión en el interior de los oídos.
El concepto de presión está presente en el currículum de Enseñanza Secundaria Obligatoria y Bachillerato en varias materias. Se puede explicar el término en si y además, aportar ejemplos, demostraciones como las del vídeo e incluso preguntas sobre lo que se observa en el día a día relacionado con la presión. Se puede introducir al alumnado lo que dijo Torricelli: “Vivimos en el fondo de un mar de aire. Sobre nuestras cabezas tenemos aproximadamente 2 toneladas de aire que ejerce una presión de 101.300 N/m2” y a continuación formular la pregunta: “¿Cómo es posible que no notemos nada?” En el siguiente vídeo se explican varios experimentos sencillos para entender el concepto de presión. También es interesante que conozcan los males que puede causar las fuertes variaciones de presión, en este enlace se explica lo que le sucede a los montañeros y en el siguiente enlace las enfermedades comunes de los buceadores.
En este laboratorio virtual se puede estudiar cómo varía la presión con la altura de una forma muy amena.
Este concepto se puede incluso expandir a la biología humana pues los problemas de desequilibrio en la presión del oído, que a menudo son causados por fallos en la apertura de la trompa de Eustaquio, dan como resultado una sensación incómoda, como la presión de oídos o sordera . Por regla general, cada vez que tragamos, esta estructura se abre brevemente antes de cerrarse de nuevo inmediatamente. Esto actúa para igualar la presión entre el oído medio y el oído externo. Cuando sucede, generalmente se oye un “clic”.
Impresionante experimento, seguro que moi motivador para os alumnos. No seguinte vídeo, explícase o efecto contrario, ao facer aumentar a presión dentro dunha lata.
Los seres humanos recurrimos a la tecnología para sobrevivir en ambientes que nos resultan hostiles. Nuestro cuerpo está adaptado a la presión atmosférica común, por ello cuando la presión es baja tenemos problemas de salud. No me refiero tanto a lo que sucede en alta montaña, en este caso es más bien una cuestión de concentración de oxígeno, si no en el vacío del espacio, donde no hay ninguna presión.
En el espacio, aunque tuviésemos un suministro de oxígeno moriríamos en un instante por culpa del vacío. Esto es porque el oxígeno en ausencia de presión no permanece en la sangre, de manera que el cerebro se queda sin suministro rápidamente haciendo que la persona quede inconsciente en apenas segundos y muera de hipoxia en pocos minutos. Otro problema es el ebullismo, y es que en algunos fluidos corporales (sangre incluida) en ausencia de presión el agua que contienen pasa a estado gaseoso. Esto produce una hinchazón generalizada, además de los problemas implícitos al quedar inservibles dichos fluidos. También puede producirse el denominado síndrome de descompresión, que consiste en la obstrucción de algunas secciones del sistema circulatorio por las burbujas de los gases que estaban disueltos en la sangre y debido a las bajas presiones dejan de estarlo. No obstante, este síndrome no sólo se aplica a astronautas, de hecho fue descubierto previamente en submarinistas. Por ello, los buzos han de pasar largo rato en cámaras de descompresión (ha de ser gradual) cuando exploran profundidades importantes; y por su parte, los trajes de los astronautas son “presurizados” (aunque también han de protegerles de otros peligros, como la radiación, las temperaturas extremas en la medida de lo posible, etc.).
A modo de curiosidad, dejo un link a una noticia del periódico ABC en la que se habla del papel que un español, Emilio Herrera, tuvo en el desarrollo de los trajes espaciales.
Es bastante probable que este experimento le encante a cualquier grupo de alumnos, y, bien explicado, puede resolver cualquier duda que haya al respecto de presiones parciales. Debido a lo avanzado de este concepto, probablemente esté mas indicado para alumnos de 4º ESO/BAC. Además, se les puede explicar que, cosas muy similares a estas ocurren en aparatos que emplean en su día a día. Por ejemplo la cafetera italiana, donde la presión del vapor de agua empuja al agua para que suba por el filtro y se haga el café.
El experimento que se muestra, demuestra la tensión superficial que posee el agua, mediante un procedimiento sencillo y poco costoso. A continuación, pongo un enlace en el que se recoge otro experimento que tiene como finalidad demostrar como la tensión superficial del agua y la influencia de la presión atmosférica impide que el agua caiga de un recipiente cerrado por un lado y abierto por otro. Se trata de un experimento sencillo, que utiliza materiales también sencillos y que se podría realizar en el patio del colegio algo que a los alumnos siempre les provoca una gran motivación.
Es importante que el concepto de tensión superficial les quede claro a los alumnos pues se da en muchas situaciones reales como por ejemplo en el caso de los zapateros, por lo que mostrarles un vídeo sobre estos insectos a la par que se hace un experimento también sería una buena metodología.
