Presión atmosférica

Barómetro aneroide.

La presión atmosférica es la presión ejercida por el aire atmosférico en cualquier punto de la atmósfera. Normalmente se refiere a la presión atmosférica terrestre, pero el término es generalizable a la atmósfera de cualquier planeta o satélite.

La presión atmosférica en un punto representa el peso de una columna de aire de área de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye cuando nos elevamos, no podemos calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la densidad del aire ρ en función de la altitud z o de la presión p. Por ello, no resulta fácil hacer un cálculo exacto de la presión atmosférica sobre la superficie terrestre; por el contrario, es muy fácil medirla.

La presión atmosférica en un lugar determinado experimenta variaciones asociadas con los cambios meteorológicos. Por otra parte, en un lugar determinado, la presión atmosférica disminuye con la altitud, a causa de que el peso total de la atmósfera por encima de un punto disminuye cuando nos elevamos. La presión atmosférica decrece a razón de 1 mmHg o Torr por cada 10 m de elevación en los niveles próximos al del mar. En la práctica se se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son simples barómetros aneroides calibrados en alturas; estos instrumentos no son muy precisos.

La presión atmósférica estándar, 1 atmósfera, fue definida como la presión atmosférica media al nivel del mar que se adoptó como exactamente 101 325 Pa o 760 Torr. Sin embargo, a partir de 1982, la IUPAC recomendó que para propósitos de especificar las propiedades físicas de las sustancias "el estándar de presión" debía definirse como exactamente 100 kPa o (≈750.062 Torr). Aparte de ser un número redondo, este cambio tiene una ventaja práctica porque 100 kPa equivalen a una altitud aproximada de 112 metros, que está cercana al promedio de 194 m de la población mundial.​

Historia de su estudio

El experimento Torricelli con un tubo y mercurio.

En la antigüedad estaban lejos de sospechar el peso del aire. Lo consideraban como un cuerpo que por su naturaleza tendía a elevarse; explicándose la ascensión de los líquidos en las bombas por el fuga vacui, "horror al vacío", que tiene la naturaleza.

Cuando los jardineros de Florencia quisieron elevar el agua con una bomba de hélice, apreciaron que no podían superar la altura de 10,33 m (cerca de 34 pies). Consultado Galileo, determinó éste que el horror de la naturaleza al vacío se limitaba con una fuerza equivalente al peso de 10,33 m de agua (lo que viene a ser 1 atm de presión), y denominó a dicha altura altezza limitatíssima.

En 1643, Torricelli tomó un tubo de vidrio de un metro de longitud y lo llenó de "plata viva" (mercurio). Manteniendo el tubo cerrado con un tapon (material de corcho), lo invirtió e introdujo en una vasija con mercurio. Al retirar el dedo comprobó que el metal descendía hasta formar una columna cuya altura era 13,6 veces menor que la que se obtenía al realizar el experimento con agua. Como sabía que el mercurio era 13,6 veces más pesado que el agua, dedujo que ambas columnas de líquido estaban soportadas por igual contrapeso, sospechando que sólo el aire era capaz de realizar dicha fuerza.

Luego de la temprana muerte de Torricelli, llegaron sus experimentos a oídos de Pascal, a través del Padre Mersenne que los dio a conocer por medio de un tratado, actualmente depositado en París.^{[cita requerida]} Aunque aceptando inicialmente la teoría del horror al vacío, no tardó Pascal en cambiar de idea al observar los resultados de los experimentos que realizó. Empleando un tubo encorvado y usándolo de forma que la atmósfera no tuviera ninguna influencia sobre el líquido, observó que las columnas llegaban al mismo nivel. Sin embargo, cuando permitía la acción de la atmósfera, el nivel variaba.

Estos resultados le indujeron a abordar el experimento definitivo, consistente en transportar el barómetro a distintas altitudes y comprobar si era realmente el peso del aire el que determinaba la ascensión del líquido en el tubo. Al escribir a Perier, uno de sus parientes, el 15 de noviembre de 1647 acerca del experimento proyectado, decía:

Si sucede que la altura de la plata viva es menor en lo alto de la montaña, que abajo, se deducirá necesariamente que la gravedad y presión del aire es la única causa de esta suspensión de la plata viva, y no el horror al vacío, porque es verdad que hay mucho más aire que pese al pie de la montaña que en su vértice.

El 19 de septiembre de 1648, Pelier cumplió el deseo de su cuñado, y realizó el experimento ascendiendo a la cima del Puy-de-Dôme. Comparando la medida realizada en la cima, situada a un altura de 500 toesas (cerca de 1000 m), con la de base, tomada por el padre Chastin, hallaron una diferencia de tres líneas y media entre ambas. La idea del horror vacui quedó definitivamente abandonaba: el aire pesaba.

