¿Es la presión atmosférica debida al peso del aire o a las colisiones de las moléculas?

Esta pregunta es en respuesta a la respuesta de @brightmagnus cuyo enlace es Presión en fluidos, en particular presión horizontal

La pregunta :

¿La presión atmosférica se debe al peso del aire oa las colisiones de las moléculas?

Si, de acuerdo con la respuesta de bright magnus, se debe tanto al peso como a las colisiones, entonces si al nivel del mar cerramos la tapa de una botella, entonces la presión en la botella será la presión exterior porque el peso del aire de arriba se transmite a través de la tapa. .

Pero si tomamos esta misma botella en el Everest o decimos espacio, el peso del aire de arriba sería significativamente menor en el Everest y, en el caso del espacio, no habrá aire fuera de la botella para transmitir la presión. Pero aun así la presión en la botella será la misma que al nivel del mar.

¿Por que es esto entonces? ¿Cómo tiene la pequeña columna de aire en la botella la misma presión que toda la atmósfera (la botella, por supuesto, es de material resistente y no explota)?

Además, si la presión total se debe tanto al peso del aire como a las colisiones de las moléculas, ¿por qué no incluimos un término de presión debido a la colisión de moléculas en la ecuación para la presión total, que es P = hpg y que incluye la parte de presión sólo dusri peso. Me estoy confundiendo aquí. ¿Se puede extender el mismo argumento al agua?

Editar

Primero, me gustaría agregar mi propia respuesta. Pienso que en la superficie de la tierra, cuando la botella está abierta, la presión en su superficie inferior es hpg. Cuando cerramos la tapa, la presión externa sigue siendo hpg. El aire del interior de la botella intenta alcanzar el equilibrio y la velocidad de las moléculas de aire del interior aumenta (o disminuye) hasta alcanzar una presión igual a la exterior (para equilibrarla) según P =1/3pv^2.

Luego, cuando se saca de la atmósfera terrestre, las velocidades de las moléculas siguen siendo las mismas (ya que no hay aire afuera) y también la densidad y, por lo tanto, la presión. Ahora me gustaría ampliar la pregunta. Supongamos que tengo una caja llena de aire en el espacio con una altura h, la presión en su interior es P=1/3pv^2 (sin gravedad). Ahora, de repente, la caja es llevada a un campo gravitacional. ¿Cuál sería la presión en el interior? Creo que estaría en algún lugar entre 1/3pv ^ 2 + hpg (donde v es la velocidad original de las moléculas cuando estaban fuera del campo gravitatorio y, por lo tanto, la nueva velocidad se ajustaría en consecuencia)

Pero damos toda la presión solo por hpg. Entiendo que cuando la caja está inicialmente en un campo gravitatorio, el peso se manifiesta como fuerza por unidad de área debido a que las moléculas chocan con la velocidad v. Pero cuando la caja no estaba inicialmente en un campo gravitatorio, las moléculas en ella ejercían una presión debido a su velocidad. Pero cuando entra en un campo gravitatorio, ¿la presión total no debería ser la suma de 1/3pv^2 y hpg?

Respuestas (3)

¡No hay necesidad de contraponer colisiones de moléculas y peso del aire!

Puede tomar una jeringa sin aguja, cerrar la boca con un dedo y tirar un poco del pistón. Habrá un vacío en la jeringa debajo del pistón, la presión atmosférica empujará el pistón hacia adentro. ¿De dónde viene esta fuerza? Los átomos y moléculas del aire chocan con la superficie del pistón y lo empujan. La superficie del pistón "no sabe" si hay alguna atmósfera alrededor de la Tierra, sólo "sabe" que algunas moléculas y átomos la están bombardeando constantemente. Por cierto, puede que no haya Tierra ni atmósfera (por ejemplo, dentro de la estación espacial), pero desde el punto de vista de la jeringa, la situación sería la misma: bombardeo constante de moléculas alrededor y, por lo tanto, presión.

La situación es bastante similar con los líquidos: la superficie bajo presión "sabe" solo acerca de las moléculas con las que entra en contacto. Todavía es posible calcular la presión usando la fórmula F = S p g*H. ¡Pero no sería algún componente adicional de la presión!

El mecanismo de la presión del aire es el "bombardeo" de la superficie por moléculas. La causa raíz de la presión atmosférica en la Tierra es el peso del aire. Puede haber muchas formas diferentes de calcular la presión atmosférica: dividir el peso total del aire entre la superficie total de la Tierra es una de ellas. Este enfoque permite calcular la presión atmosférica sin entrar en detalles sobre cómo chocan exactamente las moléculas con la superficie, pero el mecanismo de la presión del aire sigue siendo el mismo: colisiones entre moléculas.

Pero, ¿cómo explica eso que la presión en una botella cerrada sea la misma en todas las alturas?
La presión dentro de una botella cerrada no es la misma en todas las alturas.
@lesnik Supongamos que aumento la temperatura de la atmósfera. Luego, las moléculas se mueven más y la presión del aire debería aumentar debido al bombardeo más fuerte. Sin embargo, el peso total del aire no habría cambiado. ¿Cómo concilia uno esto? ¿Aumentaría la presión atmosférica o permanecería igual?
@suncup224 La presión permanecerá aproximadamente igual. La velocidad promedio de las moléculas aumentará, pero la concentración de moléculas disminuirá. La atmósfera se volverá 'más delgada' (su concentración disminuirá) y al mismo tiempo 'más espesa' (a medida que se eleva). Probablemente eso traerá más confusión, pero debo decir que la presión en la superficie en realidad disminuirá ligeramente, porque la gravedad de la Tierra actúa menos en los niveles más altos de la atmósfera. De todos modos concentración norte será tal que PAG = norte k T sostiene sin ningún ajuste por gravedad o cualquier otra cosa.
@lesnik ah, está bien, gracias. Lo entiendo completamente.