Esta actividad manipulativa resulta de gran interés para el alumnado de la ESO y de Bachillerato. Al tratarse de un experimento que se realiza con materiales sencillos y de bajo coste es válido para montar en cualquier centro docente. Es interesante utilizar este experimento para explicar las leyes de los gases, concretamente la Ley de Gay-Lussac. Esta Ley establece que, para un volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura. Es decir, si la temperatura aumenta la presión del gas se incrementa, mientras que si la temperatura disminuye la presión del gas se reduce. Cuando la lata es retirada del fuego y se introduce en el agua fría su temperatura se reduce y ello hace que la presión en su interior disminuya. Como consecuencia la lata se colapsa hasta que las presiones (externas e internas) se igualan. Os dejo un link en el que podéis ver otro experimento que permite demostrar la Ley de Gay-Lussac, pero también la Ley de Boyle-Mariotte. Se trata de un experimento sencillo, con materiales caseros, que puede ser realizado por estudiantes de cualquier nivel de la ESO.
Espero que os sea de utilidad.
Según la teoría cinética de los gases, la presión de un gas es la fuerza ejercida sobre una superficie por los continuos choques de las moléculas del gas en movimiento. Los dos factores principales que afectan a la presión que un gas específico ejercería sobre una superficie son la temperatura y la densidad. Las tres variables (presión, temperatura y densidad) se relacionan entre sí a través de la ecuación de estado de los gases ideales. De acuerdo con esta ecuación, la presión atmosférica, es decir, la presión que ejerce el aire (mezcla de gases) de la atmósfera es proporcional a la temperatura. Cuando el aire se calienta manteniendo la densidad constante, sus moléculas se mueven más rápido y aumenta la fuerza, ejerciendo por tanto más presión. El comportamiento es inverso cuando el aire se enfría. En el siguiente enlace se realizan una serie de experiencias relacionadas con los efectos de los cambios de temperatura sobre la presión.
Con este experimento se pueden tratar una amplia panoplia de conceptos diferentes, desde cambios de estado, hasta propiedades de los gases o líquidos. Para sazonar esta práctica, que permite percibir los efectos observables a simple vista de estos conceptos recomiendo visitar este link, que permite utilizar varios simuladores, por ejemplo un calentador virtual donde se puede observar cómo va cambiando el comportamiento de los átomos a diferentes temperaturas, u otro que permite modificar la temperatura de un gas que ocupa un determinado volumen, y observar como las partículas aumentan su velocidad chocando con más energía conforme se incrementa la temperatura. Adicionalmente, los simuladores que aparecen en el link salpimentan su uso con diferentes explicaciones teóricas que ayudan a comprender mejor estos conceptos.
El concepto de presión puede resultar abstracto o difícil de entender para el alumnado, por lo que resulta de gran utilidad poder demostrarlo por medio de un experimento tan visual e impactante que demuestra el cambio de presión en el interior de la lata. Os dejo un link con dos experimentos similares, el primero es el clásico experimento de la vela y el vaso, y en el segundo solamente se calienta una botella y se coloca boca abajo en un plato con agua. Cuando la botella se enfría, se produce un cambio de presión que hace que el agua ascienda por la botella.
Este experimento es ideal para explicar en el aula de secundaria y bachiller la Ley de los Gases Ideales, la cual explica las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de una muestra de gas. Con esta sencilla experiencia podremos primero explicar el proceso isobárico de Charles (V1/T1=V2/T2; en la fase de ebullición podemos comprobar cómo se expulsa vapor de agua de la lata, ya que según la ecuación, al aumentar de temperatura debe aumentar al mismo tiempo de volumen) y el Proceso isócoro de Gay Lussac (P1/T1=P2/T2; al sumergir el agujero de la lata en agua fría y por lo tanto impedir la entrada/salida de aire, en el momento en el que introducimos la lata en el agua fría se produce un descenso de temperatura y el vapor de agua se condensa, lo que se traduce en una disminución de la presión en su interior. Como las paredes de la lata son flexibles, esta disminución de la presión provoca que la lata se deforme perdiendo volumen, igualándose las presiones externa e interna)
Con este sencillo experimento podremos utilizar el mismo concepto (cambios en la presión, volumen y temperatura de los gases) con el fin de crear un termómetro casero.
El experimento permite tratar no solamente los efectos que pueden ocurrir cuando dos presiones diferentes se equilibran, sino también las propiedades de los gases y los cambios de estado de gas a líquido, e incluso la relación entre presión y temperatura. Además, puede ilustrarse el concepto de presión con la construcción de un barómetro casero que permita comparar la presión atmosférica con la presión dentro del barómetro y con el que también se puede mostrar de forma visual cómo varía la presión al variar la temperatura.
