Presión, Volumen y Temperatura: todo lo que tienes que saber.

Presión, volumen y temperatura son tres palabras usadas habitualmente. Ahora bien, ¿sabemos, exactamente, qué significan o qué son? La finalidad de este artículo es acercarte un poco más a estos tres conceptos desde el punto de vista fisicoquímico y, en particular, su relación con los gases, uno de los cuatro estados de la materia, un poco olvidados, pero vitales y, por demás, curiosos.

Volumen

Como sabrán, los gases se caracterizan por no tener forma ni volumen definido. Si un gas se encuentra dentro un recipiente herméticamente cerrado (significa que nada puede entrar ni salir), podemos decir que ocupa el volumen del recipiente. De esta manera, un gas encerrado en un recipiente de un 1 litro, también ocupará un volumen de un litro.

De esta manera, podemos definir:

El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo en el universo.

Las unidades en las que se pueden medir el volumen son las siguientes:

¿Por qué resaltamos, en negrita, a los litros? Esto tiene una explicación muy sencilla que seguramente entenderán mejor cuando vean “leyes de los gases“[note]Este link te lleva directo al segundo artículo de nuestro viaje por el estudio de los gases[/note], dado que, para implementar dichas leyes, es necesario que el volumen que ocupa un gas se exprese en litros.

Presión

Seguramente, alguna vez escucharon en los noticieros la siguiente frase:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

Analicemos un poco esta frase. Para empezar, supongamos que tenemos una cierta cantidad de un gas en un recipiente. Las partículas del gas se moverán constantemente, irán y vendrán rápidamente, como si jugasen a un microscópico juego de la mancha. ¿Se acuerdan de este juego? En él, todos se alejaban lo más posible de otros jugadores (quienes eran “la mancha”) para no perder. A las partículas de gas les pasa lo mismo: quieren alejarse unas de otras, moviéndose constantemente y chocando contra las paredes del recipiente. Ya podemos aclarar que:

Cuanto más frecuentes sean los choques de estas partículas contra las paredes del recipiente, mayor será la presión.

Pero, ¿qué es la presión? Para entender este concepto, primero veamos su definición:

La presión es el cociente entre la fuerza y la superficie, es decir: P=F/S. La presión es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre una superficie.

¿Presión, fuerza, superficie? ¿Qué? Tranquilos. Acá llegó EnsambleDeIdeas para que no les dé un pico de presión. Las partículas de un gas pueden representarse (es mejor decir, modelizarse) como un montón de “pelotitas” que chocan y chocan y chocan y chocan y… bueno, ya habrán entendido, dentro de un recipiente. Cada una de esas “pelotitas” ejercen una fuerza sobre alguna superficie (como por ejemplo, las paredes de un recipiente). La relación entre esas fuerzas y la superficie es la presión. Veamos las siguientes imágenes:

La figura 1 muestra que el martillo aplica una fuerza F a un clavito cuya superficie (S1) es muy pequeña. La figura 2 muestra que el mismo martillo aplica la misma fuerza F a un gran clavo cuya superficie (S2) es muy grande. ¿En cuál de los dos casos la presión será mayor?

Una pista muy importante:

\( p=\frac{F}{S}\)

Esta extraña relación matemática (que a estas alturas estarás odiando), nos muestra que cuando la superficie es muy pequeña, la presión es muy grande. Cuando la superficie es grande, la presión es muy pequeña. Entonces, volvamos a la pregunta: ¿en cuál de los dos casos la presión será mayor? ¡En el primero, donde el clavo es muy pequeño!

Así, si algún día viste a un “mago” recostarse sobre una cama de clavos, seguro les habrán engañado diciendo que es magia. ¡No es magia, es ciencia!

Si se recuestan sobre un clavo, la superficie del mismo es muy pequeña, por lo que la presión es gigante y no es nada seguro. No obstante, si se recuestan sobre una cama de clavos como la de la imagen de arriba, la superficie es ahora muy grande, por lo que la presión es muy baja y no les sucederá demasiado. ¡Abracadabra! Tengan en cuenta que la fuerza F es su peso, que no cambia entre una experiencia y otra.

¿Qué tiene que ver todo esto con los gases y con lo que vinieron a buscar? Comencemos recordando que vivimos sobre la faz de la tierra, hundidos en una gran masa de aire que llamamos atmósfera, la cual ocupa un gigantezco volumen y está formado por incontables partículas que conforman el aire.

¿Cuánto aire tienen sobre sus cabezas en este momento? Créannos que hay una columna de aire de casi 2 toneladas de aire que se extiende hasta el espacio. ¿Increíble, no? Sus cráneos son capaces de soportar tal presión. ¿Presión? ¡Justo lo que estábamos hablando! El conjunto de partículas gaseosas que conforman el aire ejerce una fuerza muy grande sobre los cuerpos sumergidos en la atmósfera. Esa fuerza evidentemente da lugar a una presión, tal como hemos visto en el ejemplo del martillo y los clavos, que llamaremos presión atmosférica. ¡Todo está relacionado!

