LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA, REALMENTE EXISTE? Encarna Alcácer Tomás I.E.S. VILAMARXANT Introducción En un gas, las moléculas están muy separadas, moviéndose a gran velocidad, chocando y rebotando caóticamente. Esta agitación frenética hace que los gases se expandan hasta ocupar todo el lugar disponible en un recipiente. Nuestro planeta está envuelto por una capa de gases a la que llamamos atmósfera, compuesta en su mayor parte por nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). Las moléculas de aire activadas enérgicamente por el Sol no escapan al espacio porque el campo gravitatorio de la Tierra restringe su expansión. Estamos sumergidos en un océano de aire, una capa gaseosa que, como una cáscara de manzana (tan fina es), recubre el planeta. En forma similar a como lo hace un líquido, el peso del aire sobre la superficie terrestre ejerce una presión; la presión atmosférica. A diferencia de los líquidos, los gases son compresibles: como su densidad puede variar, las capas superiores de la columna de aire comprimen a las más bajas. En los lugares más profundos de la atmósfera, es decir a nivel del mar, el aire es más denso, y a medida que subimos se va enrareciendo, hasta que se desvanece a unos 40 km. de altura. La capa baja, la troposfera, presenta las condiciones necesarias para la vida y es donde se producen los fenómenos meteorológicos. Mide 11 km y contiene el 80% del aire total de la atmósfera. La presión atmosférica ha sido determinada en más de un kilo por centímetro cuadrado de superficie pero, sin embargo, no lo notarnos (motivo por el cual, por miles de años, los hombres consideraron al aire sin peso). Cómo es que los animales y las personas que están en la Tierra pueden soportar tamaña presión? El aire ejerce su presión en todas direcciones (como todos los fluidos y los gases), pero los líquidos internos de todos esos seres ejercen una presión que equilibra la presión exterior. Y qué efectos tiene la presión atmosférica sobre objetos, recipientes y utensilios? Objetivos: Aprender a trabajar en el laboratorio y apreciar el orden, la limpieza y el rigor al trabajar en el mismo. Conocer el concepto de presión. Reconocer mediante experimentos sencillos algunos de los efectos de la presión atmosférica. 1
Relación del tema propuesto con el curriculo del Curso: Está relacionado con el concepto de presión de la asignatura Ciencias Naturales de 1º ESO, aunque se ha realizado también en forma de taller con alumnos de segundo y tercero de ESO. Procedimiento: Se han realizado una serie de 7 experimentos relacionados, que se muestran a continuación: EXPERIMENTO 1: La cortina fantasma 2 folios de papel Tijeras Celo Descripción: Se coloca en el marco superior de la puerta de clase unas hojas de papel cortadas a modo de cortina, tal como se muestra en la Foto 1. Nos aseguramos de que no hay corrientes de aire. A continuación se hace salir de la clase a un alumno corriendo, pasando por debajo de la cortina. Y previamente se les pregunta al resto de alumnos hacia donde se moverá la cortina? Realmente comprueban que la cortina se mueve hacia el interior de la clase, como se muestra en las Fotos 2 y 3. Foto 1 2
Foto 2 Foto3 Explicación: El alumno que sale de la clase deja un vacío (presión negativa), que es rellenado por aire que entra del exterior, este aire hace mover la cortina en sentido contrario al movimiento del alumno, puesto que el aire va desde zonas de mayor presión a zonas de menor presión. EXPERIMENTO 2: El tubo de ensayo mágico I 1 tubo de ensayo con agua Una bandeja Colorante azul de metileno Una cartulina de 10x10 cm Descripción: Se llena un tubo de ensayo con agua coloreada como se muestra en la Foto 4. Se coloca un trozo de papel encima. Se pide a los alumnos que predigan lo que pasará si le damos la vuelta al tubo lleno de agua. A continuación, se gira el tubo de ensayo y se quita la mano del papel. Se observa que el agua del tubo no cae por efecto de la gravedad, como podemos observar en la Foto 5. Este experimento se puede hacer con un vaso lleno de agua y una cartulina como se muestra en la Figura 1 o con una botella con agua y una pelota de ping-pong. 3
