Experimento de presión atmosférica usando una taza con un fluido para sostener una placa de vidrio

Hay dos efectos no relacionados en el trabajo aquí. Uno es la presión atmosférica y el otro es la tensión superficial del agua.

Comience sosteniendo el plato en su lugar y considere lo que sucede cuando suelta el plato. Para que el plato se caiga, debe suceder una de dos cosas. O el volumen del agua en el vaso debe aumentar, para permitir que el plato se mueva hacia abajo, o el aire debe fluir hacia el interior del vaso en la línea de contacto entre el vaso y el plato.

Considere el primero de estos. Si tira ligeramente de la placa hacia abajo (y no entra aire), el volumen dentro del vaso debe aumentar. El agua tiene un módulo volumétrico tan alto que podemos aproximarnos a ella como incompresible. Necesitaría una fuerza inmensa tirando hacia abajo de la placa para estirar el agua en un grado significativo. En la práctica, el agua herviría antes de que su volumen aumentara significativamente, pero incluso la menor fuerza requerida para hervir el agua es mucho mayor que el peso de la placa de vidrio.

Entonces, la única forma en que la placa puede moverse hacia abajo es que el aire se filtre a través del contacto entre el vidrio y la placa. Sin embargo, esto significa formar pequeñas burbujas en la línea de contacto, y las burbujas pequeñas tienen una presión muy alta debido a la tensión superficial en la interfaz aire/agua. Esto significa que la formación de burbujas requiere una presión mayor que la que puede generar el peso de la placa, por lo que la placa tampoco puede moverse hacia abajo de esta manera.

Por cierto, el efecto de la tensión superficial explica por qué la placa no se pega si el contacto vidrio/placa no es muy bueno, o si hay una mella en el vidrio. En ambos casos, existe un espacio relativamente grande donde se puede formar una burbuja, y las burbujas grandes tienen una presión menor que las burbujas pequeñas (la presión de la burbuja es inversamente proporcional al radio de la burbuja). El peso de la placa puede generar suficiente presión para formar burbujas grandes y la placa se cae.

Ahora podemos explicar por qué el plato se cae cuando sumerges el vaso y el plato en agua. Si hace esto, no hay interfaz aire/agua en el contacto entre el vidrio y la placa, por lo que no hay efecto de tensión superficial. El agua puede filtrarse incluso a través del espacio más pequeño entre el borde del vaso y el plato, por lo que el plato se cae (aunque puede tardar unos segundos, ya que el agua no fluirá al instante).

El truco funcionará con la mayoría de los líquidos porque la mayoría de los líquidos no se expandirán ni hervirán bajo el peso del plato. Sin embargo, no funcionaría con líquidos muy volátiles como el éter, porque el éter hierve con demasiada facilidad y se forman burbujas de vapor en el vidrio. Probablemente también encontrará que no funcionaría si la interfaz aire/líquido tiene una tensión superficial demasiado baja, porque una tensión superficial baja permite que el aire se incline entre el vidrio y la placa.

PREGUNTA 1: Supongo que los diferentes resultados con agua y aire se deben a la diferencia en la compresibilidad del agua y el aire, más que a sus densidades. Cuando hay agua en la botella, una pequeña deformación de la placa de vidrio dará como resultado un pequeño cambio en el volumen de agua en la botella, lo que, sin embargo, dará como resultado una caída significativa de la presión del agua, por lo que la diferencia de presión entre la atmósfera y el agua de la botella serán suficientes para contrarrestar el peso del agua y la placa de vidrio. Si hay aire en la botella, una pequeña deformación de la placa de vidrio dará como resultado un pequeño cambio en la presión del aire, por lo que la diferencia de presión entre la atmósfera y el aire en la botella no será suficiente para contrarrestar el peso de la placa de vidrio. .

A1: La presión en el interior es hidrostática$\rho g h$más la presión del vapor de agua saturado$p_{sat}$, que es mucho menor que la presión atmosférica$p_a$a una temperatura muy por debajo de la temperatura de ebullición del agua, 100 C, por lo que despreciamos$p_{sat}$. Luego, el equilibrio de fuerzas se mantendrá hasta h~10 m, lo que corresponde a$p_a \sim$100 kPa. Para líquidos de menor densidad, la altura sería mayor si$p_{sat}$todavía es pequeño. Pero los líquidos de baja densidad como el alcohol tienden a evaporarse fácilmente, por lo que se debe tener cuidado si la presión de vapor puede despreciarse o no, dependiendo de la temperatura.

R2: Sumergir el sistema lentamente en agua no debería reducir la fuerza neta que empuja la placa hacia la botella, sino todo lo contrario: agregaría presión externa a la placa.$\rho g H$. Pero en la práctica, creo que la tabla se desprendería rápidamente porque el agua se filtraría fácilmente desde el exterior.

A3: Igual que A2.