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Manómetros. Bombas y sifón.


 

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MANÓMETROS

Tensión de un gas

Fuerza elástica o tensión de un gas es la presión que ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Como esta presión es además igual a la reacción de dichas paredes, o a la presión ejercida sobre el gas por el medio exterior, las expresiones: tensión del gas y presión soportada por dicho gas, se emplean frecuentemente una por otra.

Unidades de tensión.

La presión o tensión de un gas se mide:

1º En dinas, gramos o kilogramos por centímetro cuadrado:

2º En centímetros de mercurio, es decir por la altura de una columna de mercurio capaz de producir la misma presión sobre cada centímetro cuadrado

3° En atmósferas, que equivalen a 76 centímetros de mercurio ó 1.033 gramos por centímetro cuadrado

Diferencia entre presión hidrostática y tensión de los gases.

Aunque la presión hidrostática y la tensión de los gases se midan con las mismas unidades, no hay que confundir la 1º con la 2º. En efecto, mientras la presión hidrostática es producida por el peso del líquido, la tensión del gas proviene de la fuerza de expansión de sus moléculas, que los lleva a ocupar siempre más y más espacio.

Los manómetros son aparatos que sirven para medir la fuerza elástica de los gases y de los vapores, (por ejemplo, en calderas, en neumáticos, etc.).

Podemos considerar varios tipos de manómetros :

  1. Manómetros de mercurio,
  2. Manómetros de aire libre,
  3. Manómetros de aire comprimido,
  4. Manómetros metálicos,
  5. Manómetros electrónicos con lectura digital

Consideramos acá los manómetros mecánicos, aunque, en vista de las limitaciones que presentan los manómetros mecánicos convencionales, una buena y necesaria alternativa para aplicaciones industriales más exigentes es el uso de los manómetros electrónicos con lectura digital.  

Manómetros de mercurio.

Los manómetros de mercurio pueden ser de aire libre o de aire comprimido.

Manómetros de aire libre

Constan de un tubo en U que contiene mercurio, como indica la figura 1. El manómetro de aire libre es una aplicación del principio de Torricelli, o sea que 1 atmósfera de presión corresponde a una columna de 76 cm. de Hg. Por el principio de los vasos comunicantes, el nivel en ambas ramas es el mismo.

Se compone de un tubo de 2 ramas desiguales: la mayor es larga y está abierta; la menor presenta una dilatación y comunica con el recipiente cuya presión se busca.

Para graduarlo se marca 1 atmósfera cuando el mercurio está al mismo nivel en ambas ramas; 2, 3, 4 atmósferas, cuando la diferencia de los niveles es respectivamente: 0,76 m. (0,76 X 2), (0,76 X 3), etc.

Figura 1a.Manómetro de aire libre (esquema)

Figura 1b. Principio de los manómetros

Si soplamos por cualquiera de los extremos del tubo, el mercurio asciende por una rama y desciende por la otra. Al soplar, se produce un desnivel MN de 76 cm. En consecuencia, la presión es de 2 atm.

En efecto, la presión en N es equivalente a la presión exterior mas la presión representada por los 76 cm de mercurio, o sea.

Este principio es el que se alplica a los manómetros de aire libre.

 

Si un extremo de estos manometros lo conectamos a un recipiente (caldera, neumático, etc.), se produce en el tubo un desnivel, que indicará la presión existente en aquél.

Figura 2. Cuando la presión del recipiente es mayor que la atmosférica, el mercurio se desplaza hacia la rama mas larga Figura 3. Si la presión del recipiente es menor que la exterior, el mercurio se desplaza hacia él.

Si la presión en el recipiente es P, la presión exterior (atmosférica) es H y la variación en la columna mercurial es h, resulta, si la presión en el recipiente es mayor que la atmosférica (fig. 2).

p = H +h

y si la presión en el recipiente es menor que la atmosférica (figura 2), resulta

p = H - h.

Como es de suponer, estos manómetros son muy inconvenientes, ya que para presiones de 3 atm o 4 atm una de las ramas del mismo debe tener gran longitud, el tubo debería tener unos 4 metros de longitud para medir 4 atmósferas. Su aplicación se restringía sólo a las máquinas fijas, y en la actualidad se reemplaza por instrumentación digital.

Manómetros de aire comprimido

Están basados en la ley de Boyle y Mariotte. Constan de un tubo en U, cerrado en uno de sus extremos (fig. 4), de 2 ramas desiguales, una está está cerrada y contiene aire; la menor comunica con el recipiente cuya presión se busca y presenta una dilatación A.

Figura 4a. Manómetro de aire comprimido (esquema).

 

Figura 4b. El manómetro de aire comprimido está basado en la ley de Boyle y Mariotte.

El extremo abierto sirve para conectarlo al recipiente cuya presión deseamos medir y posee una determinada cantidad de mercurio que, al recibir la presión del recipiente, comprime el aire alojado en la rama cerrada. Adicionada a la rama cerrada hay una regla, graduada según esas variaciones de volumen, la que permite una lectura directa de la presión en el recipiente.

En esa figura podemos apreciar, según la ley de Boyle y Mariotte, la variación de volumen respecto de la variación de presión en el recipiente. Cuando los niveles son iguales, como en la figura 4a, se marca 1 atmósfera en B; si la presión aumenta en A, el mercurio sube en B, y si el volumen del aire se reduce a la 1/2, 1/4, 1/8 parte es que soporta una presión de 2, 4, 8 atmósferas respectivamente.