Este experimento permite conocer los estados de un gas en función de la cantidad de éste, la presión, la temperatura y el volumen. Otro tipo de actividad que permite jugar con este tipo de términos así como de poner en práctica la Ley de Boyle y la Ley de Gay-Lussac, sería la que se muestra en el siguiente vídeo empleando un globo y una botella.
Este mismo experimento, en lugar de hacerlo con una lata es posible realizarlo con una botella de plástico sin necesidad de incluir agua en el interior. Si se calienta la botella y ante de sumergirla en el agua se coloca el tapón, se ve que al introducirla en el agua fría también se aplasta aunque no tanto como la lata. Este experimento y su explicación se pueden ver en este vídeo.
Os comparto una interesante página web educativa con múltiples contenidos sobre las leyes de los gases. Entre sus múltiples contenidos, podemos encontrar completas explicaciones sobre variables básicas (presión, volumen, temperatura, cantidad de gas), explicaciones amenas de las distintas leyes de los gases (Avogadro, Charles, Boyle, Gay-Lussac, ley de los gases ideales, ley generalizada) que incluyen simulaciones de las mismas e incluso podemos experimentar en varios laboratorios virtuales. Por tanto, me parece una interesante herramienta educativa que se puede emplear para trabajar el contenido B2.4. Leyes de los gases incluido en el currículum para la materia de Física y Química de 2ºESO
Este experimento recórdame a un que mirei fai pouco en Youtube. É similar ao comentado por RaquelC, pero ao ser máis rápido paréceme máis asombroso para o alumnado. O aire expándese ao quentarse e contráese ao enfriarse. Ao introducir auga fervendo nunha botella de vidro, incrementamos a temperatura do cristal. Unha vez eliminamos o líquido, o aire que queda no interior da botella expándese. Pechamos a botella cun tapón atravesado por un tubiño de plástico. Introducimos a botella boca abaixo en auga fría, o que provoca o descenso de temperatura do cristal. Así, o aire contido no interior da botella tamén enfría, diminuíndo a presión segundo a Lei de Gay-Lussac. Esta diminución de presión crea un vacío que aspira a auga no interior da botella en contra da gravidade da maneira moi rápida.
Al hilo de los comentarios anteriores que mencionan la ley de Gay-Lussac, me gustaría poder explicar el funcionamiento de un instrumento de cocina que parte de este principio para su funcionamiento y que esta presente en nuestro día a día: la olla a presión. Con este útil se consigue en un periodo de tiempo más corto los mismos efectos que el estofado o la cocción a fuello lento. La temperatura de ebullición sube por encima de los 100ºC hasta los 130 ºC a causa de que el punto de ebullición del agua aumenta cuando se incrementa la presión. El recipiente tiene una válvula que limita la presión, liberando el vapor cuando se llega a un limite establecido manteniendo la presión constante (y por tanto la temperatura) durante el tiempo de cocción. Os dejo aquí un video explicativo muy completo al respecto.
Los frenos hidráulicos están diseñados para impedir volcamientos de automóviles y otros vehículos, y funcionan manteniendo la presión del fluido de freno alta o baja según se requiera en el momento, para suavizar la acción de frenado y minimizar el riesgo de derrapamiento.
La Indiana Southeast University tiene un applet sobre presión en esta web. La inclusión de preguntas y distintas simulaciones resulta muy útil para explicar, por ejemplo, la presión en los gases.
Outra variante de actividade que demostra que a presión dun gas é directamente proporcional á súa temperatura se se mantén un volume constante (lei de Gay-Lussac) pode levarse a cabo empregando un vaso de cristal, un recipiente con auga fría, unha vela e un globo.
Por unha banda temos que inchar o globo de aire e facerlle un nó. Por outra banda, imos acender a vela e colocar o vaso boca abaixo enriba dela para que a chama quente o aire que contén o vaso. Posteriormente colocamos o globo sobre o vaso e empuxamos lixeiramente impedindo que o aire entre ou saia do vaso. De seguido, introducimos o vaso no recipiente con auga fría. Tras un minuto poderemos ver que o globo se introduciu lixeiramente no vaso e que ao levantarmos o globo o vaso queda pegado a el. Isto débese a que ao descender a temperatura do vaso diminuíu tamén a súa presión.
Podemos completar a nosa explicación empregando unha simulación sobre o comportamento dos gases, vendo que acontece coas partículas dos mesmos ao variar parámetros coma a presión, volume, temperatura e número de partículas; actividade que nos permitirá introducir e relacionar outras leis que explican as propiedades dos gases.
Otro experimento que puede resultar sencillo para los alumnos de secundaria y en el que se puede apreciar el efecto de la presión del aire, está basado en la construcción de una fuente a partir de una botella, un globo y una pajita de plástico. El procedimiento a seguir, la explicación y el fundamento del fenómeno se pueden consultar en el enlace.
