Condiciones negativas de presión, tensión y energía.

Tenemos mucha experiencia cotidiana común con la presión positiva, el ejemplo canónico es un gas.

Pero otros ejemplos de presión positiva son fáciles de imaginar: por ejemplo, un sólido que se comprime hasta compactarse más que su densidad de equilibrio.

Para mí, es sencillo que si un sólido se separa ligeramente para que todavía esté conectado pero con una densidad más baja que su densidad de equilibrio, puede tener una tensión que es una presión negativa.

Pero a veces las personas se oponen a la presión negativa, por lo que creo que nos beneficiaría una respuesta integral, que incluya buenas definiciones, justificaciones sobre por qué las definiciones son buenas e incluso incluya comparaciones con las condiciones de energía (condición de energía débil, condición de energía fuerte, condición de energía dominante). condición, etcétera).

No es necesario que una respuesta aborde específicamente las constantes cosmológicas o la energía oscura, pero me gustaría que la respuesta fuera lo suficientemente completa como para que las personas con preguntas sobre esos temas puedan satisfacer todas sus preguntas sobre la presión negativa en sí.

¿Qué es la presión negativa en general? ¿Cómo sabemos que esa es la definición adecuada y completamente general? ¿Es razonable a la luz de la física conocida y aceptable? ¿Cómo/por qué sabemos eso? ¿Cómo, en todo caso, se relaciona con la tensión? Si es diferente de la tensión, ¿qué es la tensión en general? ¿Cómo sabemos que esa es la definición adecuada y totalmente general? ¿Es razonable a la luz de la física conocida y aceptable? ¿Cómo se relaciona la presión negativa con las condiciones de energía clásicas? ¿Son justificables o aceptables algunas desviaciones o choques con las condiciones energéticas clásicas?

No veo una pregunta. ¿Qué es exactamente lo que estás preguntando?
@JonCuster Editado para poner oraciones en cuestión.
Si la presión positiva es fácil de entender, ¿por qué es difícil pensar simplemente en la presión negativa como una presión en la dirección opuesta ? Quiero decir, la presión tiene una dirección: simplemente voltearla hacia el otro lado será lo mismo que poner un signo menos delante de la magnitud.
Una tensión no puede ser negativa, puede ser menor que 1 pero no puede ser menor que cero. Intenta sacar el aire de una botella. Sea la presión de aire normal 1 unidad, nunca podrá llegar a menos de cero. Una presión negativa no tiene sentido
Esto es algo sobre lo que también estoy reflexionando en este momento, supongo que está motivado por, para citar a Einstein , que el lado izquierdo de las ecuaciones de Einstein es de mármol fino y el lado derecho de madera de baja calidad. Por cierto, es bastante normal tener una presión electromagnética negativa, al menos en el sentido de los valores propios del tensor de energía de tensión electromagnética .
@Steeven: Creo que es fácil imaginar una presión relativa negativa , como menos que la presión de la atmósfera; pero es más difícil pensar en presión absoluta negativa , en el sentido de menos presión que vacío, es decir, energía oscura...
@jabirali De hecho, creo que Steeven tiene razón en que personalmente es muy fácil de entender, por ejemplo, una tensión como presión en la dirección opuesta. Pero sé que la gente a veces se opone a la presión negativa y quiero abordar cualquier problema que pueda surgir comparándolo con la física aceptada. Personalmente, no veo el más mínimo problema, pero una definición que hago podría no ser general. Por ejemplo, los objetos ligados gravitacionalmente actúan como si estuvieran bajo tensión en el sentido de que se resisten a expandirse, y un sólido con una densidad de equilibrio resiste los cambios en cualquier dirección.
¿Hay algo de malo en considerar que la presión negativa en una dirección es cuando el flujo de cantidad de movimiento a lo largo de esa dirección tiene el signo opuesto al área signada ortogonal a esa dirección? (Supongo que esta es una forma detallada de decir "tensión".) Es decir, defina la presión como la traza espacial del tensor de tensión-energía, como hice aquí y usted mismo hizo aquí .

Respuestas (5)

Probablemente podría obtener una presión negativa en la física de polímeros, por lo que podría ver un gran bloque de caucho comportándose de esta manera.