Es de poca precisión para las presiones altas, porque las divisiones para cada atmósfera van acercándose más y más y se confunden.

Figura 4c. Manómetro de aire comprimido

Se remedia a este inconveniente dando a la rama mayor una forma afilada (fig. 4c), de tal manera que las divisiones de las atmósferas están todas a la misma distancia.

Manómetros metálicos

El manómetro metálico de Bourdón (fig. 6) se compone de un tubo de cobre achatado y enrollado en espiral; una extremidad está fija, la otra queda libre y remata por una aguja movible delante de un cuadrante.

Es el tipo más corriente de manómetros, ya que es el empleado en los tanques de estufas y cocinas a presión, o el que usan en las estaciones de servicio para medir la presión del aire en los neumáticos.

Figura 5. Manómetro metálico

Figura 6. Esquema de un manómetro metálico

Dicho tubo se desenrolla o se enrosca según sea mayor o menor la presión interior y así hace mover la aguja delante del cuadrante. Se lo gradúa por comparación con otro manómetro. Dispone internamente generalmente de dos ajustes, uno para la posición de cero, o sea el valor inicial del cuadrante sin presión, y el otro de "span", para el ajuste a fondo de escala presurizado.

 

Constan de un tubo metálico, hueco (fig. 6), que se conecta por un extremo, B, al recipiente que contiene gas y cuya presión se desea conocer. El otro extremo es cerrado y no está fijo. Al conectar el extremo B, aumenta la presión y se desplaza el extremo t, que actúa sobre un sistema de palanca al cual pertenece la aguja que marca, sobre una escala graduada, la presión medida (figura 6).

MEZCLA DE LOS GASES. LEY DE DALTON

Difusión de los gases. Experimento de Berthollet.

Dos gases sin acción química uno sobre otro, puestos en presencia en recipientes que comuniquen entre sí, se penetran mutuamente hasta formar una mezcla homogénea al cabo de cierto tiempo. Comprobó Claude Louis Berthollet esta ley tomando dos globos de igual volumen puestos en comunicación por medio de un tubo estrecho (figura 7). El globo superior contenía hidrógeno, y el globo inferior anhídrido carbónico a la misma presión y temperatura. Ambos globos fueron colocados en los sótanos del Observatorio de París, al abrigo de todas las exteriores capaces de provocar la causas mezcla de los dos gases.

Figura 7. Experimento de Berthollet comprobando la difusión de los gases.

Al cabo de algunos días se observó que los dos globos contenían mezclas gaseosas absolutamente idénticas.

Todos los gases se mezclan íntimamente formando mezclas homogéneas; atraviesan los cuerpos porosos con velocidades inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus densidades (Ley de Graham).

Tensión de las mezclas. Ley de Dalton.

La presión de la mezcla de varios gases es igual a la suma de las presiones que ejercería cada gas, si ocupase solo el volumen total de la mezcla.

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

Problema 1º. Un recipiente de volumen V = 6 litros. está lleno de aire a la presión normal h = 76 cm. Por medio de una bomba de compresión, se introducen además 8 litros a la presión h’ = 150 cm. y 5 litros a la presión h” = 2 m. ¿Cuál será la presión final?

Conforme a la ley de Dalton, dicha presión total es igual a la suma de las presiones individuales f, f’ y f” de los tres gases, considerados cada cual como si ocupase solo el volumen V.

Aplicando la ley de Mariotte a cada masa gaseosa, se obtiene respectivamente:

Vf = vp,

Vf = v' p',

Vf" = v”p”;

de donde, sumando, resulta:

V (f + f' + f") = vp + v'p' + v"p";

esto es:

VP = vp + v'p' + v"p". (1)

Así pues, el volumen de la mezcla multiplicado por su presión es igual a la suma de los productos que se obtienen multiplicando el volumen primitivo de cada gas por su presión.

Siendo las presiones proporcionales a los números, H, h, h' y h" que las miden en alturas de mercurio, la relación homogénea (1) puede escribirse:

VH = vh + v'h' + v"h" (2)

Sustituyendo las literales por sus valores respectivos, resulta:

6H = 6 X 76 + 8 X 150 + 5 X 200,

de donde

H = 4,426 m.

o sea P = 442,6 X 13,6 = 6.019 g. por cm2

Problema 2º. Se ponen en comunicación dos globos de vidrio que contenían respectivamente v = 14 litros, de gas a la presión h = 75 cm., y v’ = 6 litros. de otro gas a la presión h’ = 115 cm. ¿Cuál será la presión de la mezcla.?

El volumen de la mezcla es v + v’; sea x su presión.

La ley de Dalton da: (v + v') x = vh + v'h';

Problema 2º -----------------

La presión atmosférica es de 14,5 psi. Si un manómetro indica 1200 psf, ¿cuál es la presión absoluta?

Varias unidades de medida se utilizan para la presión. Son las siguientes:

  • Libras por pie cuadrado (psf) o libras por pulgada cuadrada (psi)
  • Atmósferas (atm)
  • Pascales (N / m2) o kilopascal (1000Pa) *
  • Torr = 1 mm de mercurio
  • Bar (1.013 atm) = 100 kPa

Problema 3º -----------------

¿Qué presión en pascales corresponde a 15 psi?

p = 15 psi (6.895 kPa/psi) = 102.9 kPa

 

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