Otro experimento muy interesante para observar la presión sobre un líquido es el que se presenta en el siguientes programa de Órbita Laika. En este programa hay un primer experimento sobre el principio de Arquímedes de flotación y seguidamente se presenta un experimento de cómo hacer hervir agua sin elevar la temperatura a los 100ºC. La demostración nos enseña que la temperatura de ebullición depende de la presión a la que está sometida el líquido. Al reducir la presión dentro del recipiente por debajo de la presión atmosférica, el agua ebulle. Es un experimento muy sencillo y que se puede realizar en el aula.
Outro experimento sinxelo que combina o efecto da presión atmosférica e a condensación é a creación dunha nube nunha botella O que está a acontecer é que ó presurizar o interior da botella cunha bomba de aire, o alcol comprimese e quéntase (maior presión). Cando retiramos o tampón da botella, prodúcese un descenso brusco da presión e a temperatura enfría dando lugar a condensación do alcol, formando unha especie de nube. Se voltamos aplicar de novo presión no interior da botella, veremos como a nube desaparece (o alcol volvese a comprimir).
Viendo estos experimentos relacionados con la presión, me ha venido a la cabeza que se le podría hacer a los estudiantes la siguiente pregunta ¿por qué cuesta tanto cocer un huevo a grandes alturas? Es muy difícil cocer un huevo o cualquier otro alimento en altura, porque el agua se evapora a menor temperatura. En la altura, la presión atmosférica es menor, y a menor presión atmosférica, menor es la temperatura necesaria para alcanzar el punto de ebullición del agua. Entonces, el agua se evapora antes de alcanzar la temperatura necesaria para cocinar un huevo o cualquier alimento.
Este experimento permite a los alumnos observar de forma directa la relación entre presión y temperatura. El siguiente vídeo muestra un experimento que puede complementar a este al permitir visualizar la relación entre presión y volumen.
Otra forma de comprobar el poder de la presión atmosférica, sería comentar el experimento que realizó Otto von Guericke de los hemisferios de Magdeburgo. Guericke diseñó la primera bomba de vacio para explicar el concepto de la presión atmosférica y demostrar la existencia del vacio. Consiste en dos semiesferas huecas que si son unidas por simple contacto de sus superficies y se extrae el aire de su interior, crean un vacío interno. En estas condiciones la atmósfera ejerce sobre la superficie externa una presión que hace muy difícil separar ambas piezas. En este vídeo de 2013 se puede ver una recreación del experimento original.
A presión paréceme un concepto que da moitísimo xogo. Unha alternativa a este experimento ocórreseme que pode ser o de sumerxir nun baño de xeo unha pelota de Ping Pong, ao pouco tempo tamén pode observarse como esta se arruga, e tamén é un experimento moi visual que ten como fin a explicación do mesmo fenómeno. Ademais creo que sería moi interesante poder comparar co efecto contrario, é dicir, o que ocorre cando a pelota de Ping Pong se sumerxe en auga quente, e o mesmo coa lata, que previamente se tería que ter metido no conxelador.
Cuanta más llamativa sea la ciencia, más probable es que consigamos llamar la atención y fomentemos el interés de los más pequeños. En esta web podemos ver esta misma experiencia pero a lo grande, con un camión cisterna.
Como se ha visto en los comentarios anteriores, se mencionan las leyes de los gases ideales como la Ley de Gay-Lussac y la Ley de Boyle-Mariotte.Sin embargo, me parece importante destacar que este tipo de descubrimientos y estudios tienen también una aplicación en la vida cotidiana como puede ser la olla a presión. En condiciones normales a temperatura ambiente a nivel del mar donde la presión es de 101325 Pa el agua hervirá a 100ºC. en un “sistema abierto”. A esta temperatura, el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso. Por lo que aplicar más calor a una olla de agua abierta solo aumentará la velocidad a la que el agua líquida se convierte en vapor, pero no aumentará la temperatura del líquido. En cambio, si se reduce la presión (por ejemplo, en elevaciones más altas), el punto en el que el agua hierve disminuirá (ya que es más fácil que las moléculas de agua escapen de la superficie). Si se aumenta la presión sobre el agua se vuelve más difícil que las moléculas de agua escapen a la superficie y se requiere una temperatura más alta para que el agua hierva. En un recipiente cerrado como una olla a presión, las cosas cambian. El agua y el vapor están en equilibrio y mantendrán la misma temperatura. Sin lugar para escapar si se aplica calor al recipiente cerrado, las moléculas en estado gaseoso aumentarán la velocidad y, por lo tanto, la temperatura. Esto incrementará la presión sobre la superficie del líquido y, en consecuencia, aumentará la temperatura del sistema de agua.
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