La presión es la magnitud física que mide la fuerza ejercida en una unidad de superficie aplicada en dirección perpendicular a ésta. Se puede calcular dividiendo la fuerza aplicada entre el área sobre la cual se aplica esa fuerza.
La fórmula matemática para calcular la presión es:
Presión = Fuerza / Área
Esta magnitud física puede tener diferentes efectos dependiendo del contexto en el que se aplique. Por ejemplo, en la dinámica y en la mecánica de fluidos en particular, la presión se relaciona con propiedades como la densidad y la altura del fluido. Muchos fenómenos físicos como la flotación y el funcionamiento de los fluidos en tuberías y sistemas hidráulicos dependen de la presión.
En el ámbito de la energía nuclear, la presión en un reactor nuclear es importante para garantizar una transferencia de calor eficiente, controlar la reactividad, mantener la integridad del sistema de contención, garantizar la seguridad y contribuir a la eficiencia energética.
Tipos de presión
Existen los siguientes tipos:
-
Presión hidrostática: la que ejercen los líquidos que no se pueden comprimir sobre los objetos que están en contacto con ellos.
-
Presión absoluta: es la suma de la fuerza por unidad de superficie de un sistema determinado y la del aire que lo envuelve.
-
Presión manométrica (también llamada presión relativa) es la diferencia entre la absoluta (real) y la atomsférica.
-
Presión atmosférica: es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie terrestre. A nivel del mar, 1 atm equivale a 101325 Pa.
-
Arterial o sanguínea: cuando nos referimos a la fuerza que ejerce la sangre en la superficie interna de las arterias.
-
Osmótica: es la fuerza ejercida por unidad de superficie de una solución contra una membrana semipermeable cerrada.
Unidades de presión
La unidad de presión en el sistema Internacional de unidades es el pascal (Pa), en honor a Blaise Pascal. Un pascal es la presión que ejerce una fuerza total de un newton que actúa uniformemente sobre un metro cuadrado (Pa = N / m2 ).
El Pascal (Pa) es una unidad pequeña, y en ocasiones conviene utilizar otras unidades de medida:
-
Milímetro de mercurio (mmHg): es una unidad que todavía se utiliza para medir la presión en medicina, meteorología, aviación y equivale a 133.322 387 415 Pa.
-
bar. El uso de esta unidad está aceptado dentro del SI aunque no está recomendado. A menudo se utiliza porqué tiene un valor muy cercano a 1 atm. 1 bar = 100.000 Pa
-
Hectopascales (HPa): esta unidad se utiliza en meteorología y equivale a 100 Pa.
-
Atmósfera (atm): La atmósfera es una unidad que indica la presión que produce la atmósfera terrestre en promedio en la superficie de la tierra.
-
Kilopondios por centímetro cuadrado (kp /cm²): esta unidad se utiliza en ingeniería. El kilopondio equivale al peso de una masa de un kilogramo (9,8 N).
-
Libra de fuerza por pulgada cuadrada (lbf/in²): es una unidad que pertenece al sistema anglosajón. Para referirse a ella, también se utilizan las siglas psi (pounds-force per square inch).
Dispositivos para medir la presión
En física, la presión se mide utilizando una variedad de instrumentos y técnicas dependiendo del sistema o fenómeno que se esté estudiando. A continuación se muestran algunos ejemplos:
-
Manómetros: se utilizan para medir la presión en gases y líquidos. Estos instrumentos miden la presión en función de la deformación de un elemento sensible a la presión o mediante la medición de la altura de una columna de líquido en equilibrio con la presión.
-
Barómetros: Los barómetros son instrumentos específicamente diseñados para medir la presión atmosférica.
-
Sensores de presión: En aplicaciones más avanzadas, se utilizan sensores de presión electrónicos que convierten la presión en una señal eléctrica.
-
Tubos en U: Un extremo del tubo se conecta al sistema donde se desea medir la presión, y el otro extremo se mantiene abierto o se conecta a un punto de referencia conocido. La diferencia de altura de los fluidos en los dos lados del tubo en U proporciona una medida de la diferencia de presión.
La presión en líquidos, sólidos y gases
La presión en líquidos, sólidos y gases se comporta de manera diferente debido a las propiedades intrínsecas de cada estado de la materia como podrás ver a continuación:
Presión en líquidos
En los líquidos, la presión se transmite de manera isotrópica, es decir, en todas las direcciones por igual de acuerdo con el principio de Pascal.