¿Cuánto vale esa presión? Bueno. Ante todo, veamos en qué unidades se miden la presión:

En negrita, nuevamente, hemos marcado la unidad que se necesitará para las prácticas de leyes de los gases. 1 atm (una atmósfera) es lo que mide la presión atmosférica a nivel del mar (sí, fueron muy originales con el nombre), que corresponde a unos 1013 hPa. ¿1013 hpa? Fíjense qué fue lo que pronunció nuestro noticiero en su informativo de la mañana… ¿No tenés ganas de ir hasta arriba a buscarlo? Se los volvemos a escribir:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

1013 hPa es, justamente, 1 atm. La próxima vez presten más atención a los anuncios del clima y fíjense si hay presión alta o baja. Cuando la presión atmosférica es baja, el aire es caliente. Este es un fenómeno llamado depresión, que indica un tiempo nublado y lluvia. Cuando la presión atmosférica es alta, ocurre lo contrario. Este es el fenómeno de anticiclón, que indica un tiempo claro y seco.

Temperatura

Alguna vez escucharon a algún amigo decir:

“¡Ay, qué frío!”

Pues bien, ya pueden decirle que está TOTALMENTE equivocado: ¡El frío no existe! Si, ya sé, díganselo al Papá Noel. No creo que en invierno se acuerden de nuestras palabras, pero es importante que sepan que físicamente el frío es ausencia de calor, dado que lo único que existe desde el punto de vista de la física es el calor.

Ahora bien, ¿qué es el calor?

El calor se define como transferencia de energía. Y eso, ¿con qué se come? Bueno, veamos. Antes de entender este concepto, debemos comprender otro concepto íntimamente relacionado (¡pero nunca igual!): la temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética que tienen las partículas de un cuerpo.

La diferencia de temperatura entre dos cuerpos hace que se transfiera calor desde el cuerpo más caliente al más frío para intentar alcanzar el equilibrio térmico, es decir, igualar sus temperaturas. Profundicemos un poco más en este concepto.

La temperatura se mide con un instrumento, conocido por todos, llamado termómetro.

La unidad más conocida por los hispanohablantes es el grado celsius (°C), en honor a nuestro querido Anders Celsius (1701 – 1744), quien definió esta escala en 1742. Esta unidad toma dos puntos fijos: el punto de fusión y punto de ebullición del agua[note]a 1 atm de presión[/note] (0°C y 100°C respectivamente).

Otra escala muy utilizada por el público de habla inglesa es el grado fahrenheit (°F) que fue establecida por el físico holandés Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) en 1714. En esta escala, 0°C corresponde a 32°F y 100°C corresponde a 212°F.

Para realizar el pasaje de celsius a fahrenheit, sólo hace falta emplear la siguiente fórmula:

°F = 1,8 x °C + 32

En donde dice “°C” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en fahrenheit. La “x” significa “por” (.)

Con el ejemplo de la imagen, para pasar 10°C a °F:

°F = 1,8 x 10°C + 32 = 50 °F

Para realizar el pasaje de fahrenheit a celsius, ahora hace falta emplear la siguiente fórmula:

°C = (°F – 32) : 1,8

En donde dice “°F” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en celsius.

Con el ejemplo de la imagen, para pasar 50°F a °C:

°C = (50 °F – 32) : 1,8 = 10°C

Por último, pero no menos importante, está la escala científica denominada Kelvin (K). Esta escala toma como cero (0 K) el valor más bajo de temperatura del universo, que equivale a unos -273°C. Por lo que: 0°C = 273 K y 100°C=373 K. De esta manera, para convertir de Celsius a Kelvin sólo hace falta sumar 273. En resumen:

K = °C +273

En donde dice “°C” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en kelvin.

y

°C = K – 273

En donde dice “K” debes colocar tu temperatura en esa escala. Al hacer la cuenta, te dará la tempratura en celsius.

En caso de querer pasar de kelvin a fahrenheit, te recomendamos seguir los siguientes pasos:

1. Pasar, primero, los kelvin a celsius, mediante °C = K – 273
2. Una vez obtenidos los celsius, pasar dicho valor a fahrenheit mediante la fórmula: °F = 1,8 x °C + 32

En caso de querer pasar de fahrenheit a kelvin, te recomendamos seguir los siguientes pasos:

1. Pasar, primero, los fahrenheit a celsius, mediante la fórmula: °C = (°F – 32) : 1,8
2. Una vez obtenidos los celsius, pasar dicho valor a kelvin, mediante K = °C +273

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Fuente

http://www.conceptualphysics.com/