Básicamente: las presiones negativas ocurren cuando un aumento de volumen provoca una disminución de la entropía . Los polímeros podrían ser un buen ejemplo porque tienes estas moléculas que "quieren" enredarse y torcerse ("quieren" en el sentido de "es entrópicamente favorable para..."). Cuando aumenta el volumen de un sistema de este tipo al estirarlo, generalmente disminuye la entropía, por lo que se opone a una fuerza entrópica que quiere que el sistema vuelva a su tamaño de "reposo".

Ya existen preguntas sobre la presión negativa que se limitan completamente al contexto de la termodinámica. No estoy seguro de que sea lo suficientemente general. Por ejemplo, la energía oscura puede o no tener entropía. Además, para un campo continuo que ya está extendido por todo el espacio, no hay un cambio claro en el volumen, incluso un campo electromagnético puede tener una presión, pero está extendido, por lo que es difícil ver un cambio en el volumen. Así que no estoy seguro de que la termodinámica sea lo suficientemente general.

La presión es la fuerza (dirigida hacia afuera) normal a cualquier área. Esta definición se ajusta más naturalmente a la presión hidrostática, por ejemplo, en gases y líquidos. En los medios ideales, este tipo de presión nunca es negativa.

En los medios reales, eso no es necesariamente cierto. El ejemplo más obvio ocurre en el límite de casi cualquier líquido: allí, una presión negativa actúa sobre las moléculas en la superficie. Sin embargo, nadie usa la frase "presión negativa" para ello. La forma común de llamarlo es tensión superficial. Cualquier otra aparición de presiones negativas, creadas por fuerzas atractivas en lugar de repulsivas en un medio, se tratan de la misma manera: son tensiones.

El ejemplo que dio, la "presión" negativa en un sólido es un ejemplo: los ingenieros cuantifican el máximo que un material puede tomar como resistencia máxima a la tracción. Sin embargo, la presión realmente no describe muy bien la situación de los sólidos, porque las fuerzas que actúan en una superficie no necesariamente tienen que ser normales a esa superficie. Un concepto mejor que la presión (escalar) es el tensor de tensión que puede capturar la dirección de esta fuerza y ​​su variación dependiendo de la orientación de la superficie sobre la que actúa.

La ecuación de estado de Mie-Gruneisen para sólidos http://en.wikipedia.org/wiki/Mie%E2%80%93Gruneisen_equation_of_state es un modelo que combina los componentes de presión térmica y los componentes "fríos" de la presión donde se deriva este último termodinámicamente a partir de un potencial intermolecular modelo. tiene la forma pag = pag T ( ρ 0 , T ) + pag C ( ρ 0 , x ) , dónde T es la temperatura, x = 1 − ρ 0 / ρ , ρ 0 es la densidad inicial, y x puede ser negativo lo que corresponde a la rarefacción.

El tensor de tensión-energía que utiliza la relatividad general incluye una matriz de tres por tres que significa presión y tensión. No está claro si cuenta las cosas que están bajo tensión en una dirección y presión en otra como presión positiva o negativa, pero si la matriz es definida negativa, lo que significa que el objeto se está separando hasta cierto punto en cada dirección, entonces está bajo presión. Presión negativa. Si es un número negativo multiplicado por la matriz de identidad, entonces está bajo tanta presión negativa.

La presión absoluta de un líquido también puede ser negativa y, a menudo, lo es en problemas de turbomaquinaria. Considere un volumen de agua a presión atmosférica que extrae y pasa a través de un venturi. La presión de estancamiento es así pag a t metro , y la presión en el venturi será:

pag a t metro − .5 ρ tu 2

Si esto es agua, entonces ρ = 1000 y esta ecuación será negativa si tu > 14 EM. Si el agua está limpia (libre de microburbujas, contaminantes y microorganismos), el agua pasará a través del venturi con esa presión negativa. Sin embargo, si hay debilidades (núcleos) en el agua, entonces el agua se cavitará y formará vapor.

El agua limpia puede permanecer en estado líquido incluso a presiones ridículas por debajo de -30 MPa. Ver aquí , por ejemplo. O para un experimento con un venturi como se describe arriba, vea aquí .

Condiciones negativas de presión, tensión y energía.
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