Foto 4 Foto 5 Explicación: Figura 1 Al darle la vuelta al tubo de ensayo creamos en su interior una presión negativa que hace que el aire del exterior tienda a entrar a través de la boca del tubo que es donde se encuentra el papel. Este aire que quiere entrar es el que aguanta el papel, que a su vez aguanta el agua del interior. EXPERIMENTO 3: El tubo de ensayo mágico II 1 tubo de ensayo con agua coloreada con unas gotas de azul de metileno Un cristalizador con agua Descripción: Se llena un tubo de ensayo con agua coloreada como se muestra en la Foto 6. Se tapa el extremo del tubo con el dedo y se invierte. A continuación se coloca el tubo invertido dentro del cristalizador con agua, sin apoyar en el fondo, tal y como se muestra en la Figura 2. En las Fotos 7 y 8 se observa que el agua del interior del tubo no se vacía en el cristalizador. 4
Foto 6 Figura 2 Explicación: Foto 7 Foto 8 Al igual que los casos anteriores, el agua del tubo no baja porque la presión lo impide. 5
EXPERIMENTO 4: Hinchar el globo Un matraz Erlenmeyer de 500 ml Un tapón de goma doblemente perforado Dos tubos de vidrio Un globo Descripción: Una vez hecho el montaje de la Figura 3 y Foto 9, se le pide a un alumno que hinche el globo por el tubo que no está conectado al globo (tubo A de la Figura 3). La única forma de que el globo se hinche es cuando el alumno aspira, como puede observarse en la Foto 10. Figura 3 Foto 9 Foto 10 6
Explicación: Al succionar se crea una presión negativa en el interior del matraz que hace que entre aire del exterior por el único tubo libre, que es el que esta conectado al globo. Esta entrada de aire por el tubo B de la Figura 3 hace el globo se hinche. EXPERIMENTO 5: Introducir el globo en un matraz Un matraz Erlenmeyer de 500 ml Agua Un globo Un mechero Bunsen Unas pinzas o un guante antitérmico Descripción: Se calienta un poco de agua en un matraz, como en la Foto 11. Cuando empiece a salir humo, se aparta del fuego y se tapa con un globo ligeramente inflado con aire, de forma que su diámetro sea un poco mayor que el de la boca del matraz. Se deja así y poco a poco se observa que el globo va penetrando en el interior del matraz, como puede comprobarse en las Fotos 12, 13 y 14. Foto 11 7
Explicación: Foto 12 Foto 13 Foto 14 Cuando calentamos el agua del matraz aumentamos mucho la presión en su interior. Después, una vez colocado el globo en la boca del matraz, el interior se va enfriando; se produce la condensación del vapor y por tanto una disminución de la presión en el interior con lo que el aire del exterior quiere entrar para igualar presiones y así empuja al globo hacia en interior. EXPERIMENTO 6: La lata especial Para realizar este experimento se utilizarán los siguientes materiales que se observan en la Foto 15, y que son: Un bote de aluminio Un mechero Bunsen Unos guantes antitérmicos o unas pinzas Una bandeja con agua o un cristalizador Descripción: Foto 15 Se introduce un poco de agua en una lata de refresco vacía y se calienta (ver Foto 16) hasta que salga abundante vapor de agua por el agujero. A continuación se coge la lata y, dándole la vuelta, se introduce verticalmente en un cristalizador con agua a temperatura ambiente. Como se puede observar en la Foto 17, la lata se ha deformado completamente. 8
Explicación: Foto 16 Foto 17 Al calentar el agua de la lata aumentamos la presión en el interior. Esta presión disminuye bruscamente cuando colocamos la lata boca abajo en el cristalizador con agua a temperatura ambiente, debido a que se produce la condensación del vapor. De esta manera, la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la lata hace que el aire del exterior tienda a entrar, pero como la lata esta hecha con un material moldeable, se deforma. Entonces, qué pasará si en vez de utilizar una lata, empleamos un matraz de vidrio? EXPERIMENTO 7: El matraz perezoso Los materiales empleados en este experimento son los mismos que en el experimento 6, pero en vez de utilizar una lata de refresco se utiliza un matraz Erlemneyer de 1 l (cuanto más grande, más llamativo es el fenómeno que se produce) con un tapón perforado y atravesado por un tubo (de esta manera se reduce la boca del matraz), como puede observarse en la Foto 18. Foto 18 9