La presión en un líquido depende de la profundidad a la que se encuentra y de la densidad del líquido. A mayor profundidad, la presión aumenta debido al peso del líquido que se encuentra por encima. Esto se debe a la presión hidrostática, que es el resultado de la fuerza ejercida por el peso del líquido sobre un área determinada.
La presión hidrostática se calcula utilizando la fórmula P = ρgh, donde P es la presión, ρ es la densidad del líquido, g es la aceleración debida a la gravedad y h es la altura o profundidad del líquido.
Presión en sólidos
En los sólidos, la presión se manifiesta como una fuerza aplicada en una superficie determinada. La presión en un sólido es el resultado de la distribución de la fuerza sobre el área de contacto.
A medida que aumenta la fuerza aplicada, la presión también aumenta. La presión en los sólidos se puede calcular dividiendo la fuerza aplicada entre el área sobre la cual se aplica esa fuerza.
Presión en gases
En los gases, la presión se debe a las colisiones de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente que lo contiene. A mayor cantidad de moléculas o mayor energía cinética de las moléculas, habrá más colisiones y, por lo tanto, mayor presión.
La presión de un gas se puede calcular utilizando la ley de los gases ideales, que establece que la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta y al número de moléculas presentes, e inversamente proporcional al volumen.
Esta ley se expresa matemáticamente como P = nRT/V, donde P es la presión, n es el número de moles de gas, R es la constante de los gases ideales, T es la temperatura absoluta y V es el volumen del gas.
Importancia de la presión en una central nuclear
En un reactor nuclear, el control de la presión permite mantener el agua en estado líquido a temperaturas superiores a los 100°C, su punto de ebullición normal a presión atmosférica. Por ejemplo, en un reactor de agua a presión (PWR), el agua puede estar a una presión de aproximadamente 155 bares (15,5 MPa), lo que le permite alcanzar temperaturas cercanas a los 300°C sin hervir.
La presión también afecta la eficiencia de la conversión de energía térmica en energía eléctrica. En los generadores de vapor, el agua a alta presión produce vapor con mayor energía térmica. Por ejemplo, en una central nuclear típica, el vapor puede generarse a una presión de alrededor de 70 bares (7 MPa), lo que mejora el rendimiento de las turbinas y aumenta la producción de electricidad.
Seguridad nuclear
Además, la presión es crucial en muchos aspectos del funcionamiento de una central nuclear para la seguridad del reactor. A continuación mostramdos dos ejemplos destacados:
En primer lugar, en una central nuclear, la presión se utiliza para evitar que las partículas radiactivas escapen al exterior. El reactor está contenido dentro de una estructura robusta que soporta altas presiones, evitando la liberación de materiales radiactivos en caso de aumentos de presión. Los sistemas de enfriamiento a alta presión mantienen el agua en estado líquido a temperaturas elevadas, previniendo la conversión en vapor y su posible escape.
Los sistemas de ventilación están equipados con filtros de alta eficiencia que operan bajo presión diferencial, capturando partículas radiactivas antes de que salgan de la planta. En ciertas áreas, se mantiene una presión más baja (depresión) que en el exterior, asegurando que el aire fluya hacia dentro en caso de fugas. Además, las juntas y sellos en las tuberías están diseñados para soportar altas presiones y poder evitar fugas de materiales radiactivos.
La presión en las personas
En el contexto de la salud, la presión se refiere comúnmente a la presión arterial, que es la fuerza ejercida por la sangre contra las paredes de las arterias mientras el corazón late y se relaja. La presión arterial se expresa mediante dos valores: la presión sistólica y la presión diastólica.
- Presión sistólica: Es el primer valor registrado al medir la presión arterial y representa la presión en las arterias cuando el corazón se contrae y bombea sangre hacia el cuerpo.
- Presión diastólica: Es el segundo valor registrado y representa la presión en las arterias cuando el corazón se relaja entre latidos.
La presión arterial se mide en milímetros de mercurio (mmHg) y se expresa como una fracción, por ejemplo, 120/80 mmHg. El primer número (la presión sistólica) es mayor porque se mide durante la contracción del corazón, mientras que el segundo número (la presión diastólica) es menor porque se mide durante la relajación del corazón.