La presión es una variable termodinámica.

Las moléculas son cuando uno mira la estructura de la materia y allí se usa la mecánica estadística.

El objetivo principal de la termodinámica estadística (también conocida como mecánica estadística de equilibrio) es derivar la termodinámica clásica de los materiales en términos de las propiedades de sus partículas constituyentes y las interacciones entre ellas. En otras palabras, la termodinámica estadística proporciona una conexión entre las propiedades macroscópicas de los materiales en equilibrio termodinámico y los comportamientos y movimientos microscópicos que ocurren dentro del material.

......

En 1738, el físico y matemático suizo Daniel Bernoulli publicó Hydrodynamica, que sentó las bases de la teoría cinética de los gases. En este trabajo, Bernoulli planteó el argumento, todavía utilizado hasta el día de hoy, de que los gases consisten en un gran número de moléculas que se mueven en todas direcciones, que su impacto en una superficie provoca la presión del gas que sentimos y que lo que experimentamos como calor es simplemente la energía cinética de su movimiento

Tenga en cuenta las cursivas. El impacto es una fuerza, consistente con la definición termodinámica de presión como

presión

Los innumerables impactos de las moléculas de gas que están estadísticamente en todas direcciones en una botella en el espacio sin que actúe ninguna fuerza adicional sobre ella, se deben en todas direcciones a la naturaleza caótica de un gas.

Una vez que se impone una fuerza direccional, por ejemplo con un pistón, la presión aumentará, se puede calcular directamente a partir de la fuerza impuesta. Una columna de aire tendrá gradualmente una mayor presión en el área baja porque el peso del gas aumenta a medida que aumenta la atracción gravitatoria al acercarse a la tierra, y la densidad de la materia aumenta en consecuencia. Con el peso de la columna de aire en la atmósfera se producirá la correspondiente estratificación de presiones. . A una altura específica, si se embotella aire, retendrá la presión de esa altura debido a la naturaleza de la estructura molecular de un gas. La presión horizontal en la atmósfera generará vientos.

Para responder al título, las colisiones de moléculas por sus impactos en una superficie crearán una presión. En un sistema cerrado, como en una botella, esta presión es constante y se aplica a las paredes del recipiente. En un sistema abierto, como cuando se aplica una fuerza con un pistón para inflar neumáticos de bicicleta, la presión aumenta. El peso de la columna de atmósfera genera presión en este sistema abierto. Si no hubiera gravedad, la atmósfera se dispersaría estadísticamente ya que el sistema está abierto, al final sin moléculas que definan una presión.

Entonces quiere decir que la presión dentro de la botella se puede calcular por P = 1/3pv ^ 2. Esa presión que hay en la botella cuando está al nivel del mar sería la misma cuando la botella está cerrada o abierta porque P =1/3pv^2 . Cuando hemos cerrado la botella y la hemos llevado a gran altura la presión seguiría siendo P=1/3pv^2 , lo mismo que p y v son iguales. Entonces, ¿no deberíamos abandonar el concepto de 'peso del aire' porque, en última instancia, la presión en cualquier punto dependerá solo de la densidad del aire (número de moléculas) y su velocidad? En altitudes más altas, la densidad del aire es menor y también lo es la presión.
Sí, pero la densidad es una función de la fuerza gravitacional cuando se observa a nivel molecular estadístico.
Lo tengo . Entonces, si solo incluimos el hecho de que la densidad es una función de la fuerza gravitacional en la ecuación P = 1/3pv^2, entonces intuitivamente podemos explicar la cuestión de que la presión sea la misma en la botella a diferentes altitudes. Entonces no necesitamos confiar en P=hpg porque podemos explicarlo por P=1/3pv^2. No quiero decir que P=hpg esté mal, sino que no necesitamos usarlo porque podemos explicarlo simplemente usando la otra ecuación. ¿Es esto finalmente correcto? Y solo una cosa más si puede explicar la presión por P = 1/3pv ^ 2 ¿por qué usamos P = hpg? O, en otras palabras, ¿se puede derivar P=hpg de P=1/3pv^2?
es la diferencia entre un sistema abierto (atmósfera en gravedad) y un sistema cerrado (botella). Diferentes condiciones de contorno. En la figura anterior, cuando la presión se ve directamente, es otra condición límite diferente al problema.

Preguntas como esta surgen de una confusión entre causa y mecanismo .

La presión se ejerce por colisiones. Ese es el mecanismo de presión en alguna situación particular.

Pero lo que causa el valor particular de la presión no son las colisiones, sino la situación externa:

  • pones n moles de gas a temperatura T en un volumen V
  • el gas o el líquido es presionado por el peso de la materia sobre él
  • el fluido que fluye se contrae o se expande

La temperatura y la densidad del fluido determinan el número y momento de las colisiones que proporcionan presión. La situación física los determina, y allí provoca la presión resultante.

¿Es la presión atmosférica debida al peso del aire o a las colisiones de las moléculas?
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