Descripción: El procedimiento a seguir es el mismo que el del Experimento 6. Se calienta un poco de agua en el matraz (Foto 19) hasta que salga abundante vapor por el tubo de vidrio. Posteriormente le damos la vuelta al matraz y lo introducimos en un cristalizador con abundante agua a temperatura ambiente (Foto 20). Durante aproximadamente unos 10 segundos aparentemente no ocurre nada, como puede observarse en las Fotos 21 y 22, pero posteriormente, empieza a entrar agua dentro del matraz como un surtidor, como puede verse en las Fotos 23 y 24, hasta que el matraz se llena de agua (Foto 25). Foto 19 Foto 20 Foto 21 Foto 22 10
Foto 23 Foto 24 Foto 25 Explicación: La explicación de esta experiencia es la misma que la de la 6; la diferencia de presión entre el interior y el exterior, el pequeño diámetro del tubo y el vidrio con el que se ha fabricado el matraz, ha hecho que el agua del cristalizador entre bruscamente en el interior del matraz y no se rompiese. Pero no lo ha hecho inmediatamente sino que ha tardado un tiempo, el necesario para que la presión del aire del exterior empujara el agua del cristalizador. Tiempo necesario para desarrollar estas prácticas: Aproximadamente 1 hora y 30 minutos. 11
Cuestiones para los alumnos: Previamente a la realización de los diferentes experimentos se les ha preguntado a los alumnos que predijesen lo que iba a ocurrir. Posteriormente a su realización los alumnos han respondido las siguientes cuestiones: EXPERIMENTO 1: LA CORTINA FANTASMA Por qué la cortina sobre el marco de la puerta se mueve en sentido contrario al del desplazamiento de las personas? Tendría sentido realizar este experimento en un lugar con corrientes de aire? Por qué? EXPERIMENTO 2: EL TUBO DE ENSAYO MÁGICO 1 Qué retiene el papel e impide que salga el agua del tubo de ensayo? Ocurriría lo mismo si el papel estuviera mojado? EXPERIMENTO 3: EL TUBO DE ENSAYO MÁGICO 2 Por qué el tubo con agua situado boca abajo en el cristalizador no se vacía? Ocurriría lo mismo si el tubo de ensayo fuese más estrecho o más ancho? EXPERIMENTO 4: HINCHAR EL GLOBO Por qué hay que succionar por el tubo A para llenar el globo de aire? Se podría hinchar el globo de la misma manera si el matraz estuviera medio lleno de agua? Explícalo. EXPERIMENTO 5: INTRODUCIR EL GLOBO EN UN MATRAZ Qué introduce el globo dentro del matraz? Ocurriría lo mismo si en vez de un globo se usase un huevo duro? y un huevo fresco? EXPERIMENTO 6: LA LATA ESPECIAL Realmente, nuestra lata es especial? Por qué se aplasta y no explota? Imagina una botella de plástico con agua caliente, si la dejamos enfriar, qué le ocurrirá a la botella? por qué? EXPERIMENTO 7: EL MATRAZ PEREZOSO Por qué entra agua en el matraz? Por qué esta entrada no es inmediata? Si el tubo del matraz hubiese sido más estrecho, qué crees que hubiera ocurrido? 12
Análisis de las respuestas de los alumnos: La serie de experiencias mostradas a modo de taller les ha gustado mucho, de hecho las dos últimas experiencias se tuvieron que repetir por el interés y la curiosidad de los alumnos, puesto que la primera vez que se realizó casi no pudieron verlo porque la mayoría estaban escondidos debajo de las mesas del laboratorio. Esto paso en todos los grupos donde se realizó. Les gusto tanto que la Experiencia 6 quisieron repetirla ellos, cada uno con una lata. Las condiciones propuestas para el desarrollo de la práctica han sido: Las condiciones en las que se han llevado a cabo las diferentes experiencias no han sido muy sofisticadas y los materiales empleados bastante accesibles, la cual cosa ha sorprendido todavía más a los alumnos, puesto que los experimentos se pueden reproducir con facilidad, aunque algunos con mucha precaución. Análisis de la práctica presentada por el profesor: La mayoría de los alumnos salieron con una idea diferente del concepto de presión y evaluaron los diferentes efectos de la presión atmosférica. En cierta manera es una forma divertida de aprender ciencia. Agradecimientos El presente trabajo ha sido posible gracias a la participación de algunos de los alumnos de 3º de ESO C del I.E.S. Vilamarxant del curso 2007/08, y en especial a los siguientes alumnos, que han participado en la realización de las fotografías y preparación de los materiales: Blas Castañer, Almudena García, Brando González, Marta Hernández, Ronak Negi, Rocío Palavecino, Sandra Ramada, Aida Sáez, Alejandro Sancho y Paula Zaire. 13