Sin dudar del mérito de la realización del experimento, fue sin embargo Descartes quien, en carta escrita en 1631, 12 años antes del experimento de Torricelli, afirmaba ya que

El aire es pesado, se le puede comparar a un vasto mantón de lana que envuelve la Tierra hasta más allá de las nubes; el peso de esta lana comprime la superficie del mercurio en la cuba, impidiendo que descienda la columna mercurial.

No obstante, el concepto de presión atmosférica no empezó a extenderse hasta la demostración, en 1654, del burgomaestre e inventor Otto von Guericke quien, con su hemisferio de Magdeburgo, cautivó al público y a personajes ilustres de la época.

Ecuación altimétrica

La ecuación altimétrica establece una relación entre la altitud de un lugar (altura sobre el nivel del mar) con la presión atmósférica en ese lugar.

Para deducir una expresión elemental de la ecuación altimétrica, será suficiente con suporner que el aire se comporta como un gas ideal o perfecto y que su densidad viene dada en función de la presión $p\,$y de la temperatura $T\,$por

$\rho ={\frac {pM}{RT}}$

donde $M\,$ es el peso molecular medio del aire (≈ 28.9 g/mol). Entonces, sustituyendo la densidad en la expresión

${\frac {dp}{dz}}=-\rho g={\frac {pM}{RT}}g$

se sigue

${\frac {dp}{p}}=-{\frac {Mg}{RT}}\,dz$

En una primera aproximación, podemos considerar constante la temperatura en el intervalo de integración (atmósfera isoterma) y que se despreciar la variación de g en dicho intervalo. En esta condiciones, podemos integrar entre el nivel z=0 (v.g., el nivel del mar) y una altura z sobre dicho nivel, resultando

$\ln {\frac {p}{p_{0}}}=-{\frac {Mg}{RT}}\,z=-\left({\frac {\rho _{0}g}{p_{0}}}\right)\,z=-{\frac {1}{\alpha }}z$

donde hemos tenido en cuenta que ρ₀/p₀ = M/RT.

Así, la presión atmosférica disminuye con la altitud según una ley exponencial:

(1)$\,p=p_{0}\,e^{-z/\alpha }$

Tomando los valores normales:

$\rho _{0}\,$ = 1.292 kg/m³,

$g\,$ = 9.80665 m/s² y

$p_{0}\,$ = 760 mmHg = 101 325 Pa,

la constante α toma el valor

$\alpha \,$ ≈ 8 000 m

Naturalmente, la expresión [1] nos permite despejar la altitud z en función de la presión; obtenemos

(2)$\,z=\alpha \ln {\frac {p_{0}}{p}}=8000\ln {\frac {p_{0}}{p}}\quad$ (en metros)

que es la ecuación altimétrica.

Estabilidad e inestabilidad atmosférica

Cuando el aire está frío, desciende, haciendo aumentar la presión y provocando estabilidad. Se forma,entonces, un anticiclón térmico. Cuando el aire está caliente, asciende, haciendo bajar la presión y provocando inestabilidad. Se forma entonces un ciclón o borrasca térmica.

Además, el aire frío y el cálido rehusan a mezclarse, debido a la diferencia de densidades; y cuando se encuentran en superficie, el aire frío empuja hacia arriba al aire caliente provocando un descenso de la presión e inestabilidad, por causas dinámicas. Se forma entonces un ciclón, o borrasca dinámica. Esta zona de contacto es la que se conoce como frente. Cuando el aire frío y el cálido se encuentran en altura, descienden en convergencia dinámica, haciendo aumentar la presión y provocando estabilidad, y el consiguiente aumento de la temperatura. Se forma, entonces un anticiclón dinámico.

Véase también

• Meteorología
• Isolínea
• Isobara
• Manoscopio
• Aire

Bibliografía

• Ortega, Manuel R. (1989-2006). Lecciones de Física (4 volúmenes). Monytex. ISBN 84-404-4290-4, ISBN 84-398-9218-7, ISBN 84-398-9219-5, ISBN 84-604-4445-7. 
• Resnick, Robert & Halliday, David (2004). Física 4ª. CECSA, México. ISBN 970-24-0257-3. 
• Tipler, Paul A. (2000). Física para la ciencia y la tecnología (2 volúmenes). Barcelona: Ed. Reverté. ISBN 84-291-4382-3. 

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Presión atmosférica.
• Dibujando trazados de contorno. Un plan de lecciones que se ocupa del dibujo de varias isolíneas, incluyendo las isobaras.
• Conversión de unidades